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提升感測器精確度 MCU應用領域更形廣泛
從功耗降低到精確度提升

【作者: 王岫晨】   2018年02月13日 星期二

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放眼現階段市面上多數的產品,從IoT應用到一般消費電子產品、穿戴式裝置等,幾乎都採用了嵌入式系統,而這些嵌入式系統的核心,正是MCU。隨著應用的不同,這些電子產品則藉由搭配著不同的感測器,來賦予產品不同的功能。過去,這些搭配了MCU與感測器的電子裝置,只要具備了基礎的運算能力與感測能力,消費者便能接受與購買。


然而到了現在,整個消費市場的氛圍已經改變。隨著智慧手機普及,裝置的運算效能越來越高,應用範圍越來越廣泛,智慧手機的週邊產品功能如果沒有跟上智慧手機的腳步,消費者就很難買單。因此,過去那種可用就好的產品設計理念必須跟著改變,採用差強人意的MCU與感測器,已經無法讓產品產生差異化。當消費者已經習慣使用某一種產品之後,它就必須要被越設計越好。而這些產品上所採用的MCU與感測器,不再只是單純需求低功耗能力了,而是需要更進化的功能。


低功耗的MCU核心

隨著ARM Cortex系列的MCU架構攻佔各主流MCU廠商的產品線核心,採用這些MCU的各種電子裝置已經擁有十分優異的運算與控制效能。特別是在低功耗的部分,由於這些採用MCU作為嵌入式系統核心的產品,應用領域多半都含括在IOT或者行動型與穿戴型的電子裝置範疇之中,因此對於省電的要求本來就比其他裝置高上許多。


ARM Cortex系列架構本身就已將功耗進行最佳化,使得採用該系列核心MCU的電子裝置,在性能的發揮上都能有不俗的表現,在不同應用場合中,都能夠兼具運算效能以及超低能耗等兩大指標。儘管各家MCU業者都會再透過整合不同功能等方式,來達到彼此產品間的差異化,或者應對於更廣泛的應用領域,但總體來說,性能都已經達到一定的水準之上。


感測器與MCU的搭配

在這些IoT與行動、穿戴行的電子裝置中,除了MCU之外,另一個要角就非感測器莫屬。感測器會觸及到的層面包括動作感知、環境、麥克風等,由於IoT在應用上對於感測器的需求更高了,例如針對POWER與功耗的要求特別高,因此會特別需要更低功耗的感測器,來提高感測器的使用延時。然而從2017年下半年開始,這樣的需求產生了很大的變化,感測器從過去對於低功耗的需求,轉而變成對於準確度的更高要求。而對於準確度來說,所要求的不外乎就是雜訊、穩定度、以及更小的誤差值。


在IoT的應用中,準確度將會特別重要。這是因為IoT現在的趨勢是在於後端的應用與過去不一樣了,這主要的關鍵在於這些應用通常需要透過演算法來執行。過去IOT的應用概念多半著重於透過硬體來取得數據,只要取得的數據誤差不要太大,都在可以接受的範圍之內,然後再透過軟體來處理所有的工作。


提升精確度

但現在的工程人員發現,當這些數據在軟體處理完畢之後,往往需要更精確的結果。這些軟體在MCU中執行的時候,由於MCU本身已經需要處理很多IOT應用情境中不同的運算工作,因此,現階段的工程人員會希望從感測器端所傳送過來的數據資料,不需耗用過多MCU的運算資源,便能將這些數據資訊最佳化。這些從感測端所接收過來的第一手數據,都期望都是準確的,而這準確的意義在於,每個動作所產生出來的數據,都能夠更貼近於這個動作本身所應該表現出的數據變化。


目前這些感測器製造商,都會盡可能讓感測器的性能升級。ST亞太區類比、微機電與感測元件產品行銷經理陳建成便舉例說明,許多廠商都正積極朝向感測器優化的方向去做努力,例如ST在感測器的製造過程與產線測試中,加入了很多道關卡,這可以讓感測器在製造過程中,將訊號做更優化的處理,這不僅可讓感測器不失真,更真實的呈現出訊號原本的模樣之外,更能濾掉一些不需要的雜訊。


若是用拍照來當作比喻這些工法的話,就是讓拍出來的照片,能跟原本的物品做到幾乎完全一模一樣。訊號不失真之後,只要再經過類比數位轉換器來轉換訊號,就可以進一步讓這些訊號的品質更加穩定。


滿足消費大眾

至於為什麼現今的感測器精準度變得如此重要呢?陳建成以現在市面上很多的計步器為例來加以說明。在過去,計步器所計算出來的距離只能當作步行距離的參考,並非十分精確,誤差範圍也大。但在過去這些計步器產品剛問世的時候,消費者其實並不那麼在意這些誤差的存在,加上產品價格通常也不至於過高,因此這類產品多半只被定位在趣味與輔助型的週邊產品。


然而現在不同的是,許多計步器產品隨著消費者的使用需求增加,再加以技術的成熟,像過去一樣誤差極大的計步器已經難以再滿足消費者的胃口。且近年來運動風氣盛行,透過計步器來進行路徑紀錄的運動者越來越多,他們需要的是能夠更準確紀錄他們運動距離的計步器。


許多現在的計步器廠商會強調,他們的計步器計算出來的距離是很精確的,可以滿足這些運動愛好者的需求。而要讓計步器所計算的距離越精準的話,感測器的精確度就必須要更高,且穩定度也必須要更好才行。


至於低功耗,則是從MCU到感測器都必須要具備的基本能力。畢竟在許多的IOT或嵌入式應用中,為了提高電池的續航力,減少更換電池的頻率,某些系統甚至會以十年不需更換電池這樣的頻率去進行產品設計,因此低功耗幾乎都是所有MCU與感測器的基本功能。而在低功耗的基礎之上,現階段更是加上提高精確度與穩定度來作為新的產品訴求。


結語

MCU與感測器,在應用上幾乎是密不可分的兩種元件。特別是現今的智慧型裝置,其系統多半都是MCU整合了不同功能的感測器,來為整體系統提供不同的應用能力。除了走向更低的功耗之外,精確度與穩定性更成為了現階段廠商開發感測器產品的重要關鍵。隨著精確度的提升,未來這些MCU搭配感測器的應用,都將更能滿足使用大眾那張挑剔的嘴。


刊頭圖(source: theengineer.com)


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