【導(dǎo)讀】為了使客戶(hù)能夠更快、更便捷地完成系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，一些傳感器廠商開(kāi)始將MCU與傳感器加以整合，提供MCU+傳感器的模塊化開(kāi)發(fā)平臺(tái)，逐漸成為一類(lèi)產(chǎn)品發(fā)展趨勢(shì)。下文將深入培析MCU與傳感器集成的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。
傳感器作為電子產(chǎn)品的“感知中樞”，在消費(fèi)電子、工業(yè)、醫(yī)療、汽車(chē)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，于基本功能之外也開(kāi)始越來(lái)越多承擔(dān)自動(dòng)調(diào)零、自校準(zhǔn)、自標(biāo)定功能，同時(shí)具備邏輯判斷和信息處理能力，能對(duì)被測(cè)量信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理或信號(hào)處理。這就需要其擁有越來(lái)越強(qiáng)的智能處理能力，也即朝著智能化的方向發(fā)展。為了使客戶(hù)能夠更快、更便捷地完成系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，一些傳感器廠商開(kāi)始將MCU與傳感器加以整合，提供MCU+傳感器的模塊化開(kāi)發(fā)平臺(tái)，逐漸成為一類(lèi)產(chǎn)品發(fā)展趨勢(shì)。
然而，無(wú)論是場(chǎng)景、位置和環(huán)境感知，還是基于運(yùn)動(dòng)、觸摸和手勢(shì)的交互功能，往往需要傳感器的“始終開(kāi)啟”來(lái)實(shí)現(xiàn)，這與物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信終端的低功耗化趨勢(shì)又有所相悖。MCU往往具有多種工作模式，睡眠模式下只需極低功耗。但“始終開(kāi)啟”對(duì)于MCU和傳感器的低功耗需求提出巨大挑戰(zhàn)。如何解決這一矛盾關(guān)系到MCU與傳感器的發(fā)展路徑。為此筆者采訪業(yè)界主流廠商，探討技術(shù)發(fā)展方向。
MCU＋傳感器將走向SoC化
毫無(wú)疑問(wèn)，物聯(lián)網(wǎng)將成為全球信息通信行業(yè)的又一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)，安全性、可擴(kuò)展性和高能效是驅(qū)動(dòng)未來(lái)IoT發(fā)展的三要素。物聯(lián)網(wǎng)的基本要求是物物相連，每一個(gè)需要識(shí)別和管理的物體上都需要安裝與之對(duì)應(yīng)的傳感器。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步，要求傳感器不僅具備基礎(chǔ)的信息收集功能，智能化的信息處理能力也成為判斷其性能高低的重要依據(jù)。因?yàn)椴豢赡軐⑺羞\(yùn)算都放到云端完成，網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)也要完成各自的運(yùn)算任務(wù)。因此，傳感器和微處理器結(jié)合、具有各種功能的單片集成化智能傳感器成為主要發(fā)展方向。現(xiàn)在傳感技術(shù)和MCU的發(fā)展很快，集成度越來(lái)越高。盡管MCU與傳感器的工藝技術(shù)有很多不同之處，目前實(shí)現(xiàn)整合比較困難。但是SoC是行業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)。我們?cè)诿芮杏^察是否能在下一個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)上，比如28nm實(shí)現(xiàn)兩者工藝的融合。
此外，32位MCU的增長(zhǎng)速度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出8位和16位MCU。32位MCU在全球增長(zhǎng)速度是15%以上，其中ARM架構(gòu)的32位MCU的增長(zhǎng)速度更達(dá)到這一速度的兩倍。過(guò)去兩年里，32位MCU出貨量翻一番，以前的規(guī)律通常是5年才能達(dá)到翻一番。2014年在全球范圍內(nèi)的增長(zhǎng)，主要來(lái)自IoT和智能互聯(lián)增長(zhǎng)的貢獻(xiàn)。基于ARM架構(gòu)的Kinetis系列是市場(chǎng)上表現(xiàn)最好的MCU產(chǎn)品之一，并保持了強(qiáng)勁的增長(zhǎng)勢(shì)頭。我們相信，ARM生態(tài)環(huán)境將支持我們更好地服務(wù)客戶(hù)，簡(jiǎn)化他們的設(shè)計(jì)，使客戶(hù)將更多精力關(guān)注于應(yīng)用、軟件和服務(wù)上。
