Les capteurs intelligents permettent d'économiser de l'espace et de l'énergie

Les consommateurs s'habituent rapidement aux fonctionnalités les plus avancées des smartphones et tablettes actuels. La vie moderne dépend de plus en plus de la détection instantanée du contexte et de la localisation. À leur tour, les utilisateurs demandent toujours plus aux dispositifs intelligents, utilisés dans divers domaines, notamment les processus industriels et la santé. Une conception intelligente du matériel et des logiciels est essentielle pour garantir la vitesse et la précision requises, tout en respectant les contraintes strictes en ce qui concerne la taille du système et sa consommation d'énergie.

Connexion de capteurs

Les capacités sophistiquées telles que le suivi des mouvements et la localisation sont la clé des nouvelles fonctionnalités et applications dans l'équipement grand public. Elles contribuent à créer de nouvelles opportunités de marchés, comme dans le domaine en pleine expansion des dispositifs corporels. La détection avancée augmente également les attentes sur l'équipement comme les applications d'automatisation industrielle, de surveillance médicale des patients et Internet des objets (IoT), à mesure que les utilisateurs demandent des fonctionnalités intelligentes et un comportement autonome et sensible au contexte.

Les capteurs de microsystèmes électromécaniques (MEMS) compacts, tels que les accéléromètres, les gyroscopes et les magnétomètres, sont la principale technologie permettant le suivi des mouvements et la localisation dans les dispositifs portables, à des niveaux de prix grand public.

Les demandes des utilisateurs finaux pour une plus grande précision et de meilleures performances sont satisfaites en utilisant ces capteurs de manière combinée, puisque chaque type de capteur individuel est soumis à des limites. Un accéléromètre, par exemple, peut fournir une détection de l'orientation et de l'inclinaison de base, et suivre le tangage et le roulis si le dispositif n'est pas en mouvement. L'ajout d'un gyroscope permet de mesurer de manière précise des mouvements plus complexes tels que le tangage et le roulis lorsque le dispositif est en mouvement ou en rotation à haute vitesse. D'autre part, un magnétomètre permet de corriger les erreurs de rotation de l'accéléromètre en surveillant les mouvements relatifs au nord magnétique, mais présente une bande passante limitée et est vulnérable aux interférences électromagnétiques externes.

La fusion de capteurs associe les sorties de plusieurs capteurs dans un système pour surveiller avec précision des mouvements rapides et complexes à des fins de contrôle des gestes ou de capture des mouvements corporels, pour les jeux ou la recherche. En fonction de l'application, il est recommandé d'effectuer la fusion de capteurs dans le processeur principal, dans un concentrateur de capteurs externe ou directement dans le capteur. Des facteurs tels que la consommation énergétique, les contraintes de taille, l'autonomie de la batterie et les ressources de traitement ont une influence considérable sur la décision.

Microcontrôleur utilisé comme concentrateur de capteurs

Il est possible d'exécuter des algorithmes de fusion dans un microcontrôleur qui fait office de concentrateur de capteurs. Atmel a collaboré avec des partenaires travaillant dans le domaine des capteurs tels que Kionix et MEMSIC pour développer des solutions de fusion de capteurs pour ses microcontrôleurs, par exemple le microcontrôleur ARM® Cortex®-M0+ SAM D20 ou le SAM G53 équipé d'un cœur ARM Cortex-M4. Cela permet de simplifier l'intégration de capteurs tels que les accéléromètres MEMS KXCJ9 de Kionix ou MXC62320 de Memsic. Ces microcontrôleurs prennent en charge SleepWalking et Atmel Event System, qui permettent d'économiser de l'énergie lorsqu'ils font office de concentrateurs de capteurs. SleepWalking permet d'arrêter toutes les fonctions et horloges, tandis que les périphériques conservent la capacité d'activer des composants du système de manière asynchrone. Event System permet à des périphériques de répondre à des événements tels que la réception d'un signal de capteur sans l'intervention du processeur, optimisant ainsi l'utilisation du mode veille du microcontrôleur.

Économies d'énergie

La consommation énergétique devient de plus en plus importante pour les ingénieurs qui développent des systèmes de détection de mouvements. Les applications basées sur le mouvement, omniprésentes de nos jours, particulièrement dans des dispositifs corporels tels que des montres connectées ou des lunettes intelligentes, nécessitent une détection active permanente, malgré la demande supplémentaire que cela peut avoir sur la batterie. Les derniers développements en termes de systèmes d'exploitation mobiles en sont l'illustration. Google a révisé en profondeur les fonctionnalités de gestion de capteurs dans la version 4.4 du système Android pour permettre une plus grande utilisation de la reconnaissance de contexte et de la localisation en temps réel, sans imposer une consommation excessive de la batterie. Des fonctions de podomètre telles que la détection et le calcul du nombre de pas doivent être exécutées en arrière-plan. En outre, les API ont été révisées pour améliorer la gestion des capteurs et éviter l'activation du processeur principal de l'application par de faux déclenchements.

