拓展智能系统市场 ST剑指联网智能感知

　　第一代消费电子MEMS传感器驱动的运动感知应用最初只用于消费电子产品，如游戏控制台和首批智能手机。现在，智能感知应用被广泛用于所有的电子应用领域：定位导航、工业控制、楼宇自动化以及医疗保健。 智能传感器是现实“模拟”世界与电子数字世界之间的交互界面。意法半导体提供用户开发智能感知整体解决方案所需的各种器件。智能感知方案由下列模块组成：运动识别、环境传感器、低功耗微控制器、用户界面和通信接口。

　　消费电子、工业控制、能源计量及医疗仪器，所有电子产品都在提高本身的智能化程度，这归功于电子系统大规模引入嵌入式智能感知、数字管理和联网功能。因此，今后几年，传感器特别是MEMS产品将是半导体市场上最有前景的技术，据IHS iSuppli预测，2016年销售收入预计达到125亿美元，复合年增长率CAGR达到9.7%，而整个半导体市场的CAGR预计仅为4.5%。

　　智能感知平台

　　本文所述智能感知平台由五个主要模块组成，如图1所示：该智能感知平台是一个先进智能感知应用的完整解决方案。

　　（1）运动MEMS：加速度计、磁强计、陀螺仪（或iNEMO惯性传感器模块和数字罗盘模块）

　　（2）环境传感器：温度传感器和湿度传感器

　　（3）系统数据管理：低功耗8/32位微控制器

　　（4）数据接口：ZigBee、低功耗蓝牙（ BLE）、低于1GHz的射频、以太网

　　（5）用户界面：触摸屏、触控键和近距离检测传感器

　　运动MEMS模块是一个9自由度的运动感知级，由3轴数字陀螺仪（L3GD20）、系统级封装数字罗盘（LSM303DLHC）模块和3轴数字磁强传感器组成。陀螺仪用于测量角速度，最大量程±2000°/s ；数字罗盘模块集成3轴数字线性加速度传感器，能够测量线性加速度，最大量程±16g；3轴数字磁强传感器的量程为8.1 Gauss。意法半导体的产品组合还包括单封装3轴数字或模拟加速度计（LIS3DH），最大量程±24g。

　　图1：典型的智能感知平台框图

　　在环境传感器模块内，MEMS压力代表运动识别的第10个自由度。事实上，因为260－1260mbar的绝对量程和0.020 mbar分辨率，压力传感器（LPS331AP）能够识别海拔高度，例如，室内导航的楼层位置。压力湿度二合一传感器（开发中）的绝对量程0-100%RH，分辨率 》 0.05% RH，以及模拟或数字温度传感器（STTS751， STLM20），是环境监测智能感知解决方案的重要组件。

　　数据接口模块有四个不同的解决方案：功耗蓝牙（BLE）（控制器开发中），兼容Bluetooth 4.0标准，工作频率2.45 GHz，传输速率大约200kbit/s。

　　ZigBee产品（STM32W）兼容IEEE 802.15.4无线个人区域网络标准（WPAN），美国和澳大利亚的工作频率为915 MHz，欧洲为868 MHz，世界其它地区为2.4 GHz。数据传输速率为20－900 Kbs/s。

　　另一个射频产品是功耗极低的无线收发器，工作频率低于1 GHz，（SPIRIT1）能够工作在不同的频带，支持不同的调制方法：2-FSK、GFSK、OOK、ASK和MSK。

　　线缆接口采用快速以太网，这是业界最广泛使用的局域网标准。意法半导体产品（STE100P）是一个10/100 Mbps收发器，兼容IEEE802.3u 100Base-TX 和 IEEE802.3 10Base-T标准。该平台的数字管理方案可选用8位或32位低功耗微控制器。

　　微控制器的功耗特性以及整个系统器件的功耗，是便携消费电子以及停电时备用电池供电的24小时监测系统的基本要求 。

　　触感产品（触摸屏， 触控键和近距离检测传感器）用户界面代表直观的输入输出工具，可简化很多应用的设置修改，例如，家庭耗源显示器。

　　意法半导体为智能感知平台带来差异化产品组合

　　（1）运动MEMS

　　凭借先进的技术和创新的设计，意法半导体一举成为全球最大的便携和消费电子MEMS厂商。加速度计和陀螺仪产量逾20亿件，意法半导体颠覆了用户界面设计方式，运用技术简化了使用体验方式。意法半导体提供各种3轴线性加速度计以及单轴或3轴陀螺仪、6轴数字罗盘和6轴或9轴iNEMO惯性传感模块。运动MEMS的目标应用为：移动设备的智能界面，自由落体检测和硬盘保护，工业运动跟踪和振动监测，导航，运动健身器材和3D标签等。

　　a.加速度计

　　意法半导体提供先进的3轴模拟和数字加速度计，产品主要特性包括±24g满量程、高分辨率、嵌入式智能功能和先进的省电功能。

　　b.陀螺仪

　　意法半导体陀螺仪产品线也十分广泛，包括1轴、2轴和3轴陀螺仪。满量程宽广（30－2000 °/s），航向、横滚和俯仰三轴共用一个质量块，测量精度十分出色。意法半导体的陀螺仪具有出色的时间稳定性和温度稳定性，适用于消费电子和工业市场。

　　c.数字罗盘

　　意法半导体的数字罗盘在一个封装内集成一个3轴数字磁强传感器和一个3轴数字加速度计。 LSM303DLx系列数字罗盘的加速度量程为±2至±16g，磁强量程为±1.3到±8.1gauss。数字罗盘包括智能功率功能，可实现低电流消耗和嵌入式自检。这些特性使数字罗盘成为先进导航和智能位置服务的理想选择。

　　d.iNEMO惯性传感器模块

　　iNEMO是意法半导体为先进应用开发的6轴或9轴惯性传感器模块，可满足3D运动识别的多个自由度需求。iNEMO系列包括：LSM320/330/333系统封装（SiP）。意法半导体的系统封装和板载系统iNEMO惯性传感器模块可与意法半导体新开发的传感器融合软件（iNEMO Engine Lite&Pro）配合使用，设计可靠且可自定义的多轴MEMS软硬件解决方案。

