Складно уявити сучасні смартфони та планшети без величезного числа вбудованих датчиків. При цьому частина датчиків представлена ​​реальними мікросхемами (акселерометри, гіроскопи, датчики вологості і т. Д.), А частина виявляється віртуальними (детектор кроків, датчик ударів і т. Д.). Для обрахунку великої кількості сенсорів потрібна значна обчислювальна потужність. Щоб звільнити центральний процесор від додаткового навантаження, виробники електронних мікросхем пропонують використовувати малопотребляющіе спеціалізовані співпроцесори-концентратори, які приймають і обробляють дані з датчиків. Один з лідерів ринку МЕМС-сенсорів - компанія Bosh Sensortec представила своє рішення у вигляді концентратора BHA250, який підтримує функції Android Lollipop і має власний трехосевой акселерометр.

Мал. 1. Концентратор датчиків BHA250 від Bosch Sensortec

Кількість вбудованих датчиків в сучасних пристроях постійно зростає. Найбільш популярними сенсорами, доступними на ринку, є: акселерометри, гіроскопи, магнітометри, датчики параметрів навколишнього середовища (тиску, вологості, температури, освітленості), датчики наближення. Останнім часом стали з'являтися і більш екзотичні рішення, наприклад, датчики концентрації різних газів від Synkera або датчики ІК-зору від Panasonic .

У портативних і мобільних пристроях (смартфони, планшети і т. Д.) Крім реальних датчиків використовують і віртуальні сенсори: детектори кроків, датчик ударів, пульсоміри і т. Д. Вони не мають фізичної реалізації, і їх дані є результатом обробки вимірювань реальних датчиків . Наприклад, свідчення детектора кроків є результатом обрахунку інформації, отриманої від акселерометра.

Яскравим показником актуальності того чи іншого датчика є його використання в сучасних операційних системах. В ОС Android 4.4 KitKat була передбачена вбудована підтримка 24 типів датчиків. Починаючи з Android Lollipop 5.0, їх число зросло до 31: акселерометр, магнітометр, датчик орієнтації (азимут, поворот, обертання), гіроскоп (з температурною компенсацією), датчик освітленості, барометр, датчик температури, датчик наближення, датчик гравітації, датчик лінійних прискорень , 9-осьовий датчик обертання, датчик вологості, датчик температури навколишнього середовища, магнітометр (без калібрування), ігровий 6-осьової сенсор (акселерометр + гіроскоп), гіроскоп (без калібрування), датчик ударів, детектор кроків, лічильник кроків, геомагнітний 6 осьової сенсор (акселер метр + магнітометр), датчик серцевого ритму, датчик обертання (зі зміни), жест пробудження, Wake Gesture, Glance Gesture, Pick Up Gesture, Activity і ще п'ять позицій залишаються зарезервованими.

Очевидно, що для обробки даних від реальних датчиків і розрахунку показань віртуальних сенсорів потрібна значна обчислювальна потужність. Якщо це завдання вирішувати за допомогою центрального процесора, то продуктивність системи знижується, і крім того зростає потужність споживання. Щоб уникнути цих негативних наслідків, виробники електронних компонентів пропонують використовувати спеціалізовані співпроцесори-концентратори. Їх головними завданнями стають: самостійний збір і обробка даних від реальних датчиків, розрахунок показань для віртуальних сенсорів, передача готової інформації в центральний процесор. При цьому завдяки високому ступеню спеціалізації вдається не тільки повністю звільнити процесор від значної частини обчислень, але і забезпечити мінімальний рівень споживання. Одним із прикладів такого рішення став концентратор BHA250 від Bosch Sensortec, який апаратно реалізує функцій Android Lollipop. Ще однією важливою особливістю BHA250 є вбудований трехосевой акселерометр.

Новий концентратор BHA250 об'єднав весь досвід Bosch Sensortec, отриманий за довгі роки. Тут варто нагадати, що Bosch Sensortec - один з лідерів на ринку МЕМС. Компанія випускає кілька класів датчиків:

• Smart Sensors - комбіновані датчики з вбудованим мікро контролером. Наприклад, 9-осьові сенсори BMX055 і BNO055, про які вже писали в одній зі статей розділу УНІТЕРА, включають в себе 3-хосевой акселерометр, 3-хосевой гіроскоп, 3-хосевой магнітометр і 32-бітний контролер Cortex-M0.
• Environmental sensors - датчики параметрів навколишнього середовища (тиск, вологість температура), наприклад, BME680, BME280, BMP280.
• Motion Sensors - датчики руху (акселерометри, гіроскопи, магнітометри).

BHA 250 - система на кристалі, виконана в корпусному виконанні 2,2x2,2x0,95 мм і об'єднує співпроцесор-концентратор і 14-бітний акселерометр.

BHA250 працює під управлінням зовнішнього процесора: настройка концентратора і обмін даними відбуваються по одному з двох інтерфейсів I2C (BHA250- ведений) (рис. 2). Друга шина I2C необхідна для підключення датчиків (BHA250 - провідний). Концентратор здатний працювати по перериванню від зовнішніх сенсорів. Для цього використовуються доступні для користувача три канали введення-виведення.

Мал. 2. Схема включення концентратора BHA250 від Bosch Sensortec

До складу BHA250 входять два основні блоки: процесор Fuser і 14-бітний акселерометр (рис. 3). Цікаво, що обидва блоки підключені до тієї ж шині I2C, що і інші зовнішні датчики.

