Концентратор датчиков BHA250 с поддержкой функций Android Lollipop

Сложно представить современные смартфоны и планшеты без огромного числа встроенных датчиков. При этом часть датчиков представлена реальными микросхемами (акселерометры, гироскопы, датчики влажности и т. д.), а часть оказывается виртуальными (детектор шагов, датчик ударов и т. д.). Для обсчета большого количества сенсоров требуется значительная вычислительная мощность. Чтобы освободить центральный процессор от дополнительной нагрузки, производители электронных микросхем предлагают использовать малопотребляющие специализированные сопроцессоры-концентраторы, которые принимают и обрабатывают данные с датчиков. Один из лидеров рынка МЭМС-сенсоров – компания Bosh Sensortec представила свое решение в виде концентратора BHA250, который поддерживает функции Android Lollipop и имеет собственный трехосевой акселерометр.

Рис. 1.	Концентратор датчиков BHA250 от Bosch Sensortec.

Количество встроенных датчиков в современных устройствах постоянно растет. Наиболее популярными сенсорами, доступными на рынке, являются: акселерометры, гироскопы, магнитометры, датчики параметров окружающей среды (давления, влажности, температуры, освещенности), датчики приближения. В последнее время стали появляться и более экзотические решения, например, датчики концентрации различных газов от Synkera или датчики ИК-зрения от Panasonic.

В портативных и мобильных устройствах (смартфоны, планшеты и т. д.) кроме реальных датчиков используют и виртуальные сенсоры: детекторы шагов, датчик ударов, пульсометры и т. д. Они не имеют физической реализации, и их данные являются результатом обработки измерений реальных датчиков. К примеру, показания детектора шагов являются результатом обсчета информации, полученной от акселерометра.

Ярким показателем актуальности того или иного датчика является его использование в современных операционных системах. В ОС Android 4.4 KitKat была предусмотрена встроенная поддержка 24 типов датчиков. Начиная с Android Lollipop 5.0, их число возросло до 31: акселерометр, магнитометр, датчик ориентации (азимут, поворот, вращение), гироскоп (с температурной компенсацией), датчик освещенности, барометр, датчик температуры, датчик приближения, датчик гравитации, датчик линейных ускорений, 9-осевой датчик вращения, датчик влажности, датчик температуры окружающей среды, магнитометр (без калибровки), игровой 6-осевой сенсор (акселерометр + гироскоп), гироскоп (без калибровки), датчик ударов, детектор шагов, счетчик шагов, геомагнитный 6-осевой сенсор (акселерометр + магнитометр), датчик сердечного ритма, датчик вращения (по изменению). Wake Gesture, Glance Gesture, Pick Up Gesture, Activity и еще пять позиций остаются зарезервированными.

Очевидно, что для обработки данных от реальных датчиков и расчета показаний виртуальных сенсоров требуется значительная вычислительная мощность. Если эту задачу решать с помощью центрального процессора, то производительность системы снижается, и, кроме того, возрастает мощность потребления. Чтобы избежать этих негативных последствий, производители электронных компонентов предлагают использовать специализированные сопроцессоры-концентраторы. Их главными задачами становятся: самостоятельный сбор и обработка данных от реальных датчиков, расчет показаний для виртуальных сенсоров, передача готовой информации в центральный процессор. При этом, благодаря высокой степени специализации, удается не только полностью освободить процессор от значительной части вычислений, но и обеспечить минимальный уровень потребления. Одним из примеров такого решения стал концентратор BHA250 от Bosch Sensortec, который аппаратно реализует функций Android Lollipop. Еще одной важной особенностью BHA250 является встроенный трехосевой акселерометр.

Новый концентратор BHA250 объединил весь опыт Bosch Sensortec, полученный за долгие годы. Здесь стоит напомнить, что Bosch Sensortec – один из лидеров на рынке МЭМС. Компания выпускает несколько классов датчиков:

• Smart Sensors – комбинированные датчики со встроенным микроконтроллером. Например, 9-осевые сенсоры BMX055 и BNO055, о которых уже писали в одной из статей раздела УНИТЕРА, включают в себя трехосевой акселерометр, трехосевой гироскоп, трехосевой магнитометр и 32-битный контроллер Cortex-M0.
   
• Environmental sensors – датчики параметров окружающей среды (давление, влажность температура), например, BME680, BME280, BMP280.
   
• Motion Sensors – датчики движения (акселерометры, гироскопы, магнитометры).

BHA250 – система на кристалле, выполненная в корпусном исполнении 2.2×2.2×0.95 мм и объединяющая сопроцессор-концентратор и 14-битный акселерометр.

BHA250 работает под управлением внешнего процессора: настройка концентратора и обмен данными происходят по одному из двух интерфейсов I²C (BHA250– ведомый) (Рис. 2). Вторая шина I²C необходима для подключения датчиков (BHA250 – ведущий). Концентратор способен работать по прерыванию от внешних сенсоров. Для этого используются доступные для пользователя три канала ввода-вывода.

Рис. 2.	Схема включения концентратора BHA250 от Bosch Sensortec.

В состав BHA250 входят два основных блока: процессор Fuser и 14-битный акселерометр (Рис. 3). Интересно, что оба блока подключены к той же шине I²C, что и другие внешние датчики.

