Far Funzionare la Fusione dei Sensori: ADC Multicanale, MCU e Altro

Applicazioni come la realtà virtuale e aumentata richiedono una gamma di sensori, e i dati provenienti da questi sensori sono collegati insieme mediante la fusione dei sensori.

I sistemi complessi fanno ampio uso di dati, specialmente con le capacità odierne di computing embedded e cloud. E se il tuo nuovo prodotto avesse bisogno di utilizzare input da un gran numero di sensori per fornire la funzionalità intesa? Questa è l'idea centrale nella fusione dei sensori. Questo concetto è normalmente discusso in termini di elettronica automobilistica poiché le auto moderne integrano dati da multipli sensori, ma altri prodotti possono utilizzare gli stessi concetti per fornire una gamma di funzioni desiderate. Se il tuo prossimo sistema utilizzerà la fusione dei sensori per integrare dati da molteplici fonti, ecco alcuni componenti di cui avrai bisogno per creare un sistema funzionante.

Cos'è la Fusione dei Sensori?

La fusione dei sensori è, come suggerisce il nome, dati provenienti da un gran numero di sensori raccolti e alimentati in un processore, che viene poi utilizzato per una gamma di applicazioni. Alcune applicazioni finali che richiedono la fusione dei sensori includono veicoli autonomi, robotica, sistemi di controllo, automazione industriale, intelligenza artificiale, realtà aumentata e molto altro. Anche prodotti come monitor medici avanzati, elettrodomestici intelligenti e sistemi per la casa smart faranno sempre più uso della fusione dei sensori.

Quindi, cosa rende la fusione dei sensori diversa da, diciamo, qualsiasi altra cosa che coinvolga la lettura e l'elaborazione dei dati dei sensori? È tutta una questione di scala e di come i dati vengono utilizzati. Il tuo tipico sistema di acquisizione dati potrebbe utilizzare solo un piccolo numero di sensori per compiti diversi, e diversi input dei sensori potrebbero non essere sempre utilizzati insieme per prendere decisioni semi-autonome. La fusione dei sensori è sia un'idea di programmazione embedded che un'idea hardware in quanto il software embedded elabora molti più dati e li utilizza per prendere decisioni più complesse.

Se questo suona qualcosa come l'apprendimento automatico o l'IA, non è troppo lontano dal segno. I modelli di AI/ML possono essere costruiti per accomodare diverse strutture di dati così come dati provenienti da una gamma di fonti per un unico compito di inferenza. Sono fondamentalmente agnostici rispetto al tipo di dati e alla struttura dei dati, come lo sono altri sistemi con multipli flussi di dati e che non utilizzano modelli ML per la presa di decisioni.

Questo diagramma a blocchi mostra l'applicazione ad alto livello coinvolta nella fusione dei sensori. Nota che la fase ADC può essere integrata nel processore embedded. Se preferisci, l'elaborazione potrebbe anche avvenire su un dispositivo esterno o sul cloud.

La domanda principale per un progettista diventa: come faccio a "fondere" ed elaborare multipli flussi di dati provenienti dai sensori? Questa è tanto una questione di ingegneria del software quanto una questione di progettazione hardware. Non affronteremo qui il lato algoritmico poiché questa è ancora un'area di sviluppo attivo tra informatici e ingegneri del software. Sul lato hardware, esiste una vasta gamma di componenti che sono necessari per abilitare la raccolta e l'elaborazione dei dati come parte della fusione dei sensori.

Componenti per Sistemi di Fusione dei Sensori

L'insieme esatto di componenti di cui hai bisogno per la fusione dei sensori dipende in parte dall'area di applicazione:

• Dispositivi piccoli come i dispositivi indossabili potrebbero necessitare di componenti più piccoli per mantenere ridotte le dimensioni dell'involucro. Considera componenti integrati o componenti SMD più piccoli.

• Sistemi altamente specifici come i veicoli autonomi hanno restrizioni di forma meno stringenti. I produttori di chip potrebbero iniziare a rilasciare componenti speciali per aiutare la fusione dei sensori nei nuovi autoveicoli.

• Altri sistemi con fattori di forma non specifici o modulari danno ai progettisti la libertà di selezionare i componenti, e i SoC potrebbero non essere sviluppati per l'uso in questi sistemi.

La fusione dei sensori inizia sempre con la raccolta di dati analogici prima di inviarli a un processore incorporato.

