Faire fonctionner la fusion de capteurs : ADC multivoies, MCU et plus encore

Des applications comme la réalité virtuelle et augmentée nécessitent une gamme de capteurs, et les données de ces capteurs sont liées ensemble grâce à la fusion de capteurs.

Les systèmes complexes font un usage abondant des données, surtout avec les capacités actuelles de l'informatique embarquée et du cloud computing. Que se passe-t-il si votre nouveau produit doit utiliser les entrées d'un grand nombre de capteurs pour fournir la fonctionnalité prévue ? C'est l'idée centrale de la fusion de capteurs. Ce concept est normalement discuté en termes d'électronique automobile car les voitures modernes intègrent des données de plusieurs capteurs, mais d'autres produits peuvent utiliser les mêmes concepts pour fournir une gamme de fonctions souhaitées. Si votre prochain système va utiliser la fusion de capteurs pour intégrer des données de multiples sources, voici quelques composants dont vous aurez besoin pour créer un système fonctionnel.

Qu'est-ce que la Fusion de Capteurs ?

La fusion de capteurs est, comme son nom l'indique : des données provenant d'un grand nombre de capteurs sont collectées et alimentées dans un processeur, qui est ensuite utilisé pour une gamme d'applications. Certaines applications finales qui nécessitent la fusion de capteurs incluent les véhicules autonomes, la robotique, les systèmes de contrôle, l'automatisation industrielle, l'IA, la réalité augmentée, et bien plus encore. Même des produits comme les moniteurs médicaux avancés, les appareils intelligents et les systèmes de maison intelligente feront de plus en plus usage de la fusion de capteurs.

Alors, qu'est-ce qui rend la fusion de capteurs différente, disons, de tout autre chose impliquant la lecture et le traitement des données de capteurs ? C'est toute une question d'échelle et de la manière dont les données sont utilisées. Votre système d'acquisition de données typique peut seulement utiliser un petit nombre de capteurs pour différentes tâches, et les différentes entrées de capteurs ne sont pas toujours utilisées ensemble pour prendre des décisions semi-autonomes. La fusion de capteurs est à la fois une idée de programmation embarquée et une idée matérielle en ce que le logiciel embarqué traite beaucoup plus de données et les utilise pour prendre des décisions plus complexes.

Si cela ressemble à quelque chose comme l'apprentissage automatique ou l'IA, ce n'est pas trop loin de la vérité. Les modèles IA/ML peuvent être construits pour accommoder différentes structures de données ainsi que des données provenant d'une gamme de sources pour une seule tâche d'inférence. Ils sont essentiellement agnostiques en termes de type de données et de structure de données, tout comme d'autres systèmes avec de multiples flux de données et qui n'utilisent pas de modèles ML pour la prise de décision.

Ce schéma en blocs montre l'application de haut niveau impliquée dans la fusion de capteurs. Notez que l'étape ADC peut être intégrée dans le processeur embarqué. Si vous le souhaitez, le traitement pourrait même avoir lieu sur un appareil externe ou sur le cloud.

La principale question pour un concepteur devient : comment puis-je « fusionner » et traiter plusieurs flux de données provenant de capteurs ? C'est autant une question d'ingénierie logicielle que de conception matérielle. Nous n'aborderons pas ici le côté algorithmique car c'est encore un domaine de développement actif parmi les informaticiens et les ingénieurs logiciels. Du côté matériel, il existe une large gamme de composants nécessaires pour permettre la collecte et le traitement des données dans le cadre de la fusion de capteurs.

Composants pour les Systèmes de Fusion de Capteurs

L'ensemble exact de composants dont vous avez besoin pour la fusion de capteurs dépend en partie du domaine d'application :

• Les petits appareils comme les dispositifs portables peuvent nécessiter des composants plus petits pour maintenir la taille du boîtier réduite. Envisagez des composants intégrés ou des composants SMD plus petits.

• Les systèmes hautement spécifiques comme les véhicules autonomes ont des restrictions de forme moins strictes. Les fabricants de puces peuvent commencer à libérer des composants spécialisés pour aider à la fusion de capteurs dans les automobiles plus récentes.

• D'autres systèmes avec des formes non spécifiques ou modulaires donnent aux concepteurs la liberté de sélectionner des composants, et les SoCs peuvent ne pas être développés pour être utilisés dans ces systèmes.

La fusion de capteurs commence toujours par la collecte de données analogiques avant de les envoyer à un processeur embarqué.