Рис. 3.	Концентратор BHA250 объединяет процессорное ядро Fuser и 14-битный акселерометр.

За обработку данных в BHA250 отвечает фирменный процессор Fuser. Его отличительными чертами являются (Рис. 4):

• 32-битное ядро ARC EM4;
• производительность 1.6 DMIPS/ МГц, 3.41 Core Marks /МГц;
• рабочая частота до 10 МГц;
• встроенный блок для вычислений с плавающей запятой;
• поддержка шины I²C со скоростью обмена до 3.4 Мбит/с для связи с ведущим процессором;
• поддержка шины I²C со скоростью обмена до 1 Мбит/с для работы с датчиками;
• память: 96 Кбайт ПЗУ, 48 Кбайт ОЗУ (регистры и буферы);
• поддержка работы по прерыванию с помощью трех линий ввода-вывода.

Рис. 4.	Структура процессорного ядра Fuser.

Кроме процессора, в состав BHA250 входит 14-битный акселерометр с диапазоном ±2, ±4, ±8, ±16 g. Это является достаточно важным преимуществом по сравнению с конкурентами. Дело в том, что даже без дополнительных внешних сенсоров, только за счет собственного акселерометра BHA250 способен реализовывать функции следующих датчиков из списка Android Lollipop:

• акселерометр;
• счетчик шагов;
• детектор шагов;
• датчик значительных движений (ударов);
• датчик поворота;
• датчик взятия телефона;
• датчик жеста пробуждения;
• датчик быстрых жестов;
• датчик распознавания активности пользователя (стоит, бежит, едет на мотоцикле, едет на машине).

Если к BHA250 подключить магнитометр, то к услугам пользователя добавится еще 8 сенсоров. Концентратор без проблем может работать и со всеми типами реальных датчиков: гироскопами, магнитометрами, датчиками параметров окружающей среды (давления, влажности, температуры, освещенности), датчиками приближения.

Важным достоинством сопроцессора-концентратора, кроме освобождения процессора от рутинных вычислений, является и одновременное снижение общего уровня потребления. Этот факт легко объяснить несколькими особенностями BHA250. Во-первых, он использует специализированные и высокоэффективные алгоритмы обработки. Во-вторых, не имеет на борту лишних блоков. В-третьих, способен работать по прерыванию от внешних датчиков. В-четвертых, имеет гибкую систему управления режимами работы (настройка частоты опросов, использование режимов пониженного потребления и т. д.).

В результате усилий по оптимизации потребления удалось добиться весьма неплохих результатов. В режиме электронного компаса питающий ток составляет 630 мкА (частота опроса 100 Гц). При работе концентратора и акселерометра ток достигает 430 мкА. Датчик активности увеличит потребление на 200 мкА, датчик ударов и детектор шагов на 100 мкА каждый. В режиме ожидания питающий ток составляет всего 11 мкА.

Для ознакомления с возможностями BHA250, компания Bosch Sensortec предлагает использовать отладочную плату BHA250 shuttle board (Рис. 5). Кроме самого сопроцессора-концентратора, на ней размещено четыре магнитометра: AKM09911, AKM09912, BMM150 и YAS532. Каждый из них может быть подключен к концентратору с помощью системы перемычек. Дополнительные сенсоры подключаются с помощью плат расширения к слоту TFR-card.

Отладочная плата сама может выступать в качестве расширения для других отладочных наборов от Bosch Sensortec. Для этого на ее обратной стороне размещены штырьковые разъемы.

Рис. 5.	Внешний вид оценочной платы BHA250 shuttle board от Bosch Sensortec.

Областями применения сопроцессоров-концентраторов BHA250 в первую очередь станут малопотребляющие и малогабаритные устройства: смартфоны, планшеты, умные часы, портативные игровые приставки и манипуляторы, медицинские приборы и т. д.

Технические характеристики концентратора BHA250:

• тип: концентратор I²C-датчиков со встроенным акселерометром;
• процессор: фирменный процессор Fuser от Bosch Sensortec с 32-битным ядром ARC EM4 с блоком вычислений чисел с плавающей точкой и максимальной рабочей частотой 10 МГц;
• акселерометр: 14-битный с диапазоном ±2, ±4, ±8, ±16 g;
• потребление: eCompass – 630 мкА; концентратор + акселерометр – 430 мкА, распознавание движения – 200 мкА, детектор шагов 100 мкА, режим сна 10 мкА;
• напряжение питания: 1.62…3.6 В (VDD); 1.6…3.3 В (VDDIO);
• диапазон рабочих температур: –40 °С … 85 °С;
• корпус: LGA 2.2 × 2.2 × 0.95 мм.

О компании

Компания Bosch Sensortec – подразделение консорциума Bosch, основанное в 2005 году и специализирующееся на МЭМС-сенсорах и решениях на их основе. В портфолио компании – трёх-, шести- и девятиосевые гироскопы, акселерометры и магнитометры, а также датчики температуры, влажности и т.д. С момента начала разработки МЭМС-сенсоров в 1995 году компания Bosch стала лидером на этом рынке, продав более трёх миллиардов микросхем.

Посмотреть подробнее характеристики концентратора датчиков BHA250 от Bosch Sensortec