Akzelerometersteuerung FPGAs, mit denen Smartphone-Sensoren Veränderungen erfassen

Die Consumerelektronik verbaut immer mehr Sensoren. FPGAs in Verbindung mit Akzelerometern, die Umgebungsveränderungen erfassen, eröffnen neue Möglichkeiten für Smartphone & Co.

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Die Hersteller überbieten einander mit immer spannenderen Funktionen, die ihre verschiedensten Geräte immer anwenderfreundlicher machen. In einem aktuellen Smartphone findet sich sicher ein Dutzend Sensoren, und weil der Smartphonemarkt schnell wächst, wächst auch der Sensormarkt so rasch wie nie zuvor.

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Das Internet der Dinge, Wearables, mobile Medizingeräte der nächsten Generation und Funksensornetze – all das ist möglich geworden durch den immer stärkeren Einsatz von Sensoren. Und wir stehen hier erst am Anfang der Entwicklung. Schätzungen zufolge wird der Sensormarkt im Jahr 2016 ein Volumen von 16 Mrd. Einheiten erreichen (Quelle: Yole).

Sensoranwendungen erfordern stromsparende Bauteile

Die Anwendungen, die mit Sensoren arbeiten, sind höchst unterschiedlich. Eines haben sie aber alle gemeinsam: Man möchte sie ständig im Betrieb haben, benötigt dafür also Bauteile, die extrem wenig Strom verbrauchen. Heutige Spitzen-Smartphones haben typischerweise etliche Sensoren eingebaut, namentlich Barometer, Thermometer, Gyrokop, mehrere Kameras, einen berührungsempfindlichen Bildschirm, Akzelerometer, Magnetometer und GPS, um nur einige zu nennen.

Zukünftige Smartphones werden vermutlich noch über viel mehr Sensoren verfügen mit weiteren Funktionen, etwa für die Überwachung von Körperfunktionen. Smartphones und andere Geräte kombinieren zwar viele Sensoren in einem Gerät, bieten ihnen also eine gemeinsame Hülle, die einzelnen Sensoren verfügen aber jeweils über eine eigene Hardware und bilden ein eigenes Sensor-Subsystem.

Bereits ein einzelnes solches Sensorsubsystem liefert eine Menge interessanter Daten, manchmal aber entsteht erst aus der Kombination der Daten mehrerer Sensoren eine attraktive Anwendung.

Sensorsubsysteme benötigen Steuerchips

Mit den Daten eines Gyroskops, eines Akzelerometers und eines Magnetometers kann man beispielsweise ein Trägheitsnavigationssystem realisieren. Der spezielle Steuerchip eines Sensorsubsystems (typischerweise ein Mikroprozessor) kann nicht nur einen einzelnen Sensor steuern, sondern auch die Daten mehrerer Sensoren miteinander kombinieren. Leider verbraucht ein Mikroprozessor häufig zu viel Strom, wenn er ständig aktiv ist, das beschränkt seinen Einsatz.

FPGAs ermöglichen ständig aktive Gestenerkennung

Obwohl Smartphones seit einigen Generationen Sensoren eingebaut haben, nutzen nur wenige deren Möglichkeiten konsequent, denn das kostete zu viel Strom. Stünden beispielsweise Akzelerometer, Magnetometer, Barometer und Gyroskop ständig zur Verfügung, könnte man damit einerseits die Positionsbestimmung des GPS-Sensors verfeinern und andererseits eine Koppelanwendung für die Navigation in Gebäuden realisieren, die ständig aktiv wäre, ohne dass sie der Anwender speziell einschalten müsste. Die Komponenten für ein solches System sind in vielen Smartphones bereits vorhanden, ein Dauerbetrieb kommt aber im Moment noch nicht in Frage, weil sie zu viel Strom brauchen. Der Handyakku wäre in wenigen Stunden leer.

Und doch: Selbst angesichts der begrenzten Akkukapazität heutiger Smartphones könnte man mit FPGAs mit extrem niedriger Stromaufnahme eine Reihe Funktionen ständig eingeschaltet lassen. Abb. 1 zeigt den Einsatz eines FPGAs mit extrem geringer Stromaufnahme als Begleitchip für einen Host (Anwendungsprozessor oder Mikroprozessor zum Sensormanagement), mit dem man eine ständig aktive Gestenerkennung realisieren könnte. Man setzt unabhängige I2C-Master zur Ansteuerung der Sensoren ein, die sicherstellen, dass von jedem Sensor die richtige Menge Daten kommt.

Der dauernd eingeschaltete Sensormanager ist so programmiert, dass er ständig das Akzelerometer überwacht und so bestimmte Gesten erkennt. Hat der Sensormanager eine vordefinierte Geste erkannt, weckt er den Hauptprozessor auf, der dann eine bestimmte Handlung veranlasst oder andere Sensoren aktiviert. Bei diesem Ansatz bleibt der Host im Tiefschlaf, bis eine gültige Geste erkannt worden ist. Dadurch sinkt die Leistungsaufnahme des Gesamtsystems.

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