Fazendo a Fusão de Sensores Funcionar: ADCs Multicanal, MCUs e Mais

Aplicações como realidade virtual e aumentada requerem uma gama de sensores, e os dados desses sensores são vinculados juntos através da fusão de sensores.

Sistemas complexos fazem uso abundante de dados, especialmente com as capacidades atuais de computação embarcada e em nuvem. E se o seu novo produto precisar usar entradas de um grande número de sensores para fornecer a funcionalidade pretendida? Esta é a ideia central na fusão de sensores. Esse conceito é normalmente discutido em termos de eletrônica automotiva, pois os carros modernos integram dados de múltiplos sensores, mas outros produtos podem usar os mesmos conceitos para fornecer uma gama de funções desejadas. Se o seu próximo sistema vai usar fusão de sensores para integrar dados de múltiplas fontes, aqui estão alguns componentes que você precisará criar um sistema funcional.

O que é Fusão de Sensores?

A fusão de sensores é, como o nome sugere: dados de um grande número de sensores são coletados e alimentados em um processador, que é então usado para uma gama de aplicações. Algumas aplicações finais que requerem fusão de sensores incluem veículos autônomos, robótica, sistemas de controle, automação industrial, IA, realidade aumentada e muito mais. Até produtos como monitores médicos avançados, eletrodomésticos inteligentes e sistemas de casa inteligente farão uso crescente da fusão de sensores.

Então, o que faz a fusão de sensores ser diferente de, digamos, qualquer outra coisa envolvendo leitura e processamento de dados de sensores? É tudo uma questão de escala e como os dados são usados. Seu típico sistema de aquisição de dados pode usar apenas um pequeno número de sensores para diferentes tarefas, e diferentes entradas de sensores podem não ser sempre usadas juntas para tomar decisões semi-autônomas. A fusão de sensores é tanto uma ideia de programação embarcada quanto uma ideia de hardware, no sentido de que o software embarcado processa muito mais dados e os usa para tomar decisões mais complexas.

Se isso soa algo como aprendizado de máquina ou IA, não está muito longe da verdade. Modelos de IA/ML podem ser construídos para acomodar diferentes estruturas de dados, bem como dados de uma gama de fontes para uma única tarefa de inferência. Eles são basicamente agnósticos quanto ao tipo de dados e à estrutura de dados, assim como outros sistemas com múltiplos fluxos de dados e que não usam modelos de ML para tomada de decisões.

Este diagrama de blocos mostra a aplicação de alto nível envolvida na fusão de sensores. Note que a etapa de ADC pode ser integrada ao processador embarcado. Se desejar, o processamento pode até acontecer em um dispositivo externo ou na nuvem.

A principal questão para um designer se torna: como eu “fundo” e processo múltiplos fluxos de dados de sensores? Isso é tanto uma questão de engenharia de software quanto é uma questão de design de hardware. Não abordaremos o lado algorítmico aqui, pois esta ainda é uma área de desenvolvimento ativo entre cientistas da computação e engenheiros de software. No lado do hardware, há uma ampla gama de componentes que são necessários para habilitar a coleta e processamento de dados como parte da fusão de sensores.

Componentes para Sistemas de Fusão de Sensores

O conjunto exato de componentes que você precisa para a fusão de sensores depende, em parte, da área de aplicação:

• Dispositivos pequenos como wearables podem precisar de componentes menores para manter o tamanho do invólucro pequeno. Considere componentes integrados ou componentes SMD menores.

• Sistemas altamente específicos como veículos autônomos têm restrições de forma menos rigorosas. Os fabricantes de chips podem começar a lançar componentes especializados para auxiliar na fusão de sensores em automóveis mais novos.

• Outros sistemas com formas não específicas ou modulares dão aos designers liberdade para selecionar componentes, e SoCs podem não ser desenvolvidos para uso nesses sistemas.

A fusão de sensores começa com a coleta de dados analógicos antes de alimentá-los em um processador embutido.

ADCs Multicanal

Optar por um ADC multicanal para fusão de sensores oferece uma maneira conveniente de agrupar múltiplas entradas de sinal em um único pacote. ADCs multicanais usados em fusão de sensores geralmente não precisam ter uma taxa de amostragem extremamente alta; ADCs delta-sigma com taxas de ~Megasamples por segundo fornecerão aquisição de sinal precisa até a faixa de ultrassom, que abrange uma ampla gama de sensores analógicos.

O ADC multicanal LMP92018 da Texas Instruments inclui 8 entradas simultâneas com saída serial. Ele também inclui 4 DACs para interface com outros componentes analógicos. [Fonte: Datasheet do LMP92018]

Note que ADCs podem ter saída serial ou paralela, e podem incluir outras características como ganho programável ou filtragem de entrada. O LMP92018 da Texas Instruments mostrado acima é um exemplo de um ADC multicanal que também inclui 4 DACs com interfaces GPIO e SPI. Esse tipo de componente é ideal para fusão de sensores, pois fornece alta taxa de amostragem e conexão opcional para uma tensão de referência externa.

Processamento Específico de Aplicação

Após a coleta de dados dos sensores com ADCs, algumas de suas entradas podem requerer processamento específico de aplicação subsequente, seja em um pequeno MCU ou com um ASIC. Como exemplo, componentes DSP podem ser usados para realizar algumas tarefas de condicionamento de sinal que podem ser necessárias em domínios de aplicação específicos (visão computacional a partir de dados de vídeo é um exemplo primário). Se um ASIC não fornecer as etapas de DSP que você precisa, você pode implementá-las com um processador de propósito geral.

Processamento de Propósito Geral

É aqui que sua aplicação será implementada e executada. Algo tão simples quanto um pequeno MCU ou FPGA poderia ser usado para receber entradas de um ADC multicanal serial ou paralelo, ou de ICs DSP. A fusão de um número maior de sensores em paralelo exigirá maior velocidade de processamento, memória interna, profundidade de bits e I/Os para interface com seus outros componentes.

Se existe um SoC que integra múltiplas funções de processamento e comunicação em um único pacote, não há problema em usar este componente como o processador para fusão de sensores. Nem todos esses componentes especializados incluem múltiplos canais ADC para fusão de sensores, e aqueles que incluem podem conter outras características que são desnecessárias para sua aplicação, o que aumenta o ponto de preço do componente.

O STM32F373 MCU da STMicroelectronics é uma plataforma padrão para fornecer poder de processamento de propósito geral em fusão de sensores.

Para cargas de trabalho de computação extremas, como em IA embarcada, você terá que seguir o caminho da GPU para poder de processamento até que os fabricantes de chips desenvolvam ASICs de baixo consumo para implementar modelos de IA. A NVIDIA, sem dúvida, domina o mercado nesta área graças à plataforma Jetson, mas esses sistemas ainda são limitados em termos de fusão de sensores. Isso pode exigir um ADC multicanal e a placa principal, dependendo do número de sensores com os quais você está trabalhando.

Encontrando os Componentes que Você Precisa para Fusão de Sensores

Até agora, examinamos uma variedade de componentes diferentes para fusão de sensores. Esses componentes estão prontamente disponíveis e podem ser usados para desenvolver provas de conceito, módulos de avaliação para componentes especializados, equipamentos de medição e aquisição, e muito mais. Para produtos mais especializados, como produtos de IoT habilitados para IA, os fabricantes de chips estão desenvolvendo uma gama de SoCs especializados que integram muitos ou todos os componentes vistos aqui em um único chip. Esses componentes mais avançados para tarefas de fusão de sensores ainda estão em desenvolvimento, e eles podem não fornecer o número de canais, taxa de amostragem ou ganho que você precisa para seu sistema.

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