多传感器位置融合，植入传感器

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构建新的多传感器系统可能是一项艰巨的任务，因为您需要确保设计满足传感器的特定要求并提供长期的准确性和可靠性。由于应用要求需要更多的无线连接，设计人员发现很难提供能够最大限度地提高无线电灵敏度和范围，同时保持无噪声信号链运行的解决方案。专为传感器应用而设计的单板计算机(SBC) 提供了出色的解决方案，可以满足无线传感器的复杂要求，而无需牺牲紧张的项目进度。

传感器系统设计通常将微控制器(MCU) 与更多模拟电路和数字控制逻辑相结合，以准确可靠地捕获和传输传感器数据（图1）。 SBC 可以通过提供将硬件和软件与传感器应用开发工具相结合的测试平台来加速这些系统的设计。开发人员不必花时间重新创建许多传感器设计通用的基本系统，而是可以专注于优化所需的功能，以满足其独特应用的特定要求。

图1. 大多数传感器系统都采用通用架构，包括用于采集传感器信号的微控制器(MCU) 和模拟前端(AFE)，以及用于将传感器数据传输到其他设备或主机系统的通信子系统。 （图片来源：德州仪器）

德州仪器(TI) 和恩智浦(NXP) 的专用板级系统专为传感器应用而设计，将无线传感器硬件与专用软件库和完整的开发环境相结合，以加快这些应用的设计和测试速度。

紧密集成的SBC

Texas Instruments SensorTag 提供紧密集成的解决方案，在仅5 x 6.7 x 1.4 厘米的封装中提供完整的传感器处理系统。 SensorTag 基于TI CC2650 无线MCU 的功能而构建，并添加了必要的组件，以将CC2650 连接到SensorTag 板上构建的多个传感器和用户界面设备（图2）。

图2. Texas Instruments SensorTag 使用TI CC2650 无线MCU 的集成无线通信和传感器处理功能来提供多个传感器和接口，以实现传感器应用的快速开发。 （来源：德州仪器）

TI SensorTag 是一款综合开发套件，旨在快速开发互联传感器应用并支持多种开发风格。事实上，开发人员可以使用默认模式立即开始处理传感器数据。在默认模式下启动后，SensorTag 会将自身通告给支持蓝牙低功耗的核心设备，例如智能手机。开发人员可以通过云或直接使用JavaScript 和jQuery 从SensorTag 访问传感器数据。在此模式下，开发人员可以使用Android 或iOS 移动应用程序作为起点，或基于套件中包含的示例Web 应用程序项目的源代码创建独立于HTML5 平台的代码。

对于更复杂的定制应用，SensorTag Hardware 提供了基于开放硬件解决方案的高级开发平台。其中，开放硬件解决方案旨在演示各种低功耗传感器的使用。开发人员可以使用称为DevPacks 的子卡进一步扩展SensorTag。这有利于其他类型的传感器和执行器的设计和测试。特别是，SensorTag 与可用的Debug DevPack 结合使用时，可以提供一个经济实惠且全面的平台，用于开发传感器应用的定制软件和硬件（图3）。

图3. Texas Instruments 的SensorTag 调试器DevPack 为SensorTag 添加了测试和调试功能，包括JTAG 调试功能和Grove 连接垫，可简化添加硬件的操作，例如添加Seeed Technology 的Grove 指纹传感器。 （图片来源：德州仪器）

对于无线部署，SensorTag 套件包括在TI 实时操作系统(TI-RTOS) 软件环境中运行的蓝牙低功耗(BLE) 堆栈。 TI-RTOS 是一种实时、抢占式、多线程操作系统，可以同步应用程序执行和BLE 协议栈。两者在RTOS 中作为单独的任务运行。这里，BLE 堆栈以最高优先级运行，以确保可靠的通信。

在SensorTag 中，无线交易本身利用CC2650 的集成RF 核心。它包括集成了模拟射频和基带电路的ARM Cortex-M0 处理器。虽然工程师无法对RF Core 的M0 处理器进行编程，但TI 提供了基于命令的高级应用程序编程接口(API)，允许您从主处理器上运行的代码向RF Core 发出命令。我是。相反，RF Core 使用专用的4 KB SRAM（用于数据）和ROM（用于代码）来自主处理无线协议的时间关键部分，从而减轻主CPU 的负担并释放应用程序本身预留的资源。

简化软件开发

CC2650 的集成自主处理器—— 传感器控制器引擎(SCE) 可实现同样高效的传感器信号处理。正如RF 核心可以独立执行无线电事务一样，SCE 可以独立于主处理器控制传感器和相关外设。因此，SCE可以运行模数转换器（ADC）并通过集成串行外设接口（SPI）轮询数字传感器，而无需唤醒主机处理器，从而降低了不需要额外的功耗或唤醒。数据和时间。

与RF 内核不同，工程师可以对SCE 进行编程。使用类C 语言，开发人员可以编写自定义代码来执行传感器轮询或处理特殊条件或处理要求。因此，开发人员可以创建更动态的传感器处理功能，而无需依赖在设置传感器数据收集外设时常用的静态配置。对于传感器代码部署，TI 提供了Sensor Controller Studio (SCS)，这是一种用于编写、测试和调试SCE 代码的特殊软件工具（图4）。

