第一代消費電子MEMS傳感器驅動的運動感知應用最初只用于消費電子產品，如游戲控制臺和首批智能手機。現在，智能感知應用被廣泛用于所有的電子應用領域：定位導航、工業控制、樓宇自動化以及醫療保健。 智能傳感器是現實“模擬”世界與電子數字世界之間的交互界面。意法半導體提供用戶開發智能感知整體解決方案所需的各種器件。智能感知方案由下列模塊組成：運動識別、環境傳感器、低功耗微控制器、用戶界面和通信接口。

　　消費電子、工業控制、能源計量及醫療儀器，所有電子產品都在提高本身的智能化程度，這歸功于電子系統大規模引入嵌入式智能感知、數字管理和聯網功能。因此，今后幾年，傳感器特別是MEMS產品將是半導體市場上最有前景的技術，據IHS iSuppli預測，2016年銷售收入預計達到125億美元，復合年增長率CAGR達到9.7%，而整個半導體市場的CAGR預計僅為4.5%。

　　智能感知平臺

　　本文所述智能感知平臺由五個主要模塊組成，如圖1所示：該智能感知平臺是一個先進智能感知應用的完整解決方案。

　　（1）運動MEMS：加速度計、磁強計、陀螺儀（或iNEMO慣性傳感器模塊和數字羅盤模塊）

　　（2）環境傳感器：溫度傳感器和濕度傳感器

　　（3）系統數據管理：低功耗8/32位微控制器

　　（4）數據接口：ZigBee、低功耗藍牙（ BLE）、低于1GHz的射頻、以太網

　　（5）用戶界面：觸摸屏、觸控鍵和近距離檢測傳感器

　　運動MEMS模塊是一個9自由度的運動感知級，由3軸數字陀螺儀（L3GD20）、系統級封裝數字羅盤（LSM303DLHC）模塊和3軸數字磁強傳感器組成。陀螺儀用于測量角速度，最大量程±2000°/s ；數字羅盤模塊集成3軸數字線性加速度傳感器，能夠測量線性加速度，最大量程±16g；3軸數字磁強傳感器的量程為8.1 Gauss。意法半導體的產品組合還包括單封裝3軸數字或模擬加速度計（LIS3DH），最大量程±24g。

　　圖1：典型的智能感知平臺框圖

　　在環境傳感器模塊內，MEMS壓力代表運動識別的第10個自由度。事實上，因為260－1260mbar的絕對量程和0.020 mbar分辨率，壓力傳感器（LPS331AP）能夠識別海拔高度，例如，室內導航的樓層位置。壓力濕度二合一傳感器（開發中）的絕對量程0-100%RH，分辨率 》 0.05% RH，以及模擬或數字溫度傳感器（STTS751， STLM20），是環境監測智能感知解決方案的重要組件。

　　數據接口模塊有四個不同的解決方案：功耗藍牙（BLE）（控制器開發中），兼容Bluetooth 4.0標準，工作頻率2.45 GHz，傳輸速率大約200kbit/s。

　　ZigBee產品（STM32W）兼容IEEE 802.15.4無線個人區域網絡標準（WPAN），美國和澳大利亞的工作頻率為915 MHz，歐洲為868 MHz，世界其它地區為2.4 GHz。數據傳輸速率為20－900 Kbs/s。

　　另一個射頻產品是功耗極低的無線收發器，工作頻率低于1 GHz，（SPIRIT1）能夠工作在不同的頻帶，支持不同的調制方法：2-FSK、GFSK、OOK、ASK和MSK。

　　線纜接口采用快速以太網，這是業界最廣泛使用的局域網標準。意法半導體產品（STE100P）是一個10/100 Mbps收發器，兼容IEEE802.3u 100Base-TX 和 IEEE802.3 10Base-T標準。該平臺的數字管理方案可選用8位或32位低功耗微控制器。

