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Sensor Hub启动情境感知实现无限可能
实现功能差异化 首重排列组合

【作者: 陳韋哲】2014年04月22日 星期二

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几年以前,任谁也没料想到智慧手机与平板电脑会掀起一波行动狂潮,使得威风已久的PC产业销售量节节败退。以往传统的单纯收发电话与SMS简讯诉求对于现代人而言,不再是最重要的功能,取而代之的是数以万计的行动App才最令使用者倾心。该如何提升使用者使用体验成为行动装置设备设计的重要指标,为了让行动装置拥有更多的创新功能,MEMS技术与感测器扮演着举足轻重的角色。


国外资深电子科技媒体记者Majeed Ahmad表示,MEMS微机电应用在智慧手机领域,进而获得重大突破之时机点是在苹果透过模仿人类在真实世界工作的形式,进一步将MEMS硬体导入动作元素到​​使用者介面之后的几年才真正发扬光大。苹果在iPhone装设了加速度计,赋予触控萤幕拥有自动切换横、直向显示的功能,造就了导入MEMS感测器的智慧手机开启了新的应用平台并进一步强化连接的魔力。


截至目前,平均每一支行动装置皆内建4~10个MEMS元件,随着各家手机制造业者强推主打个人保健与环境检测等功能的推波助澜之下,市场普遍预测2014年推出的旗舰型机种内建的MEMS元件更将上看15颗以上。意法半导体类比与微机电元件资深技术行销工程师李炯毅指出,随着行动与穿戴式装置相继推出,预估出货量将持续向上攀升,进而带动感测元件供给需求畅旺。



图一 : 市场普遍预测2014年推出的旗舰型机种内建的MEMS组件更将上看15颗以上,进而带动感测组件供给需求畅旺。(图/www.montaguebikes.com)
图一 : 市场普遍预测2014年推出的旗舰型机种内建的MEMS组件更将上看15颗以上,进而带动感测组件供给需求畅旺。(图/www.montaguebikes.com)

高效能与低功耗拉锯战:


然而,智慧手机处理效能逐渐朝向PC等级前进的同时,该如何让功耗降至最低,以便延长电池续航力仍是各大厂商最关注的课题之一。再加上,近几年个人保健意识高涨,感测器已广泛应用于人类日常生活,不难发现智慧手机感测功能已从简易的监控功能应用晋升为即时检测周围环境和活动的复杂资讯功能需求,造就了智慧手机犹如一部具有即时感知功能的行动电脑,却连带着让耗电问题再度拉起警报。


资策会MIC资深产业分析师林柏齐表示,智慧手机想要开启情境感知功能应用无限可能,行动装置就必须导入各式各样的Sensor。随着情境感知技术越来越智慧化,感测器不只能够感测到使用者的脚步和方向,而是能够更进一步计算出脚步距离或者判断手机是握在使用者手上抑或是放置在使用者口袋中。



图二: 智慧手机想要开启情境感知功能应用无限可能,行动装置就必须导入各式各样的Sensor。 (图/www.montaguebikes.com)
图二: 智慧手机想要开启情境感知功能应用无限可能,行动装置就必须导入各式各样的Sensor。 (图/www.montaguebikes.com)

QuickLogic全球销售暨行销副总裁Brian Faith也表示,情境感知解决方案必须能够达到不断电的即时处理不断来自感测器的讯息,且必须保持低功耗。截至目前,智慧手机能够整合的感测器除了传统的加速度计、陀螺仪以外,还包含磁力计、气压计等多元感测器。个别的感测器各司其职处理不同的资料数据,如果所有的感测器都要交由行动应用处理器负责启动处理的话,往往会引发耗电过高问题。


感测器大小事通通交给Sensor Hub:


林柏齐指出,目前行动装置应用处理器大多采用Cortex-A系列架构,光是启动单一感测器,平均耗电量约落在100~200MHz,若是同时启动多颗感测器,耗电量就会显得更加可观。因此,想要解决功耗过高的问题,将所有的感测器全部整合在同一颗Sensor Hub,便是最佳不二法门。


林柏齐解释,Sensor Hub是一个能够帮助撷取、整合与处理来自不同感测器的数据的微控制器,透过Sensor Hub能把减轻主应用处理器负担,以节省电力进而提升效能。简单来说,即是将多个感测器整合到同一个Hub上,由该Hub统一负责管理控制所有的感测器。


