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传感器集线器之争 胜负由市场决定
现阶段仍以MCU为市场主流

【作者: 姚嘉洋】2015年05月08日 星期五

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传感器集线器(Sensor Hub)的出现其实已经有了一段时间,它主要扮演的角色,是将系统各个传感器的所侦测到的讯号加以处理,再交给应用处理器进行后处理的工作,以让整体系统的运作达到优化的效果,这种情形在智能型手机与平板计算机市场中最为常见。


它的出现,起因于终端装置的传感器数量愈来愈多,若是只有简单的三轴加速度计或是三轴的陀螺仪的数据,应用处理器或许还有办法应付,但是随着传感器的数量增加,像是三轴的磁力计与压力传感器也成了标准配备的情况下,若全交由应用处理器来负责,会造成相当大的负担,整体系统的表现也会一落千丈,所以传感器集线器就像是子系统(subsystem)一样, 分担应用处理器的工作,好让应用处理器能专心于更为重要的工作。而这种分担应用处理器的作法,也并不是第一次,像是音频处理器或是专职电源管理的电源管理芯片,在整体系统中,也各自负责其重要的工作。


进入穿戴式应用 功耗更形重要

谈到传感器集线器,产业界能够连想到的芯片供货商,大多就是ST(意法半导体)与NXP(恩智浦)等大厂,而我们知道,在全球消费性传感器组件市场中,ST居于龙头地位,所以连带的,ST在传感器集线器市场也居于一线位置。 事实上,市场出现传感器集线器的说法,约莫也是由ST所传出,在当时,九轴传感器正开始为诸多智能型手机大厂所采用。只不过到了后来,随着苹果在先前新款iPhone推出时,提到了协同处理器M7的存在,这也让传感器集线器的重要性变得更加重要。


接下来的问题是,感测集线器在未来会面临哪些挑战? ST MCU部门资深产品营销经理杨正廉谈到,随着Android的版本不断更新,这对传感器集线器而言,不啻是一种挑战。 对于传感器集线器而言,最基本的要求,不外是功耗更可以再持续下探、性能提升与软硬件整合的优化。以降低功耗为例,Google在去年所发布的Android 5.0(代号为Lollipop;棒棒糖)版本中,就针对延长电源寿命提出对应作法,同时也希望该版本能无缝搭载平板计算机、智能型手机、车用计算机与穿戴式装置上,既然应用范围涵盖了穿戴式装置,功耗的问题就不能视而不见。



图一 : Google所推出的Android 5.0会导入穿导式应用上,功耗势必是一大设计问题。 (Source:phandroid.com)
图一 : Google所推出的Android 5.0会导入穿导式应用上,功耗势必是一大设计问题。 (Source:phandroid.com)

针对功耗问题,QuickLogic事业发展资深经理连文贤同意杨正廉的说法,消费者和OEM厂商一直不断要求在每一代智能型手机及穿戴式装置上包含更多的功能,所以这提高了传感器算法的复杂性,以及对于传感器集线器的负担。


但是,电池容量没有赶上这些需求。 根据业界估计,在智能型手机和穿戴式装置上的典型电池,在过去的十年里,其每单位面积容量只增加约25%,而传感器集线器的负担,也为电池带来了额外的负担。 所以,找到一种方法来不断满足消费者和OEM厂商不断成长的需求,同时还要以尽可能以最低的功耗来达成。


Bosch Sensortec亚太区总裁百里博也同意,即便有许多应用系统都把弹性与高传感器效能列为关键绩效指针 (KPIs),因此在体积与电力消耗方面稍作让步也无可厚非,但另一方面也有些应用系统把体积与电力消耗列为关键绩效指针。所以Bosch Sensortec所开发的BHI160,就是一款三轴加速度计与三轴陀螺仪,再内建一颗32位的浮点运算处理器核心,它能因应前面所谈到的Android 5.0版本,此外,该处理器核心本身就具备浮点运算功能,所以在处理算法上极具效益。 同样能把功耗压至相当低的程度。 而杨正廉也谈到,传感器相关的算法,目前采用具浮点运算功能的MCU(微控制器)已经是普遍的趋势,差别就在于,核心频率的选择要如何对应传感器数量的多寡罢了。


就现状而言,MCU似乎还是市场的主流,但也请注意,

至少也要32位架构才有办法执行数据融合与转换的工作,

当然,若有浮点运算功能,更是如虎添翼。

进入物联网应用 处理器核心优化是一大考虑

过去业界对于传感器集线器的印象,大多停留在与以MEMS(微机电系统)传感器的搭配为主,杨正廉指出,由于传感器集线器的应用也会慢慢移动到物联网应用领域,所以如果将传感器集线器局限在与MEMS传感器搭配,格局就会缩限许多,对ST而言,不论是MEMS传感器或是其他类别的传感器,甚至是诸多无线技术的支持等, ST的MCU都能满足相关的系统设计。所以,ST看待传感器集线器的方式是,ST的MCU将肩负起所有传感器与无线技术方面的工作的运算,涵盖的应用范围只会更加广泛。



图二 : 物联网的出现,使得传感器集线器涵盖的技术层面,将不再只是传感器的范畴,网通技术也会是相当重要的一环。 (Source:www.genco.com)
图二 : 物联网的出现,使得传感器集线器涵盖的技术层面,将不再只是传感器的范畴,网通技术也会是相当重要的一环。 (Source:www.genco.com)