以MCU“監(jiān)聽(tīng)”功能解決傳感器高功耗挑戰(zhàn)
現(xiàn)今移動(dòng)設(shè)備引入的各種高級(jí)功能，例如場(chǎng)景、位置和環(huán)境感知，以及基于運(yùn)動(dòng)、觸摸和手勢(shì)的交互功能，甚至包括語(yǔ)音激活，都是通過(guò)不斷增加的“始終開(kāi)啟”傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在不久的將來(lái)，其他行業(yè)也將需要類(lèi)似于智能手機(jī)的產(chǎn)品功能來(lái)增強(qiáng)他們的客戶(hù)體驗(yàn)，從而同樣取得顯著的進(jìn)步。當(dāng)前，很多已有MCU傳感器處理架構(gòu)耗能過(guò)多，或者無(wú)法隨著傳感器數(shù)量的增加來(lái)有效地?cái)U(kuò)展。LPC54100系列僅需3μA的極小電流即可實(shí)現(xiàn)持續(xù)傳感器監(jiān)聽(tīng)，這對(duì)始終開(kāi)啟的應(yīng)用至關(guān)重要。另外，作為傳感器應(yīng)用領(lǐng)域的首創(chuàng)功能，該系列產(chǎn)品的非對(duì)稱(chēng)雙核架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了工作狀態(tài)下可裁減的功耗/性能，讓開(kāi)發(fā)人員能夠使用CortexM0+內(nèi)核（55μA/MHz的）來(lái)處理傳感器數(shù)據(jù)采集、整合和外部通信，從而優(yōu)化能效，或者使用CortexM4F內(nèi)核（100μA/MHz）更快執(zhí)行復(fù)雜數(shù)學(xué)密集型算法（例如，運(yùn)動(dòng)傳感器融合），同時(shí)節(jié)省能源。
該架構(gòu)帶有專(zhuān)為實(shí)現(xiàn)高能效而全新設(shè)計(jì)的一系列模擬和數(shù)字接口，包括能夠在寬電壓范圍內(nèi)（1.62V～3.6V）支持各種規(guī)格性能的12bit、4.8Msps/s的ADC，以及低功耗串行接口，這些接口讓LPC54100系列能夠提供低于其他同類(lèi)微控制器的能耗。奧地利微電子高級(jí)市場(chǎng)經(jīng)理RussellJordan
整合MCU與傳感器SIP是當(dāng)前主流
作為物聯(lián)網(wǎng)感知層的重要組成部分，智能傳感器的作用越來(lái)越明顯，MCU+傳感器所形成的智能傳感器越來(lái)越成為微電子廠商進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的一種選擇。整合傳感器與MCU將是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，但業(yè)者應(yīng)順其自然，比如CO2感應(yīng)器、濕度傳感器、亮度傳感器等與MCU整合起來(lái)十分困難，目前來(lái)看兩者分立也沒(méi)有太大的缺點(diǎn)，廠商可不必強(qiáng)求；但是對(duì)于一些相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)整合的傳感器類(lèi)型，比如觸摸屏控制器、加速度計(jì)、陀螺儀，在市場(chǎng)需求擴(kuò)大之后，已經(jīng)有廠商將其SoC化了，廠商應(yīng)迅速抓住機(jī)會(huì)。
傳感器使用的MEMS工藝和MCU制程有差異，兩者的SoC整合在半導(dǎo)體技術(shù)上存在一定的挑戰(zhàn)。相對(duì)而言，SIP的解決方案更加可行。現(xiàn)在，許多MCU已經(jīng)采用這種方式與傳感器相集成。我們會(huì)看到更多專(zhuān)為自動(dòng)采集傳感器數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)的MCU架構(gòu)的出現(xiàn)，在為IoT而優(yōu)化的超低功耗平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)匯聚。
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