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技術干貨 | 傳感器的智能之路和實現之道（上）

以前人們討論談人工智能時主要關注云計算 — 數據上傳到云端，利用其強大計算能力得到結果。然而，云計算的前提是所有的數據都要傳到云端，對帶寬要求極高，可能到6G時代才能真正實現。

現在我們將人工智能轉移到邊緣端進行邊緣計算。通常情況下，邊緣計算是將算法放置到MCU中，傳感器只輸出數據，MCU運行獨立算法。然后，現在我們將算法下沉放到傳感器中，有兩種不同的方案：

1）基于MLC，采用rPU處理器進行重配置，能將部分算法（如決策樹算法）運行于傳感器中，再由傳感器輸出事件結果給MCU。這樣就不需要MCU去處理運行全部算法。

2）基于我們今天的主角ISPU，Intelligent Sensor Processing Unit，智能傳感器處理單元。

ISPU不是傳感器，只是嵌入在傳感器IMU里面的功能模塊。ISPU本質上是一種微型C語言可編程處理器，可在傳感器內執行信號處理和AI算法，與常見開發工具兼容，相當于傳感器中嵌入了一個DSP，可以運行類似MCU的算法。因此，它擁有更強大的功能，可以運行標準的C指令，支持信號處理和AI推理、機器學習和深度學習，甚至二進制神經網絡，同時以μA級的功耗提供廣泛的編程靈活性，讓傳感器的智能程度更進一步！

目前帶ISPU的6軸慣性測量單元（IMU）有兩種。面向復雜動作手勢識別、事件檢測和運動追蹤等消費應用的LSM6DSO16IS，以及面向機器人、空調和資產追蹤，預測性維護等邊緣工業應用的ISM330IS。除了基本的IMU功能（如可配置陀螺儀量程，加速度量程，ODR數據，SPI/I2C接口），內部還集成了ISPU用于人工智能算法和處理超低功耗可編程核心，運行頻率最高可達到10兆赫茲，配備32KB用于程序的RAM和8KB用于數據的RAM，總40KB內存，支持浮點運算及32位整數運算。

ST的ISPU方案基于DSP架構。這種DSP面積很小，只有8K門；封裝也很小，僅為3*2.5*0.83；支持浮點運算，同時也支持神經網絡。基于32位的哈佛架構，最高主頻可達10MHz，最大輸出數據達到6.6KHz。

ISPU的優勢很明顯，首先在功耗方面，如果將傳感器融合算法運行到ISPU中，5MHz功耗僅為200μA。但是，如果運行在Cortex-M0上，即使主頻為4MHz，功耗也需要1300μA。可見，ISPU傳感器融合的功耗是比M0低5倍。此外，由于ISPU是DSP直接集成在傳感器中，可以直接獲取類似加速度儀等傳感器的處理數據，無需總線參與，從而降低系統的負載和功效。在104Hz頻率下讀取數據時，ISPU僅僅耗費1μA，而Cortex-M0在4MHz時就已經需要94.4個μA。

當ODR增大，ISPU運行速率加快時，功耗差距越大。例如，當883Hz去提取加速度數據時，ISPU功耗僅為7.5μA，而Context-M0為747μA，兩者的差距已達百倍。當然，對于其他算法，如傾角檢測，排氣檢測，傳感器融合，手腕傾斜（比如手表穿帶的翻腕亮屏功能），ISPU的功耗也很低。

其次是ISPU的AI優勢 — ISPU提供更多選擇和更大自由的自學習方案：一方面，它可以支持機器學習，如決策樹，Scikit-learn；另一方面，它也支持深度學習算法，如常見的QKeras、TensorFlow、ONNX等，同時，我們采用ISPU的編譯器，將基于機器學習和深度學習算法模型進行編譯，生成ISPU可運行的UCF配置文件，通過MCU將該配置文件寫入ISPU，即可運行算法。這可以廣泛應用于個人電子產品（如穿戴設備，頭戴設備等）以及工業領域的事件監測等。

ISPU的運行原理：

在LSM6DSO16IS/ISM330IS的IMU內部框架中，傳感器hub可以通過I2C連接外部磁力計和氣壓計等設備。ISPU可以通過內部的IMU傳感鏈直接讀取外部的傳感器（地磁或氣壓計）和內部的加速度、陀螺儀和溫度數據。ISPU支持運行最多30個算法，但由于ISPU是單核，它以串型的方式運行，每一個算法都可以產生一個中斷信號，通知主控發生的中斷事件。

ISPU可以通過I2C與SPI與主控連接，同時通過多種寄存器跟主控交互。例如，如果主控需要配置參數，可以通過總線將參數寫到ISPU的配置寄存器對ISPU進行配置，而標志寄存器可以通過總線實現主控和ISPU的數據交互。此外，ISPU輸出數據寄存器可以在中斷發生后將數據送出，告知MCU當前發生了什么事件。

ISPU開發流程：

首先是基于ISPU代碼進行編碼，使用工具鏈將其編譯成ISPU二進制文件。然后，將該ISPU二進制文件與傳感器配置文件（configureTXT）傳感器配置文件一起使用工具生成ISPU.h或者.UCF配置文件。將這些文件復制到MCU的應用程序代碼中，加載ISPU程序并讀取算法結果，使用ARM工具鏈進行編譯，生成應用.bin文件，最后將應用.bin文件燒錄到MCU中運行。

ISPU軟件的開發工具有3種：1）基于命令行工具CLI

命令行主要在Windows下使用，通過CMD輸入命令來實現編譯工作。

采用這種方法，開發之前需要先安裝ISPU編譯工具鏈，并在Windows里安裝make工具。然后可以基于我們提供ISPU模版開發Norm算法，修改傳感器配置，通過json輸出文件進行編譯，再通過GUI連接板子并連上電腦，使能ISPU。

2）基于Eclipse的IDE

如STM32CubeIDE，可以編輯代碼及編譯ISPU程序。開發時需要先下載安裝Eclipse插件，然后導入工程進行編譯。

3）GUI

采用AlgoBuilder，無需編寫代碼，只需要在軟件中拖拽不同模塊進行連接，即可自動生成代碼。用戶需要先在ST官網上下載AlgoBuidler、STM32CubeIDE、STM32CubeProgrammer和Unico-GUI軟件并安裝，通過設置后即可實現零代碼設計，基于模塊固件編譯和燒寫以及調用Unicleo-GUI。

以下便是我們的一個演示視頻，在Unicleo-GUI打開過程自動連接通過USB線插入電腦的硬件開發套件，當移動評估板的時候，3D頭像會跟隨展示對應的空間姿態。

在我們的視頻課程里還包括了如何將ISPU代碼集成到MCU的更詳盡的解說，各位可自行前往觀看講解。

END

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