効率的なIoTセンサフュージョン設計向けにMCUペリフェラルを選択する

センサは、モノのインターネット（IoT）へのエレクトロニクスインフラの変換において、至る所に存在する要素となりつつあります。 センサは、自動車、家庭、職場、工場現場、そしてほぼすべての場所にある電子システムの管理や制御に使用されるデータを提供します。 センサはその範囲においてだけでなく、その機能においても拡張しています。 複数のセンサが一緒に配置され、個々の測定を交換して高めることができると、素晴らしい新機能を作成することができます。 こうしたタイプの設計において、センサは高度な機能を実装でき、多くの場合、新しく革新的な機能を提供するセンサ「フュージョン」として表現されます。

センサフュージョンアルゴリズムは、数十年にわたって化学プロセス制御システムで実装されているため、その概念はさほど新しいものではありません。 ほとんどの化学プロセス制御システムは、値、流量、または設定に適した設定を決定するために、さまざまなセンサの読み取り値を必要とします。 圧力、温度、そして容積をセンスすることなく、化学プロセスを管理することは考慮しないでしょう。 （PV = nRTについて覚えていますか。）

優れた新しいアルゴリズムが必要とするすべてのデータを持つように、さまざまなセンサを新しいセンサフュージョン設計が含むことを必要とするのは簡単です。しかし、ある時点で、MCUは、アルゴリズムが必要とするレートでデータを提供しながら、これらすべてのセンサに接続する必要があります。 また、MCU計算機能の多くを保持する必要があるため、プロセッサは、リアルタイムですべてのセンサデータを管理することはできません。  

幸いなことに、MCUメーカーは、大量のオーバーヘッドでプロセッサに負担をかけることなく、複数のインターフェースのフル機能を設計が使用できるように、MCUペリフェラルの機能を拡張しています。  この記事では、各センサに適したペリフェラルの選択が設計の成功にいかに重要になりうるかを示すために、センサフュージョン設計実装の例について考察します。

設計例

今後数年で目の当たりにするより一般的なセンサフュージョン設計の1つは、関心物体の周りの環境を追跡し記録するのに使用されます。 関心物体は、輸送中のパッケージ、駐車中の車、移動中の自転車、または庭にいる犬である可能性があります。  明らかに、センサログやすべてのセンサフュージョンアルゴリズムは、特定の環境測定を求めていますが、この記事での設計例に含めることができるいくつかの一般的な測定があります。  温度、湿度、振動、圧力、および加速度を提供することを想定しましょう。 また、おそらくノイズレベルの業界規格が適合されていることを検証するために、音声コマンドが使用される場合、または周囲ノイズのキャプチャが必要とされる時の事例をカバーするため、サウンドをキャプチャするための要件を追加しましょう。 これらのタイプの読み取り値は、いくつかの設計上の課題を提供するほど十分異なるため、効率的なセンサフュージョン設計に非常に重要な特定のMCU機能について考察することができます。

図1は、設計例の簡素化したブロック図を示しています。 主な設計目標は、センサフュージョンアルゴリズムが必要とするレートでセンサデータを提供できる接続である、各センサ向けに使用する最適なMCUインターフェースを見つけることです。 この記事での設計例では、電池動作が想定されるため、低電力も重要な要件となります。 したがって、制限された電力で最も多くのデータと最も多くの処理機能を得ることが主な設計目標です。

図1：環境モニタセンサの簡素化したブロック図。

オーディオ、温度、圧力、加速度、振動、および湿度センサはすべて、MCUに直接接続されます。 ワイヤレス接続、おそらくBluetooth Low Energyなどの低電力短距離規格により、センサは、集合ユニットを介してデータをクラウドに供給することができます。 アルゴリズムの強化またはメンテナンスの更新は、クラウドからのMCUコード更新をダウンロードすることで行うことができます。 これらの更新は、センサ寿命を延長するか、または異なる条件または変化する要件向けにセンサをリセットするのに使用できます。

各センサには、速度、待機時間、電力、および測定周波数に関して異なる制約があります。 主な設計タスクは、必要とされるデータで、最適な時間で、かつ消費電力を最小限に抑えて、フュージョンアルゴリズムを提供するように、これらのインターフェースを最適化することです。 最適な接続を決定する出発点は、低速コネクティビティおよび高性能コネクティビティ要件を分離することです。

低速コネクティビティ

多くのセンサは高速コネクティビティを必要としないため、UARTなどの従来の低速シリアルインターフェースを使用する可能性があります。 この記事での設計例では、圧力センサが、UARTスタイルのインターフェースを使用し、毎秒数回のみ通信を行うことを想定しています。 このレートは通常、長期に及ぶ、そして突然の圧力変化を追跡するのに十分以上です。  UARTインターフェースの使用は、おそらく非直感的な設計上の問題を設計にもたらす可能性があります。 周波数が低いため、電力要件も低いことを予期するかもしれません。 残念ながら、伝送周波数が低いため、UARTが長い間アクティブである必要があるという状況に遭遇する可能性があります。 UARTがアクティブである間、電力が消費されます。

この記事での設計例に必要なのは、アクティブな時にわずかな電力を使用し、必要でない時に簡単にターンオフできる電力効率の高いUARTペリフェラルです。 現在、複数のMCUには、これらの特性を備えた専門化された低電力UARTが含まれており、下記の図2にあるSTMicroelectronicsの低電力UARTは、UARTがいかに高い電力効率を実現できるかを示しています。