ADC multicanale

Optare per un ADC multicanale per la fusione dei sensori offre un modo conveniente per raggruppare più ingressi di segnale in un unico pacchetto. Gli ADC multicanale utilizzati nella fusione dei sensori generalmente non necessitano di avere un tasso di campionamento estremamente elevato; gli ADC delta-sigma con tassi di ~Megasamples al secondo forniranno acquisizione di segnali accurata fino alla gamma degli ultrasuoni, che comprende un'ampia gamma di sensori analogici.

L'ADC multicanale LMP92018 di Texas Instruments include 8 ingressi simultanei con uscita seriale. Include anche 4 DAC per l'interfacciamento con altri componenti analogici. [Fonte: Scheda tecnica LMP92018]

Da notare che gli ADC possono avere uscite seriali o parallele, e possono includere altre funzionalità come il guadagno programmabile o il filtraggio degli ingressi. Il LMP92018 di Texas Instruments mostrato sopra è un esempio di ADC multicanale che include anche 4 DAC con interfacce GPIO e SPI. Questo tipo di componente è ideale per la fusione dei sensori poiché fornisce un alto tasso di campionamento e la connessione opzionale per una tensione di riferimento esterna.

Elaborazione specifica per l'applicazione

Dopo che i dati dei sensori sono stati raccolti con gli ADC, alcuni dei tuoi ingressi potrebbero richiedere un'ulteriore elaborazione specifica per l'applicazione, sia in un piccolo MCU sia con un ASIC. Come esempio, i componenti DSP possono essere utilizzati per eseguire alcuni compiti di condizionamento del segnale che potrebbero essere richiesti in specifici domini di applicazione (la visione computerizzata dai dati video è un esempio primario). Se un ASIC non fornisce i passaggi DSP di cui hai bisogno, puoi implementarli con un processore generico.

Elaborazione generica

Questo è il punto in cui la tua applicazione verrà implementata ed eseguita. Qualcosa di semplice come un piccolo MCU o FPGA potrebbe essere utilizzato per ricevere input da un ADC multicanale seriale o parallelo, o da IC DSP. La fusione da un numero maggiore di sensori in parallelo richiederà maggiore velocità di elaborazione, memoria on-board, profondità di bit e I/O per interfacciarsi con gli altri componenti.

Se esiste un SoC che integra molteplici funzioni di elaborazione e comunicazione in un unico pacchetto, non c'è alcun problema nell'utilizzare questo componente come processore per la fusione dei sensori. Non tutti questi componenti specializzati includono più canali ADC per la fusione dei sensori, e quelli che lo fanno possono includere altre caratteristiche che sono inutili per la tua applicazione, il che aumenta il prezzo del componente.

Il STM32F373 MCU di STMicroelectronics è una piattaforma standard per fornire potenza di elaborazione generica nella fusione dei sensori.

Per carichi di lavoro di calcolo estremi, come nell'IA incorporata, dovrai optare per la GPU per la potenza di elaborazione fino a quando i produttori di chip svilupperanno ASIC a basso consumo per implementare modelli di IA. NVIDIA domina probabilmente il mercato in questo settore grazie alla piattaforma Jetson, ma questi sistemi sono ancora limitati in termini di fusione dei sensori. Questo può richiedere un ADC multicanale e la scheda principale, a seconda del numero di sensori con cui stai lavorando.

Trovare i Componenti di cui Hai Bisogno per la Fusione dei Sensori

Finora, abbiamo esaminato una serie di componenti diversi per la fusione dei sensori. Questi componenti sono facilmente disponibili e possono essere utilizzati per sviluppare prove di concetto, moduli di valutazione per componenti specializzati, attrezzature di misurazione e acquisizione, e molto altro. Per prodotti più specializzati, come i prodotti IoT abilitati all'IA, i produttori di chip stanno sviluppando una gamma di SoC specializzati che integrano molti o tutti i componenti visti qui in un unico chip. Questi componenti più avanzati per compiti di fusione dei sensori sono ancora in fase di sviluppo, e potrebbero non fornire il numero di canali, la velocità di campionamento o il guadagno di cui hai bisogno per il tuo sistema.

Non importa quali componenti ti servano per la fusione dei sensori, puoi trovare le parti di cui hai bisogno con il motore di ricerca elettronico giusto. Quando hai bisogno di trovare amplificatori, ADC multicanale e altri componenti per il tuo prossimo sistema, Octopart offre una soluzione completa per la selezione dei componenti e la gestione della catena di approvvigionamento. Le funzionalità avanzate di filtraggio ti aiuteranno a selezionare esattamente i componenti di cui hai bisogno. Dai un'occhiata alla nostra pagina sui circuiti integrati per iniziare la tua ricerca dei componenti necessari.

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