至于目前市场上有其他半导体业者打算进攻传感器集线器市场,面对这种情况,杨正廉笑称,就他观察,似乎还是ST居于较为明显的领先位置。 即便市场上有业者强调在功耗上可以远胜MCU架构,但就实务而言,除了硬件之外,软件的协助与后续支持服务也都必须到位才行,再者,ST的MCU可以动态调整核心频率,可以在最短时间内处理所有传感器的数据后,再进入休眠状态,这种作法也能相当省电。


连文贤则是认为,若能提供专用的传感器集线器的处理器核心,便能有进一步优化该系统的功耗表现。 他以该公司旗下的ArcticLink 3 S2 为一超低功耗的传感器集线器,主要锁定智能型手机及穿戴式应用。


S2是特别创建的传感器集线器,一开始的设计目标就是作为传感器集线器,而不是一个可以被重新利用为传感器集线器的通用MCU。 S2解决方案的核心是QuickLogic正在申请专利、专有的microDSP-like 核心,这就是所谓的弹性融合引擎(FFE)。 弹性融合引擎可以应用于日常生活监控(如散步、跑步),用户交通传输(自行车、汽车),用户手势(转手、抬腕)和装置位置(在口袋里,而非人身上、意外掉落)等各种任务的理想选择。


QuickLogic启动QVL program 打造生态系统

当然,在软件与相关服务上,QuickLogic也有相当多的资源,像是SenseMe数据库,并且还可运作于OEM所开发或第三方伙伴的传感器算法,或三种的任意组合。 此外,S2的可编程架构可因应OEM独特功能目标,如电视遥控器、胶合逻辑(glue logic)或其他功能。 而QuickLogic也在2014年启动了Qualified Vendor List (QVL) program,该计划涵盖市场十多家供货商的十二种最流行类型传感器。这能让系统整合业者确信QuickLogic的传感器集线器不仅能够根据多种传感器类型、制造商和型号来读取和写入,同时我们也证明了现有的代码能够在客户的设计过程中快速提供传感器子系统。 这十二种传感器,除了我们所熟知的加速度器、陀螺仪与磁力计外,还包括了压力、心率显示器、环境光源、接近、手势、紫外线、气体、湿度和温度。 供货商方面,则有AKM、ADI、AMS、Bosch、ST与Silicon Labs等。


系统设计作法多元 由市场决定何者胜出

ST MEMS暨传感器部门技术营销经理李炯毅谈到,单以传感器供货商的角度来看,ST的确相当乐见与其他供货商配合,所以除了与自家的MCU产品配合,也不排除与其他的传感器集线器或是应用处理器业者合作,来打造客户理想中的系统设计。他进一步指出,满足传感器系统设计,一般来说可以分成:应用处理器加传感器、传感器集线器加传感器,以及传感器内建处理器核心等三种作法,就目前他所观察到的市场状况,还是以第二种的设计搭配居多,而传感器集线器也是采用MCU架构为大宗。 只不过,像是应用处理器业者Qualcomm(高通),也曾经公开表示,高通能以应用处理器搭配传感器的设计,来满足客户的需求。 而第三种作法,ST也有提供对应的解决方案供客户选择。但未来的发展可能还是会有成本上的考虑,而出现取舍的情形,但还是交由市场来决定主流的设计作法。



图三 : 高通所提供的应用处理器也能应付不同类型传感器的数据。 (Source:Qualcomm)
图三 : 高通所提供的应用处理器也能应付不同类型传感器的数据。 (Source:Qualcomm)

当然,第三种作法也并非仅有ST独家提供而已,百里博谈到,早在2013年,Bosch Sensortec就推出了BNO055,它整合了三轴加速度计、三轴陀螺仪与三轴磁力计与一颗Cortex-M0+处理器核心,百里博以客户Hillcrest为例,它们就提供自家的算法再结合BNO055硬件,锁定的市场应用为头戴式显示器。 当然,若要满足平板计算机或是智能型手机,Bosch Sensortec也有提供算法,来满足这类应用的设计。



图四 : Bosch Sensortec所提供的BNO055就是一款九轴传感器加上32位处理器核心的高整合组件。 (Source:Bosch Sensortec)
图四 : Bosch Sensortec所提供的BNO055就是一款九轴传感器加上32位处理器核心的高整合组件。 (Source:Bosch Sensortec)

对于系统设计方法的选择,杨正廉补充说明谈到,考虑到成本问题,MCU或许有可能会成为被牺牲的对象,但是目前市场主流仍然是MCU的原因,在于后续的客户服务的技术支持上,这包含了软件层面与算法,这在过去就必须要累积相当多的实务经验,才有办法作到,即便ST的MCU是属于泛用型MCU,却也因为如此,才有办法广泛地支持不同类型的客户群。


结论

归纳来看,传感器集线器市场的发展,可以确认的是,MCU架构目前是市场主流,与此同时,各家大厂所采取的策略基调也没有太大的差异,软硬件的整合方案提供已经是大家必备的策略,重点就在于后续的技术支持,或是合作业者数量的多寡等差异,未来传感器集线器市场的发展,MCU架构能否持续成为市场主流,就有待市场来证明。


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