Мал. 3. Концентратор BHA250 об'єднує процесорний ядро ​​Fuser і 14-бітний акселерометр

За обробку даних в BHA250 відповідає фірмовий процесор Fuser. Його відмінними рисами є (рис. 4):

• 32-бітове ядро ​​ARC EM4;
• продуктивність 1,6 DMIPS / МГц, 3,41 Core Marks / МГц;
• робоча частота до 10 МГц;
• вбудований блок для обчислень з плаваючою комою;
• підтримка шини I2C зі швидкістю обміну до 3,4 Мбіт / с для зв'язку з провідним процесором;
• підтримка шини I2C зі швидкістю обміну до 1 Мбіт / с для роботи з датчиками;
• пам'ять: 96 кбайт ПЗУ, 48 кбайт ОЗУ (регістри і буфери);
• підтримка роботи по перериванню за допомогою трьох ліній введення-виведення.

Мал. 4. Структура процесорного ядра Fuser

Крім процесора до складу BHA250 входить 14-бітний акселерометр з діапазоном ± 2, ± 4, ± 8, ± 16 g. Це є досить важливою перевагою в порівнянні з конкурентами. Справа в тому, що навіть без додаткових зовнішніх сенсорів, тільки за рахунок власного акселерометра BHA250 здатний реалізовувати функції наступних датчиків зі списку Android Lollipop:

• акселерометр;
• лічильник кроків;
• детектор кроків;
• датчик значних рухів (ударів);
• датчик повороту;
• датчик взяття телефону;
• датчик жесту пробудження;
• датчик швидких жестів;
• датчик розпізнавання активності користувача (варто, біжить, їде на мотоциклі, їде на машині).

Якщо до BHA250 підключити магнітометр, то до послуг користувача додасться ще 8 сенсорів. Концентратор без проблем може працювати і з усіма типами реальних датчиків: гіроскопами, магнітометрами, датчиками параметрів навколишнього середовища (тиску, вологості, температури, освітленості), датчиками наближення.

Важливою перевагою співпроцесора-концентратора, крім звільнення процесора від рутинних обчислень, є і одночасне зниження загального рівня споживання. Цей факт легко пояснити кількома особливостями BHA250. По-перше, він використовує спеціалізовані та високоефективні алгоритми обробки. По-друге, не має на борту зайвих блоків. По-третє, здатний працювати по перериванню від зовнішніх датчиків. По-четверте, має гнучку систему управління режимами роботи (настройка частоти опитувань, використання режимів зниженого споживання і т. Д.).

В результаті зусиль щодо оптимізації споживання вдалося домогтися досить непоганих результатів. Перебуваючи в режимі компаса живить струм становить 630 мкА (частота опитування 100 Гц). При роботі концентратора і акселерометра струм досягає 430 мкА. Датчик активності збільшить споживання на 200 мкА, датчик ударів і детектор кроків на 100 мкА кожен. У режимі очікування живить струм складає всього 11 мкА.

Для ознайомлення з можливостями BHA250, компанія Bosch Sensortec пропонує використовувати отладочную плату BHA250 shuttle board (рис. 5). Крім самого співпроцесора-концентратора на ній розміщено чотири магнітометри: AKM09911, AKM09912, BMM150 і YAS532. Кожен з них може бути підключений до концентратора за допомогою системи перемичок. Додаткові сенсори підключаються за допомогою плат розширення до слоту TFR-card.

Отладочная плата сама може виступати в якості розширення для інших налагоджувальних наборів від Bosch Sensortec. Для цього на її зворотному боці розміщені Штиркові роз'єми.

Мал. 5. Зовнішній вигляд оціночної плати BHA250 shuttle board від Bosch Sensortec

Областями застосування сопроцессоров-концентраторів BHA250 в першу чергу стануть малопотребляющіе і малогабаритні пристрої: смартфони, планшети, розумні годинник, портативні ігрові приставки та маніпулятори, медичні прилади і т. Д.

Технічні характеристики концентратора BHA250:

• тип: концентратор I2C-датчиків з вбудованим акселерометром;
• процесор: фірмовий процесор Fuser від Bosch Sensortec з 32-бітовим ядром ARC EM4 з блоком обчислень чисел з плаваючою точкою і максимальної робочої частотою 10 МГц;
• акселерометр: 14-бітний з діапазоном ± 2, ± 4, ± 8, ± 16 g;
• споживання: eCompass - 630 мкА; концентратор + акселерометр - 430 мкА, розпізнавання руху - 200 мкА, детектор кроків 100 мкА, режим сну 10 мкА;
• напруга живлення: 1,62 ... 3,6 В (VDD); 1,6 ... 3,3 В (VDDIO);
• діапазон робочих температур: -40 ... 85 ° С;
• корпус: LGA 2,2 x 2,2 x 0,95 мм.

Про компанію

Компанія Bosch Sensortec - підрозділ консорціуму Bosch, засноване в 2005 році і спеціалізується на МЕМС-сенсорах і рішеннях на їх основі. У портфоліо компанії - трьох-, шести- і девятіосевие гіроскопи, акселерометри і магнітометри, а також датчики температури, вологості і т. Д. З моменту початку розробки МЕМС-сенсорів в 1995 році компанія Bosch стала лідером на цьому ринку, продавши більше трьох мільярдів мікросхем.