חיישנים חכמים יותר חוסכים מקום והספק

צרכנים מסתגלים במהירות למאפיינים המתקדמים ביותר של טלפונים חכמים ומחשבי לוח שנמצאים היום בשימוש. החיים המודרניים מסתמכים יותר ויותר על חישה מיידית של הקשר ומיקום, והמשתמשים בתורם מציבים דרישות הולכות וגדלות על התקנים חכמים המשמשים במגוון שטחים כמו תהליכים תעשייתיים ושירותי בריאות. תכנון חכם של חומרה ותוכנה חיוני להבטחת דרישות של מהירות ודיוק תוך עמידה באילוצים נוקשים של גודל מערכת וצריכת הספק.

חיבור חיישנים

יכולות מתוחכמות, כמו מעקב תנועה ומודעות מיקום, מעניקות את המפתח למאפיינים וליישומים חדשים בציוד צריכה, ומסייעות באיפשור הזדמנויות שוק חדשות כמו הזירה המתפתחת של התקנים לבישים. חישה מתקדמת מעלה גם את הציפיות מציוד כגון אוטומציה תעשייתית, ניטור חולים ויישומי אינטרנט של דברים ‏(IoT), מאחר והצרכנים דורשים מאפיינים חכמים והתנהגות אוטונומית, רגישת-הקשר.

חיישני MEMS זעירים, כמו מדי-תאוצה, ג'ירוסקופים ומגנטומטרים מייצגים את הטכנולוגיה העיקרית המאפשרת מעקב תנועה ומודעות מיקום בהתקנים נישאים, בנקודות מחיר מקובלות על הצרכנים.

דרישות משתמש-הקצה לדיוק גבוה יותר ולביצועים טובים יותר נענות על ידי שימוש בחיישנים אלה במשולב, מאחר וכל סוג חיישן כשלעצמו הוא בעל מגבלות. מד תאוצה לדוגמה, יכול לספק זיהוי בסיסי של מיכוון (orientation) והטייה, ויכול לעקוב אחרי עילרוד וגלגול אם ההתקן איננו נע. בתוספת ג'יירוסקופ ניתן למדוד בדייקנות תנועות מורכבות יותר כמו עילרוד וגלגול בזמן שההתקן נע, או סיבוב במהירות גבוהה. מאידך, אפשר להשתמש במגנטומטר כדי לתקן שגיאות סיבוביות של מד-התאוצה על ידי ניטור תנועה ביחס לצפון המגנטי, אבל רוחב-הסרט שלו מוגבל והוא רגיש להפרעות אלקטרומגנטיות חיצוניות.

היתוך (fusion) חיישנים משלב תפוקות של חיישנים מרובים במערכת בכדי לנטר בדייקנות תנועות מורכבות או מהירות לצרכי בקרת מחוות או לכידת תנועות-גוף למטרות משחקים או מחקר. תלוי ביישומים, היתוך חיישנים יכול להתבצע בצורה הטובה ביותר במעבד הראשי, או ברכזת חיישנים חיצונית, או בחיישן עצמו. לגורמים כמו צריכת הספק, אילוצי גודל, אורך חיי סוללה ומשאבי עיבוד יש את ההשפעות החשובות ביותר על ההחלטה. 

מיקרו-בקר כרכזת חיישנים

אלגוריתמים של היתוך חיישנים ניתנים להרצה במיקרו-בקר הפועל כרכזת חיישנים. חברת Atmel משתפת פעולה עם חברות חיישנים כמו Kionix ו- MEMSIC בפיתוח פתרונות היתוך חיישנים עבור המיקרו-בקרים שלה +SAM D20 ARM® Cortex®-M0, או ה-SAM G53 עם ליבה ARM Cortex-M4.‏ דבר זה מפשט אינטגרציה של חיישנים כמו מדי-תאוצה מטכנולוגיית MEMS -‏ Kionix KXCJ9 או Memsic MXC62320.‏ המיקרו-בקרים האלה תומכים בטכנולוגיות SleepWalking ו- Atmel Event System המאפשרות חיסכון הספק כאשר הם מתפקדים כרכזת חיישנים. טכנולוגיית SleepWalking מאפשרת עצירת כל הפונקציות והשעונים, בשעה שהציוד ההיקפי שומר על היכולת להעיר חלקים מהמערכת באופן אסינכרוני. ה- Event System מאפשר לציוד ההקפי להגיב ללא התערבות מעבד לארועים כמו קבלת אותות חיישנים, דבר שמועיל לניצול הטוב ביותר של מצב תרדמת המיקרו-בקר.

קצץ בהספק

התמודדות עם צריכת הספק נעשית חשובה יותר ויותר למהנדסים המפתחים מערכות חישת-תנועה. אפליקציות מבוססות-תנועה של היום ההולכות ומתפשטות, במיוחד בהתקנים לבישים כמו שעונים או משקפיים חכמים, דורשות חישה של מצב מופעל-תמיד, למרות הצריכה המוגברת שזה יכול להעמיס על הסוללה. ההתפתחויות האחרונות במערכות הפעלה של ניידים מספקות המחשה. חברת Google עידכנה באופן משמעותי את פונקציות ניהול-החיישנים ב- Android גירסה 4.4 כדי לאפשר שימוש רחב יותר של מיקום בזמן-אמת ומודעות הקשר, מבלי לכפות צריכה מופרזת על הסוללה. פונקציות של מד-צעדים (Pedometer), כמו גילוי צעדים וספירתם, נדרשות לפעול ברקע, וממשקים לפיתוח אפליקציות (API) עודכנו על מנת לשפר ניהול חיישנים ולמנוע אותות עירור כוזבים מלעורר את מעבד היישומים הראשי.