ADC multivoies

Opter pour un ADC multivoies pour la fusion de capteurs offre un moyen pratique de regrouper plusieurs entrées de signal dans un seul paquet. Les ADC multivoies utilisés dans la fusion de capteurs n'ont généralement pas besoin d'avoir un taux d'échantillonnage extrêmement élevé ; les ADC delta-sigma avec des taux de ~Mégaéchantillons par seconde fourniront une acquisition de signal précise dans la gamme des ultrasons, ce qui englobe une large gamme de capteurs analogiques.

L'ADC multivoies LMP92018 de Texas Instruments comprend 8 entrées simultanées avec sortie série. Il inclut également 4 DACs pour l'interface avec d'autres composants analogiques. [Source : fiche technique LMP92018]

Notez que les ADC peuvent sortir en série ou en parallèle, et ils peuvent inclure d'autres fonctionnalités comme le gain programmable ou le filtrage d'entrée. Le LMP92018 de Texas Instruments montré ci-dessus est un exemple d'ADC multivoies qui inclut également 4 DACs avec interfaces GPIO et SPI. Ce type de composant est idéal pour la fusion de capteurs car il fournit un taux d'échantillonnage élevé et une connexion optionnelle pour une tension de référence externe.

Traitement spécifique à l'application

Après la collecte des données des capteurs avec les ADC, certaines de vos entrées peuvent nécessiter un traitement spécifique à l'application, soit dans un petit MCU, soit avec un ASIC. Par exemple, les composants DSP peuvent être utilisés pour effectuer certaines tâches de conditionnement du signal qui peuvent être nécessaires dans des domaines d'application spécifiques (la vision par ordinateur à partir de données vidéo est un exemple typique). Si un ASIC ne fournit pas les étapes DSP dont vous avez besoin, vous pouvez les implémenter avec un processeur généraliste.

Traitement généraliste

C'est là que votre application sera mise en œuvre et exécutée. Quelque chose d'aussi simple qu'un petit MCU ou FPGA pourrait être utilisé pour recevoir des entrées d'un ADC multivoies série ou parallèle, ou de ICs DSP. La fusion à partir d'un plus grand nombre de capteurs en parallèle nécessitera une plus grande vitesse de traitement, de la mémoire embarquée, une profondeur de bits et des E/S pour interfacer avec vos autres composants.

Si un SoC intègre plusieurs fonctions de traitement et de communication dans un seul et même package, il n'y a aucun inconvénient à utiliser ce composant comme processeur pour la fusion de capteurs. Tous ces composants spécialisés n'incluent pas plusieurs canaux ADC pour la fusion de capteurs, et ceux qui le font peuvent inclure d'autres fonctionnalités qui ne sont pas nécessaires pour votre application, ce qui augmente le prix du composant.

Le STM32F373 MCU de STMicroelectronics est une plateforme standard pour fournir une puissance de traitement à usage général dans la fusion de capteurs.

Pour des charges de travail informatiques extrêmes, comme dans l'IA embarquée, vous devrez opter pour la route du GPU pour la puissance de traitement jusqu'à ce que les fabricants de puces développent des ASICs à faible consommation pour l'implémentation de modèles d'IA. NVIDIA domine sans doute le marché dans ce domaine grâce à la plateforme Jetson, mais ces systèmes sont encore limités en termes de fusion de capteurs. Cela peut nécessiter un ADC multicanal et la carte principale, en fonction du nombre de capteurs avec lesquels vous travaillez.

Trouver les composants dont vous avez besoin pour la fusion de capteurs

Jusqu'à présent, nous avons examiné un éventail de composants différents pour la fusion de capteurs. Ces composants sont facilement disponibles et peuvent être utilisés pour développer des preuves de concept, des modules d'évaluation pour des composants spécialisés, des équipements de mesure et d'acquisition, et bien plus encore. Pour des produits plus spécialisés, comme les produits IoT activés par l'IA, les fabricants de puces sont développant une gamme de SoCs spécialisés qui intègrent beaucoup ou tous les composants vus ici dans une seule puce. Ces composants plus avancés pour les tâches de fusion de capteurs sont encore en développement, et ils peuvent ne pas fournir le nombre de canaux, la fréquence d'échantillonnage ou le gain dont vous avez besoin pour votre système.

Peu importe les composants dont vous avez besoin pour la fusion de capteurs, vous pouvez trouver les pièces nécessaires avec le bon moteur de recherche électronique. Lorsque vous avez besoin de trouver des amplificateurs, des ADC multicanal, et d'autres composants pour votre prochain système, Octopart offre une solution complète pour la sélection de composants et la gestion de la chaîne d'approvisionnement. Les fonctionnalités de filtration avancées vous aideront à sélectionner exactement les composants dont vous avez besoin. Jetez un œil à notre page de circuits intégrés pour commencer votre recherche des composants nécessaires.

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