　　（2）SPIRIT1 - 低数据速率、低功耗且低于1GHz的收发器

　　SPIRIT1芯片是意法半导体独有的灵活且低功耗的的收发器，工作频率低于1GHz，集成包处理器。 这款器件的工作频段为150-174 MHz、300-348MHz、387-470 MHz、779-956 MHz，支持多个调制方法：2-FSK， GMSK， GFSK， MSK， OOK和ASK。数据速率从1－500 kbps，本身集成一个开关电源，可实现极低的功耗，优于所有竞争产品。

　　图2：SPIRIT1描述_评估板的结构

　　（3）低功耗蓝牙

　　意法半导体正在开发一个功耗极低的Bluetooth Low Energy （BLE）蓝牙控制器，新产品兼容蓝牙标准4.0，集成低功耗的物理层、内嵌安全引擎的链路层、主控制器接口（HCI）和电源管理。该器件的评估工具是由该芯片模块和充当该系统的微控制器STM32L组成。评估工具还配备一个GUI应用软件，用于配置控制器，执行部分低功耗蓝牙通信。

　　图3：BLE控制器评估板

　　（4）低功耗微控制器

　　通过不同的省电模式，意法半导体找到了高性能与低功耗之间的最佳平衡点，以优化用户应用的电能消耗。为更好地服务这个市场，意法半导体正在研发超低功耗微控制器平台。8位STM8L和32位STM32L微控制器采用意法半导体独有的130纳米超低泄漏电流制程，该超低功耗微控制器平台叫作EnergyLite。凭借EnergyLite平台，STM8L和STM32L微控制器取得业界最低功耗，在SRAM数据保存且RTC正常运行时，功耗仅1.3µA，待机功耗300nA。

　　图4：STM8和STM32的市场定位

　　智能感知平台带来的系统解决方案

　　（1）环境监测

　　意法半导体提供多个环境监测解决方案，下面列出的是一个具有代表性的参考方案。意法半导体正在开发一个专门的评估板（STEVAL-IFS018V1），因为板载多种传感器（温度、湿度、环境光和MEMS）和通信接口，在环境监测领域有多个潜在应用。该评估板还可以将环境数据或特定的系统设置保存在板载双接口（I2C e RF） EEPROM （M24LR64-R）内。该存储器连接环境监测板上印刷的小PCB天线，可以从任何支持RF 15693标准的设备（NFC）读取双接口存储器。

　　（2）内置HTTPS网关的家用能耗显示器

　　在今天这个能源优化和计量的时代，人们愿意更清晰地了解能耗情况，足不出户就可管理家庭能耗。意法半导体从事多个能源控制相关的半导体应用的研发。下面介绍的解决方案适用于能源计量和Zigbee技术。意法半导体开发出一个Zigbee通信专用微控制器。

　　SmartPlugW是一个工作在802.15.4家庭区域网的能源评估系统解决方案，用于能源管理和节能降耗。该系统的一端连接电网，另一端连接家电。能实现以下功能：耗电量和电力参数监视；预防电力网超载和通过无线HAN方式管理远程负载；继电器通断开关，具有TRIAC实现的“软启动/停止”功能；路由器模式配置，可轻松增加传感器，扩大网状网络覆盖；802.15.4 HA v2.0/E@H规范。

　　图5：STEVAL-IHP004V1–SmartPlugW 威廉希尔官方网站 板

　　图6：内置HTTPS网关的家庭能耗显示器

　　STM3221G-EVAL运行的网关固件通过人机互动采集远程设备信息，使用“GET”命令向远程互联网HTTPS服务器上传相关的能耗/用电数据。从连接网络的电脑，用户可查询自己住宅内的SmartPlugW设备的信息。

　　（3）室内导航

　　室内导航可用于现代都市的很多地方：机场、博物馆、商业中心、停车场和医院以及紧急救援场所、大型商业中心，非常精确的兴趣点（POI）定位让人们在几分钟内找到心仪的商品，通过近距离通信（NFC）技术直接在智能手机上购物。

　　图7：室内导航解决方案的应用

　　室内定位运用来自四个不同信息源的全部信息：来自惯性传感器系统的运动数据；射频定位：来自现有的基础设施（Wi-Fi、3G/4G LTE）和其它连接源（ZigBee、蓝牙、Sub 1 GHz等）；近距离射频定位：置于POI地点或固定在人们熟知地点的RFID或RF EEPROM系统发送的近距离（<2米）信号数据；建筑物地图：所有天线、房间、楼梯、电梯、楼门等设施的地图。融合所有这些数据，并将路线叠加于大楼地图上，我们就可最终重构行人的准确位置。

　　图8：室内导航解决方案的核心产品

　　图9：简化的提供不同连接方案的室内导航系统框图，本图描述了简化的室内导航系统的核心配置。

　　结论

　　通过分析本文介绍的产品和解决方案，我们发现，若想设计高集成度的高能效的智能解决方案，系统架构需要内置三个重要功能：智能感知、具有实时控制功能的数字管理和先进连接解决方案。

　　凭借专用的产品组合和深厚的系统知识，意法半导体成为各种高智能电子应用的主要芯片厂商。

        作者：意法半导体公司工业与多元市场产品部Salvatore Bonina,系统实验室与技术市场部Fabio Beffumo

本文转摘自电子发烧友网《智能系统特刊》6月刊

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