簡化慣性測量傳感器系統設計方案

準確可靠地感測位置、方向和運動已經成為許多細分市場（包括消費、工業和軍用/航空）各種應用領域的必要需求。 要提供這種復雜的數據，適用的傳感器系統除了整合來自基本的陀螺儀傳感器或加速計的結果外，還需其他方面的結果。

從這些單獨的傳感器獲得準確的讀數本身就很難，系統設計人員還需進一步組合多個傳感元件的輸出，并通過傳感器融合來整合其輸出。 然而，實施傳感器融合的復雜性極易造成系統開發停滯不前。

為此，設計人員可以轉而使用 Bosch Sensortec 的兩款方向傳感器器件。 這些器件提供了一種比定制傳感器融合設計更簡單的替代方案，通過現成的解決方案加快傳感器融合功能的開發。

傳感器融合的需求

感知方向和運動的能力在依賴虛擬或物理運動的應用中起著至關重要的作用。 智能手機依靠這種能力來進行各種操作，簡單如縱向顯示切換到橫向顯示，復雜如無需 GPS 輔助即可操作的慣性導航應用。 除了智能手機及許多其他消費品和工業物聯網 (IoT) 產品外，醫療和汽車應用越來越需要一定程度的方向感知功能。 雖然在實施具有方向感知的傳感器融合設計上會有所起伏，但這讓設計人員有機會提供與眾不同的設計。

在硬件層面，底層傳感系統用加速計檢測運動，用陀螺儀感測旋轉，并用磁力儀識別航向。 理論上，這些傳感器可以提供確定方向、位置和航向所需的所有必要信息。

然而在實踐中，每種傳感器在其傳輸必要數據的能力方面都表現出嚴重的局限性。 加速計的高靈敏度會帶來高噪聲。 陀螺儀會隨時間產生漂移，因此不能提供絕對旋轉數據。 磁力儀會響應所有磁場并會因給定設置中發現的磁性材料產生異常結果。

此外，這些傳感器類型中沒有一個能夠明確地測量偏航等更復雜的運動，更不用說根據地球的磁場識別傳感器的絕對方向。 要取得這些更復雜的結果，需要在所謂的“傳感器融合”的過程中組合傳感器數據。

傳感器融合方法

傳感器融合會合并來自多個傳感器的數據，以得出從單個傳感器無法得出的結果。 方向和慣性導航專家采用為特定類別的應用設計的一系列傳感器融合算法。 這些算法的細節不在本文的探討范圍內，但每種算法都力求優化原始傳感器數據的合并，這些數據經傳感器噪聲和精度等各種特性進行了靜態或動態加權。 結果是使用諸如歐拉角或四元數等抽象概念的方向和運動的數學投影。

幸運的是，開發人員不必成為傳感器融合算法的專家就能利用這些算法的功能。 在構建傳感器融合應用時，開發人員可以使用現有的軟件解決方案，如 NXP Semiconductors 傳感器融合庫。 設計用于在 Kinetis K20 之類的 MCU 上運行的 NXP 軟件可以組合使用由可編程增益放大器 (PGA)、比較器和模數轉換器 (ADC) 組成的 MCU 集成模擬信號鏈采集的傳感器數據。

這種基于 MCU 的方法在滿足特定應用需求方面具有極大的靈活性。 沒有傳感器融合理論經驗的開發人員可以使用現成的庫開發經過優化的系統。 希望實施更專業算法的專家可以在目標應用程序中替換其代碼。 即使如此，所有開發人員在前端傳感器系統自身的設計上仍面臨重大挑戰。

不管算法如何，傳感器融合結果的精度很大程度上取決于底層傳感器設計。 作為傳感器融合的基本要求，傳感器測量值需要緊密/或足夠緊密地同步，以滿足時間分辨率的應用要求。 目標傳感器的物理布局等問題會影響同步，特別是對于傳感器遠離傳感器處理設備的應用而言。 在這些情況下，傳感器及其各自的信號處理鏈之間的不同時序路徑會導致同步中出現系統定時誤差。 雖然開發人員可以解釋這些差異，但基于集成傳感器的方法化解了這個問題。

集成傳感器模塊簡化了融合

集成傳感器器件將每個目標傳感器放置在同一個模塊上，消除了有關不同時序路徑的實際問題。 此外，使用這種器件，開發人員可以依賴于其傳感器模塊設計人員來盡量減少噪聲源或會影響傳感器精度的其他設計因素。 事實上，Bosch Sensortec 通過其 BMF055 9 軸方向傳感器使這種方法更進一步。 這種系統級封裝 (SiP) 器件將 Atmel ATSAMD20J18A 32 位 MCU 和與其 BMA280 加速計、BMG160 陀螺儀和 BMM150 地磁傳感器（圖 1）大致相當的傳感器加以集成。 （注意，BMF055 的傳感器在某些性能值方面與其獨立的等效產品有所不同。）

圖 1： Bosch Sensortec BMF055 將傳感器與基于Atmel Cortex-M0 + 的 MCU 相結合，收集原始傳感器數據并執行傳感器融合，簡化了方向和慣性測量應用的傳感器系統設計。 （圖片： Bosch Sensortec）