　　微控制器的功耗特性以及整個系統器件的功耗，是便攜消費電子以及停電時備用電池供電的24小時監測系統的基本要求 。

　　觸感產品（觸摸屏， 觸控鍵和近距離檢測傳感器）用戶界面代表直觀的輸入輸出工具，可簡化很多應用的設置修改，例如，家庭耗源顯示器。

　　意法半導體為智能感知平臺帶來差異化產品組合

　　（1）運動MEMS

　　憑借先進的技術和創新的設計，意法半導體一舉成為全球最大的便攜和消費電子MEMS廠商。加速度計和陀螺儀產量逾20億件，意法半導體顛覆了用戶界面設計方式，運用技術簡化了使用體驗方式。意法半導體提供各種3軸線性加速度計以及單軸或3軸陀螺儀、6軸數字羅盤和6軸或9軸iNEMO慣性傳感模塊。運動MEMS的目標應用為：移動設備的智能界面，自由落體檢測和硬盤保護，工業運動跟蹤和振動監測，導航，運動健身器材和3D標簽等。

　　a.加速度計

　　意法半導體提供先進的3軸模擬和數字加速度計，產品主要特性包括±24g滿量程、高分辨率、嵌入式智能功能和先進的省電功能。

　　b.陀螺儀

　　意法半導體陀螺儀產品線也十分廣泛，包括1軸、2軸和3軸陀螺儀。滿量程寬廣（30－2000 °/s），航向、橫滾和俯仰三軸共用一個質量塊，測量精度十分出色。意法半導體的陀螺儀具有出色的時間穩定性和溫度穩定性，適用于消費電子和工業市場。

　　c.數字羅盤

　　意法半導體的數字羅盤在一個封裝內集成一個3軸數字磁強傳感器和一個3軸數字加速度計。 LSM303DLx系列數字羅盤的加速度量程為±2至±16g，磁強量程為±1.3到±8.1gauss。數字羅盤包括智能功率功能，可實現低電流消耗和嵌入式自檢。這些特性使數字羅盤成為先進導航和智能位置服務的理想選擇。

　　d.iNEMO慣性傳感器模塊

　　iNEMO是意法半導體為先進應用開發的6軸或9軸慣性傳感器模塊，可滿足3D運動識別的多個自由度需求。iNEMO系列包括：LSM320/330/333系統封裝（SiP）。意法半導體的系統封裝和板載系統iNEMO慣性傳感器模塊可與意法半導體新開發的傳感器融合軟件（iNEMO Engine Lite&Pro）配合使用，設計可靠且可自定義的多軸MEMS軟硬件解決方案。

　　（2）SPIRIT1 - 低數據速率、低功耗且低于1GHz的收發器

　　SPIRIT1芯片是意法半導體獨有的靈活且低功耗的的收發器，工作頻率低于1GHz，集成包處理器。 這款器件的工作頻段為150-174 MHz、300-348MHz、387-470 MHz、779-956 MHz，支持多個調制方法：2-FSK， GMSK， GFSK， MSK， OOK和ASK。數據速率從1－500 kbps，本身集成一個開關電源，可實現極低的功耗，優于所有競爭產品。

　　圖2：SPIRIT1描述_評估板的結構

　　（3）低功耗藍牙

　　意法半導體正在開發一個功耗極低的Bluetooth Low Energy （BLE）藍牙控制器，新產品兼容藍牙標準4.0，集成低功耗的物理層、內嵌安全引擎的鏈路層、主控制器接口（HCI）和電源管理。該器件的評估工具是由該芯片模塊和充當該系統的微控制器STM32L組成。評估工具還配備一個GUI應用軟件，用于配置控制器，執行部分低功耗藍牙通信。

　　圖3：BLE控制器評估板

　　（4）低功耗微控制器

　　通過不同的省電模式，意法半導體找到了高性能與低功耗之間的最佳平衡點，以優化用戶應用的電能消耗。為更好地服務這個市場，意法半導體正在研發超低功耗微控制器平臺。8位STM8L和32位STM32L微控制器采用意法半導體獨有的130納米超低泄漏電流制程，該超低功耗微控制器平臺叫作EnergyLite。憑借EnergyLite平臺，STM8L和STM32L微控制器取得業界最低功耗，在SRAM數據保存且RTC正常運行時，功耗僅1.3μA，待機功耗300nA。

