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低功耗Sensor Hub成标配 穿戴装置传感功耗骤降

2015-02-11 20:43:39 来源:本站原创

穿戴式装置续航力可望大幅提升。穿戴式装置配备的感测功能不断增加,促使晶片商加紧研发更省电的微机电系统(MEMS)感测器,并开始提出低功耗感测器中枢(Sensor Hub)方案,以减轻主处理器工作负担,让整体感测系统耗电量大幅下降。

穿戴式装置感测系统功耗可望大幅降低。穿戴式装置受限于体积,因此内部电池蓄电量无法尽如人意,容易引发使用者体验不佳等问题;因此,相关业者无不戮力精进电源管理技术,同时竭尽所能降低相关元件的耗电量,或是透过更有效的系统配置方式,降低主处理器的运作负担,以满足穿戴式装置内感测系统常时开启 (Always-on)的需求。

图1 Bosch Sensortec亚太区总裁百里博表示,整合温/湿/压/气感知的Combo环境感测器,可符合穿戴式装置对体积与功耗的设计要求。

Bosch Sensortec亚太区总裁百里博(Leopold Beer)(图1)表示,目前市面上已有各种穿戴装置,但2014年穿戴装置出货状况却是差强人意。探究其原因,主要是现今市面上的穿戴装置方案不管设计如何精良,或技术如何先进,都无法确实满足使用者的期待。

百里博进一步分析,使用者购买穿戴式产品主要有三大考量,分别为设计、连结性与功能性。然而,这三项需求彼此有其矛盾之处;例如网路连结性与电池使用时间的冲突,就会压抑产品功能性的发挥。

也因此,目前市面上的方案只能针对特定使用族群提供一个折衷选择,这种不明确的市场区隔正说明了为什么穿戴式产品无法成为主流趋势,同时也指出新一代穿戴装置必须克服的问题。

为突破上述挑战,打造更好的使用者体验,穿戴式装置与晶片开发商已积极采纳新的设计方法,如使用高整合型感测器,或引入低功耗感测器中枢(Sensor Hub)。

满足穿戴式装置尺寸/低电量需求 MEMS感测器整合度/功耗迭有突破

以微机电系统(MEMS)感测器来说,在产品设计弹性上即有不少进展。继动作感测器惯性量测单元(IMU)突破九轴设计瓶颈后,环境感测器的多功能组合(Combo)设计也突破层层关卡。

以Bosch Sensortec最新发布的MEMS Combo环境感测器为例,该公司瞄准行动装置、穿戴式装置应用,日前已成功开发出整合大气压力、温度、湿度与气体(Gas Sensor)四种感测器的Combo环境感测器--BME680,且封装尺寸仅3毫米(mm)×3毫米×0.93毫米,为目前业界独树一格的高整合 Combo环境感测器方案(图2)。

图2 整合温度、湿度、压力、气体感测功能的Combo环境感测器 图片来源:Bosch Sensortec

百里博表示,微机电系统感测器体积必须尽可能缩小,为了达到这个目标,最有效的方法是把各种感测器功能整合在一个微小的封装,这可让系统介面整合之应用最大化,并降低封装制造费用。

事实上,日前Bosch Sensortec发布的BME680,即是同时整合四种环境感测器,包括常见的大气压力、温度、湿度感测器,以及检测室内空气品质的气体感测器。

据了解,气体感测器可监测室内环境中,涂料、油漆、脱漆器、清洁用品、家具、办公设备、胶水、黏合剂、酒精等产品上的挥发性有机化合物(VOC)的浓度,例如甲醛;若再结合温度、湿度、压力感测器,则可提供行动装置、穿戴式装置及其他物联网应用更为全面的环境感知能力。

不过,光提升感测器的整合度仍然不够,降低穿戴式感测器功耗仍为首要重点。百里博认为,现今大多数感测器并不符穿戴式应用对高电源效率与高整合度的要求;而要降低感测器数据融合(Fusion)处理的耗电量,必须透过特殊设计与优化的处理器与感测器整合。也因此,MEMS感测器厂商除须提供更高整合度与更多样化的产品之外,还须持续开发更低功耗的MEMS感测器,以符合使用者的期待。

百里博指出,如果要达到低功率消耗的目标,有几个因素必须最佳化,其中最重要的绝对是低耗能的感测器,其次是感测器资料处理的效能。Bosch Sensortec积极就这两个因素进行研发,因此能提供消费性电子产品所需的最低功耗微机电加速度计、陀螺仪与大气压力感测器。

为了降低感测器数据融合与资料处理的功耗,除了从元件设计下手外,高效率的演算法亦能发挥关键作用;以惯性量测单元--BMI160为例,该元件可在低功耗状态下,透过演算法持续进行外部资讯侦测,并整合精确的计步功能,且其电流消耗仅为20微安培(μA)。

不过,空有低功耗的感测器仍然不足。由于感测器必须常时开启,使得主处理器必须时时处于运作状态,而不能随意进入休眠模式,长期以往对于主处理器而言将造成庞大的运算负担;因此,有愈来愈多的穿戴式装置开始导入Sensor Hub元件,以进一步降低感测系统功耗。

晶片商争相竞逐 低功耗Sensor Hub大举出笼

图3 晶心科技总经理林志明表示,晶心科技的IP除了具备低功耗特性外,亦提供客制化指令集服务,可协助晶片商开发客制化的Sensor Hub产品。

晶心科技总经理林志明(图3)表示,Sensor Hub已成为未来穿戴式装置的标准配备,且以微控制器(MCU)为主的Sensor Hub形式仍占据多数。

林志明进一步指出,做为次要处理器的Sensor Hub,其内部矽智财(IP)核心与系统配置要求以低功耗为第一顺位,与行动装置一味追求高效能、多核心的发展方向大相迳庭。