La version 4.4 du système Android illustre la manière de transférer la responsabilité de la gestion de capteurs dans le concentrateur de capteurs ou même directement dans le capteur. Les calculs de fusion de capteurs sur des sorties d'accéléromètre et de gyroscope doivent être exécutés entre des interruptions lorsque le processeur principal d'application est en veille. Par ailleurs, un mode de regroupement permet au concentrateur de capteurs de mettre en tampon les résultats de la fusion et de les envoyer uniquement lorsque le processeur d'application est activé par un événement de capteur important.

STMicroelectronics a amélioré davantage ce concept de regroupement dans son microcontrôleur STM32F411, basé sur le cœur ARM Cortex-M0. Le microcontrôleur implémente son propre mode d'acquisition par lot (BAM), qui permet d'économiser de l'énergie lorsqu'il est utilisé comme concentrateur de capteurs, en stockant les données du capteur directement sur une mémoire SRAM sur puce tandis que son cœur de processeur est en veille. Le cœur est activé brièvement pour traiter les données stockées avant de repasser en mode d'économie d'énergie. D'autres fonctionnalités d'économie d'énergie telles que le mode Flash STOP, l'exécution sans attente et l'ajustement de tension rendent ce dispositif attrayant pour une utilisation dans des applications comme les contrôles industriels, les appareils de surveillance médicale, l'immotique et les technologies corporelles, en plus des smartphones et des tablettes.

Réduction de l'espace carte

Les modules de capteur, notamment les modules à 6 axes comme le FXOS8700CQR1 de Freescale, qui combine un accéléromètre à 3 axes et un magnétomètre à 3 axes, fournissent une solution compacte et pratique qui intègre les fonctions de deux capteurs de mouvements. Le module FXOS8700CQR1 présente un traitement numérique des signaux intégré qui prend en charge des fonctions d'événements programmables embarquées comme la détection des chutes, la détection d'impulsion/de toucher, la détection d'orientation et la détection magnétique, pour améliorer des applications telles que la navigation en intérieur, le contrôle d'interface utilisateur ou la surveillance des vibrations et des chocs dans l'équipement industriel. La Figure 1 illustre les blocs principaux et les fonctions DSP de ce dispositif. En complément du portefeuille de capteurs MEMS de Freescale, la bibliothèque de fusions de capteurs (Sensor Fusion Library) pour microcontrôleurs Kinetis fournit des fonctions avancées pour calculer l'orientation du dispositif, l'accélération linéaire et les interférences magnétiques sur le microcontrôleur connecté au module de capteurs.


Figure 1 : Le traitement numérique des signaux embarqué dans le module FXOS8700CQR1 exécute un traitement de base sur les données de capteurs d'accéléromètre et magnétiques.

InvenSense a implémenté une unité DMP (Digital Motion Processor) avec un gyroscope à 3 axes et un accéléromètre à 3 axes dans son dispositif de suivi de mouvement MPU-6500™, comme illustré dans la Figure 2. Le DMP permet d'exécuter des algorithmes de traitement des mouvements avec une faible latence et propose plusieurs fonctionnalités, notamment la reconnaissance des gestes avec des interruptions programmables, un algorithme de rotation d'écran basse consommation qui permet de calculer l'orientation de l'écran sans intervention du processeur principal, et un podomètre pouvant gérer le nombre de pas lorsque le processeur hôte est en veille.


Figure 2 : Le MPU-6500 intègre la première génération de DMP d'InvenSense, qui permet de libérer le traitement de fusion de capteurs d'un concentrateur de capteurs.

Orientations futures

Le DMP intégré dans le MPU-6500 d'InvenSense annonce l'arrivée d'une nouvelle génération de capteurs capables d'exécuter une fusion de capteurs plus étendue sans aucun concentrateur de capteurs connecté. Le traitement de fusion de capteurs dans le module de capteur permet de réduire la consommation énergétique du système, de réduire les temps de réaction et de simplifier la conception de l'application. Des économies sont également possibles en termes de nomenclature et d'espace carte. InvenSense et ST ont tous deux annoncé des modules inertiels à 6 axes qui répondent aux exigences du système Android 4.4, présentant un traitement de mouvements intégré qui libère le processeur d'application et le concentrateur de capteurs.

Conclusion

Avec une demande croissante en termes de fonctionnalités sensibles au contexte dans une large gamme d'applications et de marchés, des approches sur la connexion des capteurs sont méticuleusement étudiées et de nouvelles techniques permettant d'économiser l'énergie et de réduire le nombre de composants émergent. Les derniers systèmes d'exploitation mobiles illustrent la manière de réaliser une détection « toujours active » avec une consommation énergétique supplémentaire minimale.