基于 ARM? Cortex?-M0+ 內核的內置 Atmel ATSAMD20J18A MCU 集成了 32 KB 的 SRAM 和 256 KB 的閃存。 它用作本地主機，通過 SPI 總線獲取原始傳感器數據，并在模塊內執行傳感器融合軟件算法。 反過來，Atmel MCU 通過 USART 接口與外部主機通信，以傳輸最終的傳感器融合結果。

硬件設計簡單明了。 BMF055 只需要一個外部 32 KHz 晶體和電容即可完成傳感器融合設計（圖 2）。 事實上，Bosch Sensortec BMF055 評估套件提供了一個簡單的即用型開發平臺，將分線板與包含 BMF055 和所有必要組件的小板組合在一起。

圖 2： Bosch Sensortec BMF055 幾乎不需要額外組件來實施方向傳感器系統，并提供串行接口用于開發及將傳感器融合結果傳輸到主機系統。 （圖片： Bosch Sensortec）

BMF055 SiP 消除了傳感器融合設計硬件實施的重大障礙。 需要自行編寫傳感器融合算法的開發人員可以使用 BMF055 作為集成替代方案，不用再創建基于 MCU 的傳感器融合設計。 事實上，Bosch Sensortec 在基于 Atmel 軟件框架 (ASF) 的分層架構中提供了 BSX-Lite 傳感器融合庫。

該軟件包在每一層上都公開了一系列 API，用于訪問 BSX-Lite 庫、傳感器驅動程序和底層 ASF 驅動程序（圖 3）。 實際的運行時間代碼駐留在隨分發包提供的封裝庫中。 開發人員可以在提供的堆棧上快速構建其應用程序，根據特定應用程序需求替換自己的專有傳感器融合庫。

圖 3： Bosch Sensortec 提供傳感器融合軟件包，允許通過 API 訪問 BSX-Lite 傳感器融合庫、傳感器和 Atmel 軟件框架 (ASF)。 （圖片： Bosch Sensortec）

Bosch Sensortec 軟件包甚至包含示例代碼，該代碼能展現用于執行各種器件操作（代碼列表）的高級調用。 軟件為每個傳感器提供了分類，因此從特定傳感器讀取數據就像為相應類別的實例調用適當的方法一樣簡單。 傳感器支持庫中的低級例程執行必要的總線讀取，由嵌入式 MCU 執行，以通過 SiP 模塊的內部 SPI 總線訪問傳感器器件寄存器。

void bmf055_sensors_initialize (void)

{

/* Initialize BMA280 */

bma_init();

/*BMA settings for running BSXLite: Range = 2G, BW = 62.5Hz*/

bma2x2_set_range(BMA2x2_RANGE_2G);

bma2x2_set_bw(BMA2x2_BW_62_50HZ);

/* Initialize BMG160 */

bmg_init();

/* BMG settings for running BSXLite: Range = 500dps, BW = 64Hz*/

bmg160_set_range_reg(0x02);

bmg160_set_bw(0x06);

/* Initialize BMM150 */

bmm_init();

/*BMM settings for running BSXLite: Preset mode = Regular, Functional state = Forced mode*/

bmm050_set_presetmode(BMM050_PRESETMODE_REGULAR);

bmm050_set_functional_state(BMM050_FORCED_MODE);

}

代碼列表。 BMF055 軟件包含有示例例程，展示了如何使用高級例程進行一些操作，例如對器件的三個集成傳感器進行初始化。 （代碼來源： Atmel/Bosch Sensortec）

直接替代型解決方案

憑借完整的可編程性，BMF055 為需要定制功能，甚至專門的傳感器融合計算的應用提供了有效的解決方案。 對于尋求快速直接替代型解決方案的開發人員，Bosch Sensortec BNO055 將傳感器融合固件與傳感器和 MCU 集成，直接輸出固件所生成的高級信息。 BNO055 使用基于寄存器的方法，能讓主機獲得最終的結果，包括加速度、線性加速度、重力矢量、磁場強度、角速率、溫度，以及歐拉角或四元數的方向。

對于硬件集成，模塊提供 I2C 和 UART 端口用于連接到主機，并需要與 BMF055 相同的基本晶體和電容器補充。 與 BMF055 一樣，Bosch Sensortec 還提供了一個 BNO055 開發板，其中包括該器件和所有必需的組件。

因為 BNO055 執行傳感器融合計算并提供最終結果，所以軟件界面相對簡單。 基本器件驅動程序處理外部主機通過 I2C 或 UART 硬件接口訪問器件所需的總線讀寫操作。

低級軟件例程會訪問 BNO055 的專用寄存器來檢索特定的傳感器融合結果。 例如，驅動程序例程 bno055_read_accel_xyz() 會讀取原始線性加速度數據，bno055_convert_float_accel_xyz_msq() 函數會將數據轉換為以 m/s2 為單位的浮點值。

總結

增強現實、無人機和智能手機等應用依賴于確定方向和運動的能力。 傳感器融合基于不能單獨生成信息或者不能明確和快速生成信息的傳感器來提供這些信息。 對于設計人員來說，創建合適的傳感器解決方案在硬件設計和軟件開發方面都面臨重大挑戰。

BMF055 和 BNO055 器件能滿足快速開發傳感器融合設計的定制和直接替代型解決方案的需求。