晶心科技市场及服务部协理赖俊泽认为,除了低功耗IP核心之外,Sensor Hub的IP还要具备易整合的开发环境以及客制化指令集等特色。以晶心科技的E801系列为例,该产品除可支援复杂的感测资料运算之外,最大特色即是具备安谋国际(ARM)及其他IP大厂所没有的客制化指令集服务。

赖俊泽指出,过去有提供客制化指令集服务的IP厂商,后来多碰到周边开发环境支援不足,反而增加设计负担的窘境,因而纷纷暂停提供此类服务;而晶心科技则是“站在巨人的肩膀上看世界”,推出客制化指令集的同时,也汲取先进者的经验,同步优化指令集周边的开发环境,并提供客户完整产品开发资源,让晶片开发商除了能设计出超低功耗的Sensor Hub方案外,亦能借助开放的指令集设定,开发出各式各样客制化的Sensor Hub元件。

值得注意的是,虽然目前Sensor Hub皆以单一核心为主,但近期恩智浦(NXP)已推出非对称双核心的Sensor Hub概念,强攻穿戴式、物联网装置市场。

据了解,恩智浦新推出的相关系列产品,其非对称双核心架构可使处于工作状态下的MCU降低耗能,如开发人员可使用每单位兆赫电流为55μA/MHz的 Cortex-M0+核心处理器,来完成感测器资料的获取、整合及外部通讯等任务;当MCU须以更快的速度执行如融合动作感测器等复杂且密集的数学演算时,即可切换至每单位兆赫电流为100μA/MHz的Cortex-M4F核心处理器,进而优化MCU效能,并节省能源(图4)。

图4 非对称双核心Sensor Hub配置示意图 资料来源:恩智浦

赖俊泽认为,非对称双核心确实有助于进一步降低Sensor Hub功耗,这种设计方式也为其他业者指引另一条道路,未来可望形成另一种设计风潮(图5)。

图5 非对称双核心Sensor Hub可大幅提升效能并减少电力消耗。 资料来源:恩智浦

值得注意的是,MCU并非唯一能提供低功耗Sensor Hub的解方,业界还有许多以超低功耗为诉求的Sensor Hub产品形式,如现场可编程闸阵列(FPGA)或是客户特定标准产品(CSSP)等。

据悉,CSSP的超低功耗Sensor Hub能以低于1毫瓦(mW)的功耗运作,系MCU方案的三十分之一,因此该方案未来在穿戴式电子市场亦极具发展潜力(图6)。

图6 超低功耗CSSP Sensor Hub功能区块、外部应用示意图 资料来源:QuickLogic

此外,MEMS晶片商亦积极研拟整合MEMS感测器、微型且低功耗的Sensor Hub方案。

百里博透露,Bosch Sensortec日前即将整合加速度计、陀螺仪、磁力计的九轴惯性量测单元,与预先编码的微控制器整合,可执行完整的数据融合与校正,这也是市面上首见真正的随插即用(Plug and Play)九轴感测器数据融合模组。

整合度跃进 Sensor Hub迈向微型智慧系统

Sensor Hub的另一个发展趋势,则是整合度将更上一层楼。为了完善穿戴式装置感测应用开发环境,Sensor Hub供应商正积极携手MEMS感测器及通讯晶片厂商,打造高整合度的Sensor Hub平台,进而实现微型智慧系统(Small Smart System)的愿景。

图7 QuickLogic总裁暨执行长Andrew J. Pease预估,高整合度的Sensor Hub将更趋重要,以加速中低价穿戴式产品的开发并降低其研发成本。

QuickLogic 总裁暨执行长Andrew J. Pease(图7)表示,预估至2015年时,价格区间位于100?250美元,且没有高阶显示萤幕的中低价穿戴式装置,如智慧型手环等,也可望大量采用 Sensor Hub;因此,如何加速中低价穿戴式产品的开发并降低其研发成本,就成了一个重要的课题。

有鉴于此,Sensor Hub解决方案开发商除了将MEMS感测器与Sensor Hub整合在一起外,也开始将无线射频(RF)方案纳入,以进一步降低其功耗及占位面积;随着平台整合度提高,Sensor Hub就成了一个不仅有控制中枢,同时也具备感测能力以及与外界沟通能力的微型智慧系统。

以CSSP业者QuickLogic为例,该公司日前即发表一款整合蓝牙低功耗(BLE)技术的穿戴式Sensor Hub开发套件--TAG-N。该开发套件采用QuickLogic的ArcticLink3 S2超低功耗Sensor Hub、QuickLogic所开发的演算法,以及直接连接至Nordic半导体的多协议开发套件--nRF51 DK,以让开发商能在nRF51822系统单晶片(SoC)上进行无线开发。

Pease指出,在Sensor Hub应用平台中纳入联网方案,能提升穿戴式装置与外界通讯的能力,使感测资料更能即时地被处理及传输;因此该平台非常适合需要快速原型设计的穿戴式装置开发商。

另一方面,MEMS感测器大厂意法半导体(ST)则是提出异质整合的Sensor Hub产品概念。事实上,意法半导体已采用系统级封装(SiP)等先进微型封装技术,开发出高整合度的解决方案,其整合三轴的加速度计、蓝牙 (Bluetooth)晶片及微控制器,体积仅10立方毫米,该公司更号称其为全世界最小的微型智慧系统。

综上所述,可发现MEMS感测器及Sensor Hub的功耗、整合度,将是穿戴式装置在开发过程中的重要考量;而随着IP厂及晶片商争相推出符合市场需求的解决方案,未来穿戴式装置感测系统的功耗表现将会更加理想,可望满足消费者对于穿戴式装置电池续航力的期待。 

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