Människans uttalade vilja att kunna mäta, känna av, analysera och styra allt fler funktioner i sitt dagliga liv driver utvecklingen av sensorer.

Sensorerna har tagit plats i smartmobilen, där de än så länge främst används för att identifiera rörelse och gester i tre dimensioner. Likaså banar de väg för än fler innovativa bärbara elektronikprylar som ska stötta oss i det mesta vi gör. De har klivit in på industrigolvet samtidigt som de mutar in mer plats i våra bilar.

Sensorhubb kontra sensornod En sensorhubb är en krets som för några dollar samlar data från flera externa eller integrerade sensorer och bearbetar data från dessa. Uppgiften är att avlasta huvudprocessorn. En sensornod är snarare en enkel sensor som kan ha en egen processorkärna för att bearbeta data. Flera sensornoder kan således kopplas till en sensorhubb som konsoliderar sensoringångarna och levererar användbar information till värdprocessorn snarare än att bara erbjuda rå sensordata till applikationsprocessorn.

– Vi ser en enorm efterfrågan på sensorer. Framförallt är det tre områden som driver på – Internet of Things, fordon och konsumentprodukter i form av bärbar elektronik med allt mer funktionalitet, säger Jeanne Forget-Funk, marknadsansvarig på Bosch Sensortec.

Bosch Sensortec är den tyska elektronikjätten Robert Boschs dotterbolag som tillverkar mikromekaniska sensorer. Förra året lade företaget in överväxeln, tog sig förbi fransk-italienska ST Microelectronics, och är numera världens största tillverkare av minimala sensorer.

Men Bosch Sensortec erbjuder inte enbart sensorer. Även sensorhubbar som kombinerar olika sensorer med dataprocessning är på väg att bli en viktig produkt i det tyska företagets portfölj.

För ett drygt år sedan släpptes sensorhubben BNO055, företagets första medlem i en ny familj som inkluderar sensorer och sensorfusion i samma kapsel. Under skalet ryms en treaxlig 14-bitars accelerometer, ett treaxligt 16-bitars gyro, en treaxlig geomagnetisk sensor och en 32-bitars styrkrets. Till detta kommer företagets tredje generation programvara, kallad BSX3.0 FusionLib, med uppgift att bearbetar rådata från de olika sensorerna.

I våras lanserade Bosch Sensortec och Hillcrest Labs en sensor-lösning, BNO070, speciellt framtagen för videoglasögon. Den kan exempelvis styra rörelse, fungera som kompass, räkna steg, känna igen gester samt förmedla utökad realitet med projicerade bilder eller video. Kretsen inkluderar Hillcrest Labs mjukvara för videoglasögon liksom accelero-meter, gyro, magnetometer och en 32-bitars processor.

För bara någon månad sedan avslöjade dock företaget ett nytt grepp som bygger på ett samarbete med amerikanska Hillcrest Labs, som utvecklar mjukvaran SH-1 för energisnål sensorfusion. Kretsen sprungen ur det nya samarbetet, kallad BNO070, bygger på fjolårets release men är en skräddarsydd sensorlösning för videoglasögon (Head Mounted Display, HMD).

De första proverna av BNO070 är på väg och väntas nå nyckelkunder under mitten av detta år.

– Vi vill nå ut ännu snabbare på marknaden, därav samarbetet med Hillcrest Labs vars mjukvara är optimerad för HMD-tilllämpningar. Detta är vårt första samarbete av denna typ, men vi är öppna för att göra likadant inom andra områden, säger Jeanne Forget-Funk till Elektroniktidningen.

För Hillcrest Labs – som tillhör ledarna inom sitt gebit – är detta självklart en fjäder i hatten. Företagets programvara går att få som en nyckelfärdig lösning med Atmels färska SAM D20 Cortex M0+, men är även kompatibel med andra MCU:er baserade på Arm Cortex M0+, M3 och M4.

SH-1 kan skräddarsys för en mängd tillämpningar förutom videoglasögon, exempelvis smartmobiler, annan bärbar elektronik och IoT-produkter. Genom de inbyggda energisparfunktionerna påstås den kunna hantera det man kallar always-on-avkänning utan att göra avkall på prestanda.

– Det som driver utvecklingen av nya arkitekturer som sensorhubbar är kravet på lägre energiförbrukning när data från allt fler sensorer måste processas. Alla delar behöver effekt, men för att ekvationen ska gå ihop när antalet sensorer ökar måste effektförbrukningen optimeras i varje detalj, förklarar Chade Lucien, marknadsansvarig på Hillcrest Labs.

Sensorhubbarkitekturen har från början utvecklats för att avlasta den energislukande applikationsprocessorn i smartmobiler. Idag finns det lösningar i flera kulörter. Vissa tar enbart hand om grundläggande sensorkalibrering och sensorfusion, medan andra inkluderar effekthanteringslogik, sköter drivningen av sensorerna – ibland upp till tio stycken – och hanterar always-on-funktioner.