除了行动装置导入越来越多感测器以外,被喻为是明日之星的穿戴式设备所搭载的MEMS感测器数量亦是如此,因此需要使用一个Sensor Hub来控制所有的感测器,将所有数据资料整合后,最后再交由AP进行运算,让行动应用处理器无需「时时等候」处理所有来自感测器所收集的数据资料,进一步达到降低功耗与省电的效果。



图三 : Sensor Hub能把减轻主应用处理器负担,以节省电力进而提升效能。(图/a.fastcompany.net)
图三 : Sensor Hub能把减轻主应用处理器负担,以节省电力进而提升效能。(图/a.fastcompany.net)

Majeed Ahmad表示,目前除了苹果为iOS加入自家M7 Processor动作协同处理器与三星在自家Android智慧手机与平板电脑导入使用Sensor hub技术之外,搭载Windows 8作业系统的笔记型电脑市场也开始应用Sensor hub技术,为笔记型电脑打造情境感知功能,提升使用者使用体验。


据了解,行动装置感测器元件整合的需求不断持续升温,以加速度计与陀螺仪为例,开始出现将两者整合到单一封装中,其次,感测器与处理能力亦走向整合的趋势。 Majeed Ahmad表示,除了加速度计与陀螺仪之外,感测器与处理能力亦开始走向整合的设计趋势,从苹果近期推出的iPhone 5S便可窥知端倪,iPhone 5S内建的M7动作协同处理器便是为可携式电子产品的MEMS创新技术开启新的一扇门。



图四: M7动作协同处理器类似于Google Android智慧手机中采用的Sensor Hub,能够用于集中控制多种动态感测资讯。 (图/www.ifjsl.blogspot.com)
图四: M7动作协同处理器类似于Google Android智慧手机中采用的Sensor Hub,能够用于集中控制多种动态感测资讯。 (图/www.ifjsl.blogspot.com)

简单来说,M7动作协同处理器类似于Google Android智慧手机中采用的Sensor Hub,能够用于集中控制多种动态感测资讯,包括加速感应器、陀螺仪和罗盘,并能持续监控感测器的变化。 Majeed Ahmad解释,iPhone 5S采用的M7动作协同处理器的运行原理为在行动装置上运行专属的动作处理演算法,从应用处理器卸载感测器模组,不仅让整个卸载过程消耗仅1%的电力,同时也减轻行动应用处理器的处理负担。


Brian Faith表示,不论是M7动作协同处理器,抑或是Android智慧手机里的Sensor Hub,其主要目的都是为了要将感测器的运作方式独立出来,让智慧手机能够维持即时监控或是在背景模式持续运作的模式的同时,也能确保电池续航力表现,进而提升使用者体验。


低功耗Sensor Hub打造完美情境感知:


看好Sensor Hub的未来市场发展潜力,QuickLogic先前也推出第一款Sensor Hub-ArcticLink 3 S1解决方案平台,整合感测器管理功能,能够对感测器变化持续监控,除了维持不断电的情境感知功能,还可以针对应用处理器通讯执行最佳化。


而意法半导体也与消费性电子数据融合处理技术供应商Movea携手发布研发合作协议,将Movea的SmartMotion技术整合到STM32F401微控制器内,企图打造一个低功耗的sensor-hub控制器。让行动装置厂商和应用开发商可以开发出令人期待的情境感知应用与服务。


结论


截至目前,国际感测大厂皆朝向整合多轴化的Sensor Fusion方向设计产品,而随着室内导航应用逐渐受到市场重视,三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴电子罗盘及压力感测器将扮演更重要的角色,预计明年起将会被大量导入中高阶智慧型手机中,成为继动作感测元件之外的另一热门MEMS产品。


李炯毅强调,未来市场将会以6轴和9轴的组合式感测器产品最为大宗。使用智慧型九轴MEMS感测器将可大幅减低行动装置的耗电量。在整合度上,为了要提高感测器的精准度,以及降低系统运算功耗,相关感测器厂商已经开始着手将MEMS与MCU整合,进而设计出Sensor Hub单晶片,并搭配Sensor Fusion软体来为加速度计、陀螺仪、压力计等相关MEMS元件进行资讯校正及转换的动作。


据了解,无线蓝牙市场可望跃进智慧手持装置、医疗照护、家电控制、车载产品、安全监控及穿戴装置等市场,预计2014年将会有更多行动装置设备导入Sensor Hub。林柏齐表示,对于Sensor Hub供应商而言,虽然封装技术是一项挑战,但更重要的是该如何将感测器做好排列组合,开发出更有趣及更极具创意的差异化功能,进一步让消费者的生活体验能够更加直觉,并将功耗减至最低,进一步带动感测晶片的发展商机。


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