Android גירסה 4.4 מדגימה איך אחריות ניהול חיישנים ניתנת להעתקה לרכזת חיישנים או אפילו לחיישן עצמו. חישובי היתוך חיישנים ביציאות של מדי-תאוצה וג'יירוסקופים חייבים להערך במרווחי הפסיקות, בשעה שמעבד היישומים הראשי נמצא בתרדמה. בנוסף, מצב הקבצה מאפשר לרכזת החיישנים לאגור את תוצאות ההיתוך ולשלוח אותן רק כאשר מעבד היישומים מתעורר מתרדמה עקב אירוע חישן משמעותי.

חברת STMicroelectronics נשאה את מושג ההקבצה לשלב גבוה יותר במיקרו-בקר שלה STM32F411 המבוסס על ליבת ה-ARM Cortex-M0. המיקרו-בקר מיישם את מצב איסוף-קובץ (BAM) שלו עצמו, אשר חוסך אנרגיה כאשר הוא משמש כרכזת חיישנים, על ידי איחסון נתוני חיישן ישירות בתוך זכרון SRAM על-השבב, בשעה שליבת ה-CPU שלו נמצאת בתרדמה. הליבה מתעוררת לזמן קצר על מנת לעבד את הנתונים המאוכסנים ושבה חזרה למצב חיסכון-הספק. פונקציות חיסכון-אנרגיה נוספות כמו מצב Flash STOP, ביצוע באפס-המתנה ומידרוג מתחים, עושות את ההתקן הזה אטרקטיבי לשימוש באפליקציות מסוג בקרות תעשייתיות, צגי ניטור רפואיים, אוטומציית בניינים וטכנולוגיה לבישה, בנוסף לטלפונים חכמים ומחשבי לוח.

חסוך מקום בלוח

מודולי חיישנים של 6-צירים כמו ה-Freescale FXOS8700CQR1, שמאחד מד-תאוצה תלת-צירי ומגנטומטר תלת-צירי כדי לספק פתרון חוסך-מקום נוח המשלב פונקציות של שני חיישני תנועה. ה- FXOS8700CQR1 הוא בעל פונקציה מובנית של עיבוד אותות דיגיטליים, שתומכת בפונקציות ארועים משובצות הניתנות לתכנות, כמו גילוי נפילה חופשית, גילוי פולס/הקשה, גילוי מיכוון וחישה מגנטית כדי לסייע באפליקציות של ניווט מקורה, בקרת ממשק-משתמש, או ניטור זעזועים ורעידות בציוד תעשייתי. איור 1 מראה את הבלוקים העיקריים ואת פונקציות עיבוד האותות הדיגיטליים (DSP) של התקן זה. להשלמת תיק חיישני MEMS של חברת Freescale, הספריה להיתוך חיישנים עבור מיקרו-בקרים Kinetis מספקת פונקציות מתקדמות עבור חישוב מיכוון של התקן, תאוצה לינארית והפרעות מגנטיות במיקרו-בקר המחובר למודול החיישן.


איור 1: ה- DSP המשובץ ב- FXOS8700CQR1 מבצע עיבוד בסיסי של נתוני חיישן מגנטי וחיישן תאוצה.

חברת InvenSense יישמה יחידת מעבד תנועה דיגיטלי (DMP) לצד ג'יירוסקופ תלת-צירי ומד תאוצה תלת-צירי בהתקן מעקב התנועה שלה ™MPU-6500‏ כפי שמודגם באיור 2. ה- DMP מסוגל להריץ אלגוריתמים של עיבוד-תנועה בשיהוי נמוך ומספק מספר פונקציות, כולל זיהוי מחוות המשתמש בפסיקות ניתנות לתכנות, אלגוריתם נמוך-הספק של מסך מסתובב שיכול לחשב מיכוון של מסך ללא התערבות מעבד ראשי, ומד-צעדים המסוגל לקיים ספירת צעדים בשעה שהמעבד המארח נמצא בתרדמה.


איור 2: ה- MPU-6500 משלב את הדור הראשון של InvenSense DMP, שמסוגל לשחרר את מרכזת החיישן מעיבוד היתוך-חיישנים.

כיוונים עתידיים

ה- DMP שמשולב ב- InvenSense MPU-6500 מבשר את הגעתו של הדור החדש של חיישנים שמסוגלים לבצע היתוך חיישנים מקיף יותר ללא רכזת חיישנים מחוברת. ביצוע עיבוד היתוך חיישנים במודול החיישן יכול לסייע בצמצום צריכת הספק, בקיצור זמני תגובה ובפישוט תכני יישומים. עלויות מפרט חומרים ושטח לוח ניתנים לחיסכון גם כן. גם חברת InvenSense וגם חברת ST פרסמו מודולים אינרציאליים של 6-צירים שעומדים בדרישות Android 4.4, אשר כוללים עיבוד תנועה מובנה שמשחרר את מעבד היישומים ואת רכזת החיישנים.

סיכום

עם עליית הביקוש לפונקציות רגישות-הקשר על פני מגוון רחב של יישומים ושווקים, גישות לחיבור חיישנים נעשות תחת בדיקה קפדנית, וטכניקות חדשות שיוצאות לשוק מסייעות לחיסכון בהספק ובכמות רכיבים. מערכות ההפעלה האחרונות של ניידים מדגימות איך חישת מצב "מופעל-תמיד" ניתנת להשגה בתוספת מינימלית של צריכת הספק.