Amerikanska Atmel är ledande när det gäller styrkretsar för sensorhubbar. Företaget har samarbete med utvecklare av sensorfusionprogramvara, som Hillcrest Labs men också Sensor Platforms, liksom med sensortillverkare som Bosch, Intersil, Memsic och Sensirion. Boschs kommande BNO070 innehåller exempelvis en M0+ från Atmel.

Likt Hillcrest Labs betonar Atmel energieffektivitetens betydelse. För drygt ett halvår sedan introducerade företaget också den extremt energisnål kärnan SAM D20 Cortex M0+.

– SAM D20 är den första av många kommande enheter från oss som är skräddarsydd för just sensorhubbar. Den är flexibel med intelligenta periferienheter liksom dedikerad hårdvara som stöder touch-ingångar, säger Reza Kazerounian, ansvarig för styrkretsar på Atmel.

Nykomlingen utnyttjar företagets patenterade energispartekniken Event System, som tillåter periferienheter att direkt kommunicera med varandra utan att involvera CPU:n. Därmed passar den att använda i batteridrivna tillämpningar.

Maratonlöpare tror att bärbar elektronik hjälper dem till framgång – det blev tydligt i –Freescales undersökning av 500 aktiva löpare som tränare för -maraton och som redan använder någon form av elektronik. Av de tillfrågade använder redan 74 procent elektronik (wearable techno-logy) i sin träning, medan 88 procent planerar att göra det. Samtidigt ansåg 78 procent att elektroniken ger dem en konkurrensfördel, medan 88 procent använder tekniken för att motivera sig. Figuren avslöjar vad löparna önskar sig av den bärbara elektroniken för att nå bättre resultat.

Freescale jobbar i samma anda, men företaget påstår sig vara först med en sensorhubb som kan programmeras med kundspecifika tillämpningar och algoritmer. Lösningen, FXLC95000CL Xtrinsic, är en rörelseavkännande plattform som integrerar en accelerometer och en 32 bitars Coldfire-kärna som kan hantera upp till 16 sensoringångar.

På samma sätt som Atmel samarbetar Freescale med mjukvaruföretag som Hillcrest Labs.

– Freescale fokuserar vanligen på signalbehandlingen, medan de externa företagen som implementera sin mjukvara i våra sensorhubbar snarare fokuserar på tillämpningen. Det är en vinn-vinn-situation, förklarar Marc Osajda, marknadsansvarig för sensorer på Freescale.

Samtidigt flaggar han för behovet av ännu kraftfullare signalbehandling. I och med att sensorerna blir mer avancerade, drar mindre energi och serveras i ännu mindre kapslar till ett lägre pris kommer de att packas tätare i framöver.

– Algoritmerna som hanterar sensorfusion kommer att expandera exponentiellt. Detta betyder mer datorkraft och mer minne. För tillfället ser jag inte behov av att använda flera processorer i en sensorhubb. Däremot är det mycket sannolikt att flerkärniga processorer kommer att börja användas, säger Marc Osajda.

Sensorhubbar ser en extrem tillväxt Analysföretaget IHS Technology pekar på en explosionsartad tillväxt för sensor-hubbar under de närmaste åren. Under femårsperioden 2012 till 2017 kommer antalet sålda enheter att mer än tiofaldigas. Hubbarna har kommit till för att avlasta huvudprocessorn i mobiltelefoner och läsplattor, men framåt är det den stundande sensorrevolutionen – pådriven av allt mer uppkopplade bärbara prylar (wearables) och Internet of Things – som piskar på utvecklingen. Enligt IHS Technology kan sensorhubbarna delas upp i tre grupper: • Dedikerad styrkretsar. Atmel, ST Microelectronics, Texas Instruments, NXP mfl utvecklar denna typ av kretsar, medan smartmobiler som Apple Iphone 5s, Samsung Galaxy S5 och Motorola Moto X använder dem. • En energisnål processor i kombination med en eller flera sensorer, oftast med ingångar till ytterligare externa sensorer. Bosch, Freescale, ST Microelectronics, Kionix och InvenSense utvecklar denna typ av kretsar. • En energisnål kärna som en del av en applikationsprocessor. Qualcomm, Intel och Nivida erbjuder detta, men IHS hävdar att även Samsungs Exynos, Mediatek och Hisilicon är på väg in i leken. Den sistnämnda strategin är den som är mest praktisk i smartmobiler, medan de övriga kan göras betydligt mer energisnåla. På senare tid har det även dykt upp FPGA-baserade lösningar. Exempelvis erbjuder Quicklogic en sådan som företaget hävdar blir energisnålare än de mer vanliga MCU-varianterna. Oavsett utformning, så är energisnåla sensorhubbar helt avgörande för att stödja den sensorexplosion som vi står inför inom bärbar elektronik, smarta hem, bilindustrin och så mycket annat, menar IHS.