　　圖4：STM8和STM32的市場定位

　　智能感知平臺帶來的系統解決方案

　　（1）環境監測

　　意法半導體提供多個環境監測解決方案，下面列出的是一個具有代表性的參考方案。意法半導體正在開發一個專門的評估板（STEVAL-IFS018V1），因為板載多種傳感器（溫度、濕度、環境光和MEMS）和通信接口，在環境監測領域有多個潛在應用。該評估板還可以將環境數據或特定的系統設置保存在板載雙接口（I2C e RF） EEPROM （M24LR64-R）內。該存儲器連接環境監測板上印刷的小PCB天線，可以從任何支持RF 15693標準的設備（NFC）讀取雙接口存儲器。

　　（2）內置HTTPS網關的家用能耗顯示器

　　在今天這個能源優化和計量的時代，人們愿意更清晰地了解能耗情況，足不出戶就可管理家庭能耗。意法半導體從事多個能源控制相關的半導體應用的研發。下面介紹的解決方案適用于能源計量和Zigbee技術。意法半導體開發出一個Zigbee通信專用微控制器。

　　SmartPlugW是一個工作在802.15.4家庭區域網的能源評估系統解決方案，用于能源管理和節能降耗。該系統的一端連接電網，另一端連接家電。能實現以下功能：耗電量和電力參數監視；預防電力網超載和通過無線HAN方式管理遠程負載；繼電器通斷開關，具有TRIAC實現的“軟啟動/停止”功能；路由器模式配置，可輕松增加傳感器，擴大網狀網絡覆蓋；802.15.4 HA v2.0/E@H規范。

　　圖5：STEVAL-IHP004V1–SmartPlugW 電路板

　　圖6：內置HTTPS網關的家庭能耗顯示器

　　STM3221G-EVAL運行的網關固件通過人機互動采集遠程設備信息，使用“GET”命令向遠程互聯網HTTPS服務器上傳相關的能耗/用電數據。從連接網絡的電腦，用戶可查詢自己住宅內的SmartPlugW設備的信息。

　　（3）室內導航

　　室內導航可用于現代都市的很多地方：機場、博物館、商業中心、停車場和醫院以及緊急救援場所、大型商業中心，非常精確的興趣點（POI）定位讓人們在幾分鐘內找到心儀的商品，通過近距離通信（NFC）技術直接在智能手機上購物。

　　圖7：室內導航解決方案的應用

　　室內定位運用來自四個不同信息源的全部信息：來自慣性傳感器系統的運動數據；射頻定位：來自現有的基礎設施（Wi-Fi、3G/4G LTE）和其它連接源（ZigBee、藍牙、Sub 1 GHz等）；近距離射頻定位：置于POI地點或固定在人們熟知地點的RFID或RF EEPROM系統發送的近距離（<2米）信號數據；建筑物地圖：所有天線、房間、樓梯、電梯、樓門等設施的地圖。融合所有這些數據，并將路線疊加于大樓地圖上，我們就可最終重構行人的準確位置。

　　圖8：室內導航解決方案的核心產品

　　圖9：簡化的提供不同連接方案的室內導航系統框圖，本圖描述了簡化的室內導航系統的核心配置。

　　結論

　　通過分析本文介紹的產品和解決方案，我們發現，若想設計高集成度的高能效的智能解決方案，系統架構需要內置三個重要功能：智能感知、具有實時控制功能的數字管理和先進連接解決方案。

　　憑借專用的產品組合和深厚的系統知識，意法半導體成為各種高智能電子應用的主要芯片廠商。

??????? 作者：意法半導體公司工業與多元市場產品部Salvatore?Bonina,系統實驗室與技術市場部Fabio?Beffumo

本文轉摘自電子發燒友網《智能系統特刊》6月刊

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