Jak sprawić, by fuzja sensorów działała: wielokanałowe przetworniki ADC, mikrokontrolery i więcej

Aplikacje takie jak wirtualna i rozszerzona rzeczywistość wymagają szeregu czujników, a dane z tych czujników są łączone razem za pomocą fuzji sensorów.

Złożone systemy intensywnie wykorzystują dane, szczególnie z dzisiejszymi możliwościami obliczeniowymi wbudowanymi i w chmurze. Co jeśli Twój nowy produkt potrzebuje korzystać z danych z dużej liczby czujników, aby zapewnić zamierzoną funkcjonalność? To jest centralna idea fuzji sensorów. Ten koncept jest zwykle omawiany w kontekście elektroniki samochodowej, ponieważ nowoczesne samochody integrują dane z wielu czujników, ale inne produkty mogą używać tych samych koncepcji, aby zapewnić szereg pożądanych funkcji. Jeśli Twój następny system będzie używał fuzji sensorów do integrowania danych z wielu źródeł, oto niektóre komponenty, które będziesz musiał stworzyć działający system.

Co to jest fuzja sensorów?

Fuzja sensorów jest dokładnie tym, na co wskazuje nazwa: dane z dużej liczby czujników są zbierane i przekazywane do procesora, który następnie jest używany w szeregu aplikacji. Niektóre aplikacje końcowe wymagające fuzji sensorów to pojazdy autonomiczne, robotyka, systemy sterowania, automatyzacja przemysłowa, AI, rozszerzona rzeczywistość i wiele więcej. Nawet produkty takie jak zaawansowane monitory medyczne, inteligentne urządzenia i systemy inteligentnego domu będą coraz częściej korzystać z fuzji sensorów.

Co więc sprawia, że fuzja sensorów różni się od, powiedzmy, czegokolwiek innego związanego z odczytem i przetwarzaniem danych z czujników? To kwestia skali i sposobu wykorzystania danych. Typowy system akwizycji danych może używać tylko niewielkiej liczby czujników do różnych zadań, a różne wejścia z czujników nie zawsze są używane razem do podejmowania półautonomicznych decyzji. Fuzja sensorów to zarówno pomysł programowania wbudowanego, jak i pomysł sprzętowy, w tym sensie, że wbudowane oprogramowanie przetwarza znacznie więcej danych i używa ich do podejmowania bardziej złożonych decyzji.

Jeśli to brzmi jak coś w rodzaju uczenia maszynowego lub AI, to nie jest daleko od prawdy. Modele AI/ML mogą być konstruowane tak, aby pomieścić różne struktury danych, jak również dane z różnych źródeł dla pojedynczego zadania wnioskowania. Są one w zasadzie agnostyczne względem typów danych i struktur danych, podobnie jak inne systemy z wieloma strumieniami danych, które nie używają modeli ML do podejmowania decyzji.

Ten schemat blokowy pokazuje wysokopoziomową aplikację zaangażowaną w fuzję sensorów. Zauważ, że etap ADC może być zintegrowany z procesorem wbudowanym. Jeśli chcesz, przetwarzanie może nawet odbywać się na zewnętrznym urządzeniu lub w chmurze.

Główne pytanie dla projektanta brzmi: jak „scalić” i przetwarzać wiele strumieni danych z czujników? To pytanie dotyczy zarówno inżynierii oprogramowania, jak i projektowania sprzętu. Nie będziemy tutaj poruszać strony algorytmicznej, ponieważ jest to nadal obszar aktywnego rozwoju wśród informatyków i inżynierów oprogramowania. Od strony sprzętowej istnieje szeroki zakres komponentów, które są potrzebne do umożliwienia zbierania i przetwarzania danych jako część fuzji sensorów.

Komponenty dla systemów fuzji sensorów

Dokładny zestaw komponentów potrzebnych do fuzji sensorów zależy częściowo od obszaru zastosowania:

• Małe urządzenia takie jak noszone na ciele mogą wymagać mniejszych komponentów, aby zachować małe rozmiary obudowy. Rozważ zintegrowane komponenty lub mniejsze komponenty SMD.

• Wysoce specyficzne systemy takie jak pojazdy autonomiczne mają luźniejsze ograniczenia dotyczące formy. Producenty chipów mogą zacząć wypuszczać specjalistyczne komponenty wspomagające fuzję sensorów w nowszych samochodach.

• Inne systemy o niespecyficznych lub modułowych formach dają projektantom swobodę wyboru komponentów, a SoC mogą nie być rozwijane do użycia w tych systemach.

Fuzja sensorów zaczyna się od zbierania danych analogowych przed ich przekazaniem do wbudowanego procesora.

Wielokanałowe przetworniki ADC

Wybór wielokanałowego przetwornika ADC do fuzji sensorów zapewnia wygodny sposób na połączenie wielu sygnałów wejściowych w jedną paczkę. Wielokanałowe przetworniki ADC używane w fuzji sensorów generalnie nie muszą mieć ekstremalnie wysokiej szybkości próbkowania; przetworniki delta-sigma z szybkością ~Megasampli na sekundę zapewnią dokładne pozyskiwanie sygnału w zakresie ultradźwięków, co obejmuje szeroki zakres sensorów analogowych.