图4. 开发人员使用TI Sensor Controller Studio 软件开发工具和类C 语言对CC2650 的集成传感器控制器引擎进行编程。这会生成包含在主应用程序中的C 源代码，该应用程序专门在CC2650 无线MCU 上运行。 （图片来源：德州仪器）

SCS 生成传感器控制器接口驱动程序，它是一组C 源文件。然后，开发人员使用TI Code Composer Studio (CCS) 运行这些C 源文件和其他自定义代码，特别是在CC2650 的ARM Cortex-M3 主机处理器上作为主应用程序的一部分。

CCS是一个基于Eclipse的集成开发环境（IDE），为TI MCU系列的应用程序开发和调试提供了全套工具。 Code Composer Studio 的开发功能包括持续优化的C/C++ 编译器、源代码编辑器、项目构建环境、调试器和分析器——，所有这些都使开发变得更加容易。人们完成应用程序开发的每个阶段。

灵活的传感器解决方案

NXP 在其OM13078 传感器处理运动解决方案(SPM-S) 中采用了不同的方法。 SPM-S 基于NXP LPC54102 MCU，并将NXP 的OM13077 LPCXpresso 板与通过LPCXpresso 的扩展接口连接的传感器扩展板结合在一起（图5）。如图所示，传感器扩展板包括用于无线通信的BLE 模块(AMS0002) 和用于温度、压力、环境光和距离的多个传感器，以及用于更复杂运动传感应用的加速度计和陀螺仪、仪表和磁力计传感器包括。

图5.NXP 提供传感器解决方案。该解决方案将LPC54102 LPCXpresso 板与可容纳多个传感器的扩展板和包括完整传感器软件库的完整开发环境相结合。 （图片来源：恩智浦）

作为随附的运行时软件环境，NXP 提供了LPC 传感器框架，其中包括系统软件和传感器处理软件（图6）。在正常操作期间，LPC54102 MCU 使用Bosch Sensortec BSX Lite 库对传感器进行采样并处理传感器数据。结果可以通过无线BLE 通信或LPCXpresso 板支持的多个主机接口之一进一步发送到其他设备或主机处理器。

图6. 开发人员在NXP 的LPC 传感器框架上构建传感器应用程序。该框架不仅提供包括系统服务和传感器信号处理在内的全面运行时环境，还通过Bosch Sensortec BSX Lite库为传感器融合应用提供内置支持。 （图片来源：恩智浦）

传感器融合架构

除了从多个传感器收集数据的基本能力之外，SPM-S 解决方案的突出之处在于它能够通过专为高级态势感知应用而设计的传感器融合算法来组合多个传感器输出。传感器融合功能结合了多个传感器的结果，以提供单个传感器无法提供的信息。例如，专门用于方向识别的应用需要加速度计、磁力计和陀螺仪传感器的组合结果。恩智浦专门设计了SPM-S 系统，使用系统中包含的传感器融合软件来聚合来自多个物理传感器的数据。

传感器融合支持深深内置于SPM-S 架构中。与一般传感器系统类似，SPM-S 架构将传感器设备识别为连接到SPM-S 硬件的唯一物理设备。该软件使用sensors.h传感器头文件中提供的唯一ID访问每个设备（图7）。

图7. 每个物理传感器都可以通过传感器头文件sensors.h 中的PhysSensorId 计数器定义的唯一传感器ID 进行识别。 （图片来源：恩智浦）

为了支持应用层的传感器融合，SPM-S 架构扩展了这一基本概念，支持底层软件层的虚拟传感器。一个虚拟传感器包含多个物理传感器，这些传感器的结果根据传感器融合算法进行组合，生成新的信息。

例如，虚拟方向传感器返回传感器融合结果，该结果结合了计算方向信息所需的加速度计、磁力计和陀螺仪传感器数据。 SPM-S 开发环境允许开发人员在系统的SensorMap 阵列中指定虚拟传感器（图8）。在此数组中，每个虚拟传感器都列为单个条目，指定虚拟传感器使用的物理传感器。

图8.SensorMap 数组描述了向虚拟传感器提供数据的物理传感器。例如，用于定向的虚拟传感器使用物理传感器，例如加速度计、磁力计和陀螺仪。 （图片来源：恩智浦）

SPM-S 架构中深入嵌入的另一个功能有助于在将多个传感器的结果组合到单个虚拟传感器中时保持同步。

准确的传感器融合结果需要精确的计时，以确保根据传感器融合算法仅组合来自同一“时间点”的样本。在SPM-S 中的中断驱动采样期间，传感器以预定义的速率自主采样，并在结果准备就绪时生成中断。每个中断驱动的传感器都有一个关联的中断处理程序，该处理程序仅在中断发生时保存时间戳，并在后续服务例程中执行读取实际传感器结果。这种方法有助于维护根据来自多个单独物理传感器的数据生成准确的虚拟传感器结果所需的精确定时数据。

结论是

设计基本的无线传感器系统可能会带来重大挑战，不仅会对应用本身产生负面影响，还会影响项目时间表。专业的单板机为传感器处理提供了成熟可靠的软硬件基础，让企业能够更明确地将资源集中到差异化的传感器应用上。使用SBC及其相关开发环境，工程师可以快速开发传感器应用，甚至扩展基本硬件和软件，以创建满足更复杂要求的定制解决方案。