図2：STM32L低電力UARTのブロック図。 （STMicroelectronicsの提供）

データレジスタの伝送、データレジスタの受信、レジスタの制御、ボーレート選択、および全体的な制御ユニットといった一般的なUART機能はすべてこのブロック図で明らかですが、簡単に気づかない点は、MCUが低電力ストップモードにある時でもUARTが動作できることです。 UARTは、受信データフレームを待機し、割り込みでストップモードからMCUをウェイクすることができます。 次に、CPUはデータをメモリに移動するか、またはセンサフュージョンアルゴリズムでUARTデータが重要な要素である場合に直ちに処理を開始することができます。  低電力UARTペリフェラルは、CPUがストップモードにある間にデータを受信できるため、転送中に必要な電力量は大きく低減され、電力効率を大幅に向上します。 MCUに接続する必要がある低速シリアルインターフェースをお持ちの際は、類似の低電力機能をお探しください。

高性能コネクティビティ

いくつかのセンサアプリケーションにおいて、頻繁にまたは高データレートでセンサデータにアクセスすることが重要です。 この記事での設計例では、オーディオセンサは最高の帯域幅を必要とします。 光、温度、圧力、および位置などの他のタイプのセンサは、変化する頻度が低いため、はるかに低いレートでモニタできます。 ほとんどのMCUで提供される高速インターフェース向けの複数の選択肢があり、一般的な選択肢としてSPI、QSPI、およびI²Cがあります。 1例として、AtmelのSAM4S4A MCUは、複数のチャンネルを備えたSPIおよびI²Cをサポートします。 このデバイスのさらなる機能として、非常に低い電力モードでもSRAMを保持できるため、センサデータパケットが、SRAMに保存されている時に失われないことがあります。 低電力が最優先の懸念事項である時に、この機能をお求めください。

多くのMCUは、一般的なI²Sオーディオインターフェースをサポートし、多くの場合、これはオーディオ処理アプリケーション向けに明らかな選択肢です。 現代のオーディオコーデックは一般的に、複数のインターフェースをサポートするため、アプリケーションに適したインターフェースを選択することができます。 Texas InstrumentsのTLV320AIC3254ステレオオーディオコーデック（図3）は、I²S、I²C、およびSPIをサポートし、各種のインターフェースオプションを提供しています。

図3：Texas Instrumentsのオーディオコーデックは、複数のシリアルインターフェースサポートを提供します。 （Texas Instrumentsの提供）

I²Sインターフェースは、アプリケーションでオーディオデータをストリーミングする際に優れた選択肢です。 工場現場での人員へのサウンド暴露の規制に環境が準拠していることをテストする方法として、この記事での例で、オーディオレベルおよび周波数をセンサがまれに（おそらく多くても1秒に1回）測定する必要があることを想定しましょう。 いかなるデータも逃さずに、他の測定を妨げることなく、ほんの一瞬のサウンドをキャプチャすることが重要です。 I²Sインターフェースは、この場合に優れた選択肢であり、他のI²CまたはSPIポートからの独立した動作を実現します。

また、I²Sはオーディオキャプチャの期間のみオンであるため、I²Sの使用により、消費電力を最小限に抑えることができます。 多くの場合、I²Sは、データがすべてキャプチャされ、処理する準備ができるまでCPUを低電力モードにおくことができるように、DMAとともに使用できます。 あるいは、データがキャプチャされている間、CPUはデータを処理することができます。 これは、オーディオ機能の合計「オン時間」が低減される場合、最終的に電力を低減するかもしれません。 設計でこれらの2つのアプローチを考慮し、要件に最善な効率のアプローチを選択してください。

アナログの重要性

多くのセンサがシリアルインターフェースを使用するとしても、多くのセンサアプリケーション向けにシンプルなA/Dコンバータ （ADC）を使用できることを忘れないでください。 いくつかのADCはCPUから独立して動作でき、これにより、変換が行われている間、CPUを低電力モードにおくことは容易になります。 たとえば、STM32F4 MCUには、キャプチャされたデータをメモリに直接移動するためのダイレクトメモリアクセス（DMA）コントローラを使用できるADCがあります。 また、CPUの介入なしで定期的な測定を容易に行えるように、タイマカウンタブロックを介してADCを開始することができます。 これらが、図4におけるSTM32F4 ADCのブロック図の下部にあるトリガ信号をスタートします。

図4：STMicroelectronicsが提供するSTM32F4 MCU ADCのブロック図。 （STMicroelectronicsの提供）

効率をさらに向上するために、アナログウォッチドッグ機能は、1つの、いくつかの、またはすべての選択されるチャンネルの変換される電圧を非常に高精度にモニタリングすることができます。 変換される電圧が、プログラム閾値外である時、割り込みが生成されます。 これは特に、「安全」圏の外に測定が外れない限り、CPUがアクティブである必要はないため、この記事での環境モニタリング設計例で有用です。 これにより、消費電力が低減し、主要な処理要件にCPUが重点を置くことができます。

結論

センサフュージョン設計向けに、CPUオーバーヘッドを低減する効率的なインターフェースが非常に重要です。 重要なイベントを特定するために、データをまとめるか、または融合するアルゴリズムでさまざまなセンサデータをCPUが処理できるように、CPUを解放することで、インテリジェントなセンサフュージョンデバイスが実現します。 これらのスマートデバイスは、モノのインターネット環境の拡大において非常に重要な要素です。

この記事で扱っている部品の詳細については、このページにあるリンクを使用して、DigiKeyウェブサイトの製品ページにアクセスしてください。