Wielokanałowy przetwornik ADC LMP92018 od Texas Instruments zawiera 8 jednoczesnych wejść z wyjściem szeregowym. Zawiera również 4-kanałowe DAC do interfejsu z innymi komponentami analogowymi. [Źródło: karta katalogowa LMP92018]

Zauważ, że przetworniki ADC mogą mieć wyjście szeregowe lub równoległe, i mogą zawierać inne funkcje takie jak programowalne wzmocnienie czy filtr wejściowy. Texas Instruments LMP92018 pokazany powyżej to jeden z przykładów wielokanałowego przetwornika ADC, który zawiera również 4 DAC z interfejsami GPIO i SPI. Ten typ komponentu jest idealny do fuzji sensorów, ponieważ zapewnia wysoką szybkość próbkowania i opcjonalne połączenie dla zewnętrznego napięcia odniesienia.

Przetwarzanie specyficzne dla aplikacji

Po zebraniu danych sensorowych za pomocą przetworników ADC, niektóre z twoich wejść mogą wymagać następczego przetwarzania specyficznego dla aplikacji, zarówno w małym MCU jak i ASIC. Jako przykład, komponenty DSP mogą być używane do wykonania niektórych zadań kondycjonowania sygnału, które mogą być wymagane w konkretnych dziedzinach zastosowań (przetwarzanie obrazu z danych wideo jest doskonałym przykładem). Jeśli ASIC nie zapewnia potrzebnych kroków DSP, możesz zaimplementować je za pomocą procesora ogólnego przeznaczenia.

Przetwarzanie ogólnego przeznaczenia

To tutaj będzie implementowana i wykonywana twoja aplikacja. Coś tak prostego jak mały MCU lub FPGA może być użyte do odbierania wejść z szeregowego lub równoległego wielokanałowego przetwornika ADC, lub z komponentów DSP. Fuzja z większej liczby sensorów równolegle będzie wymagać większej szybkości przetwarzania, pamięci na pokładzie, głębi bitów i I/O do interfejsu z twoimi innymi komponentami.

Jeśli istnieje SoC, który integruje wiele funkcji przetwarzania i komunikacji w jednym pakiecie, nie ma nic złego w używaniu tego komponentu jako procesora do fuzji sensorów. Nie wszystkie z tych specjalizowanych komponentów zawierają wiele kanałów ADC potrzebnych do fuzji sensorów, a te, które je zawierają, mogą również obejmować inne funkcje, które są niepotrzebne dla twojej aplikacji, co zwiększa cenę komponentu.

STM32F373 MCU od STMicroelectronics jest standardową platformą do zapewniania ogólnej mocy obliczeniowej w fuzji sensorów.

Dla ekstremalnych obciążeń obliczeniowych, takich jak w osadzonym AI, będziesz musiał skierować się w stronę GPU dla mocy obliczeniowej, dopóki producenci chipów nie opracują niskomocowych ASIC-ów do implementacji modeli AI. NVIDIA niekwestionowanie dominuje na tym rynku dzięki platformie Jetson, ale te systemy są nadal ograniczone pod względem fuzji sensorów. Może to wymagać wielokanałowego ADC i głównej płyty, w zależności od liczby sensorów, z którymi pracujesz.

Znalezienie komponentów potrzebnych do fuzji sensorów

Do tej pory przyjrzeliśmy się różnym komponentom do fuzji sensorów. Te komponenty są łatwo dostępne i mogą być używane do opracowywania dowodów koncepcji, modułów ewaluacyjnych dla specjalistycznych komponentów, sprzętu do pomiarów i akwizycji i wielu innych. Dla bardziej specjalizowanych produktów, takich jak produkty IoT z AI, producenci chipów rozwijają gamę specjalistycznych SoC-ów, które integrują wiele lub wszystkie komponenty widoczne tutaj w jednym chipie. Te bardziej zaawansowane komponenty do zadań fuzji sensorów są nadal w fazie rozwoju i mogą nie zapewniać potrzebnej liczby kanałów, szybkości próbkowania czy wzmocnienia dla twojego systemu.

Niezależnie od tego, jakich komponentów potrzebujesz do fuzji sensorów, możesz znaleźć potrzebne części za pomocą odpowiedniej wyszukiwarki elektroniki. Kiedy potrzebujesz znaleźć wzmacniacze, wielokanałowe ADC i inne komponenty dla twojego następnego systemu, Octopart zapewnia kompleksowe rozwiązanie do wyboru komponentów i zarządzania łańcuchem dostaw. Zaawansowane funkcje filtracji pomogą ci wybrać dokładnie te komponenty, których potrzebujesz. Zapoznaj się z naszą stroną układów scalonych, aby rozpocząć poszukiwania potrzebnych komponentów.

Bądź na bieżąco z naszymi najnowszymi artykułami, zapisując się do naszego newslettera.