Yan Vainter, Freescale

שיפור איכות החיים של מיליוני אנשים ברחבי העולם יכול היה להיות משימתם של מהנדסים אלטרואיסטים רבים, אך לא די ברצונותיהם ובמאמצים שלהם. רוב האנשים שיש להם סיכוי להפוך רצון כזה למציאות, הם אנשים רגילים, כמוך וכמוני, שעובדים בארגונים ודואגים לפרנסתם ולרווחיהם במאמצים יום-יומיים. על אף שאולי אין לנו הגדרות טהורות לשיפור איכות חיים, ההחלטות שקובעות מה יהיה עולמנו, אלו שאנו מחליטים מידי יום, משפיעות על רווחתם של אחרים – על כן מוטב שנחליט החלטות טובות.
מתן השראה לדור הבא של ההתקנים הרפואיים הביתיים היא אחת מהשאיפות שלי, ועבודתי בחברה שיכולה לאפשר את הגשמתם של מוצרים נפלאים משרתת את הייעוד שאני רואה לעצמי. כותרות חדשות בעיתונים שמבשרות על עלויות שירותי הבריאות המאמירות אינן מפתיעות כל כך, במיוחד לא כשלוקחים בחשבון את הזדקנות האוכלוסייה, שלה נדרשים שירותים רפואיים טובים יותר על מנת להאריך ולהיטיב את איכות החיים ככל האפשר. לרוע המזל, ייתכן שמודל שירותי הבריאות המסורתי שלנו אינו בר קיימא, בעיקר אם לוקחים בחשבון את הכלכלה הכרוכה בשירותי בריאות טובים, וכך נוצר הצורך להמציא את המודל מחדש ולהפוך אותו לאופטימלי, לא רק עבור החולים והאוכלוסייה המבוגרת אלא לטובתנו אנו ולטובת הילדים שלנו.

איור 1: משפחת Kinetis K50

מהר יותר, טוב יותר וכדאי יותר מבחינת העלות
שוק שירותי הבריאות אינו שונה במהותו משווקים אחרים במונחים של דרישה למוצרים טובים יותר וכדאיים יותר בעלותם; כל מי שלוקח חלק בשוק תחרותי יודע להעריך את דחיפת המוצרים לשוק כאשר היא מהירה יותר מזו של המתחרים. סוג זה של מחשבה מניע רשויות הסדרה, כדוגמת מנהל המזון והתרופות של ארה”ב (FDA), ומעריך מחדש את כמות הזמן והמשאבים הנדרשים למתן אישור להוצאת מוצר חדש לשוק. לדעתי, שינוי החוקים יכול לפעול למען שינוי בהתנהגות השוק, בדרך של עידוד חברות קטנות ומוצרים חדשניים, על מנת להגיע ללקוחות רבים יותר בזמן קצר יותר.
לפני חמש עשרה שנים רק למעטים הייתה היכולת לחזות כיצד יתפתח שוק הטלפונים הניידים או הגידול השערורייתי של הדרישה למחשבי לוח (tablet). הלקוחות של התקני בריאות מצפים מהיצרנים לספק מוצרים רפואיים טובים יותר וכדאיים יותר בעלותם, ולא מעניין אותם אם קבלת האישור עבור התקן רפואי אורכת זמן רב יותר מאשר קבלת האישור עבור טלפון נייד, ובכל זאת, הם יקבלו בהערכה רמה מסוימת של שילוב בין שניהם. התקנים רפואיים ביתיים נמצאים במסלול התפתחות למוצרי צריכה. מי שאינו מאמין, יכול לעיין בחדשות העוסקות בשיתוף הפעולה בין יצרני הרכב לבין יצרני ההתקנים הרפואיים.

כיצד אפשר ליצור מוצרי בריאות מהירים יותר, טובים יותר וכדאיים יותר בעלותם
אני מקווה שהקוראים מסכימים שיש הזדמנויות רבות לשנות את שוק התקני הבריאות ולשפר אותו. לדעתי, תחום זה הוא אחד מבין אלה שהחדשנות מוערכת באמת. צפיתי בכמה חברות שהצליחו, כאשר נקטו בהנחה שאפשר להמציא מחדש ולשפר את התקני הבריאות על ידי זיהוי הזדמנויות השיפור בתחומים הבאים:
א.  חופש נרחב יותר: החיים היומיומיים לא נפסקים לעולם ועלינו להיות מסוגלים לבצע את שגרת יומנו גם כאשר אנו חולים. אנשים מבקרים אצל רופאים כבר אלפי שנים. כיום מצויה בידנו הטכנולוגיה שמאפשרת את שינוי הדינמיקה. אנשים רבים לא האמינו בספרים האלקטרוניים (e-book), עד שניסו להשתמש בהם. לאחרונה קניתי לאבי קורא ספרים אלקטרוני נייד. הוא ממש אוהב אותו, על אף שקרא בימי חייו כמה מאות ספרים עשויים נייר. אגב, הוא עודו קורא ספרים העשויים נייר, הוא אינו קיצוני, אך הספר האלקטרוני שלו מעניק לו גישה מהירה יותר, מבלי שיהיה עליו לנסוע לחנות הספרים. מעקב אחר חולים מרחוק והשגחה רפואית יכולים לתת למטופלים כוח ולאפשר להם גישה נרחבת יותר לשירותי הבריאות, ואני, למשל, מוכן לנסות אותה על עצמי ועל אבי.
ב. התקני בריאות עם יכולת פעולה הדדית (interoperable) וקישוריות הדדית (interconnectivity) עם מוצרי צריכה: שירותי בריאות אינם מיועדים רק לאנשים חולים. רפואה מונעת עולה ומתפתחת במהירות כתוצאה מהצורך המוגבר בהקטנת העלויות של החזקת מטופלים עם מחלות ניווניות כרוניות – אם רק נזכיר שתיים מהן – מטופלים עם סוכרת או מטופלים עם יתר לחץ דם. אם אדם מקיים אורח חיים מניעתי ומתעמל שעה אחת כל יום בריצה או בדיווש על אופניים, אפשר לדמות את ההתקן הנייד שלו כהתקן שנמצא בתקשורת עם מודד הצעדים (pedometer – מונה צעדים ומחשב את שרפת הקלוריות) ועם התקן ניטור קצב פעימות הלב שלו, שמבצע רישום מעקב אחר הביצועים וקובע יעדים ניתנים למדידה. באתו התקן ממש, מטופל הסובל מסוכרת או מיתר לחץ דם יוכל לקבוע קריטריונים לפיהם יהיו התרעות שיישלחו לבני משפחה או לשירות חירום, אם יתרחש אירוע שדורש התערבות. סוג תרחיש זה של קישור יכול להפוך ולהיות מציאות אם תתאפשר יכולת פעולה–הדדית בין התקנים רפואיים להתקני צריכה ניידים.
ג. קיצור של זמן היציאה לשוק בפרישה של התקני בריאות: אם נאמין שהתקני בריאות יהפכו להיות מוצרי צריכה, סביר להניח שגם זמן היציאה לשוק ידורג במקום גבוה יותר בסדרי העדיפויות של היצרנים. הזמינות של תוכניות תוכנה מוכוונות מוצרי בריאות ומוכנות לשימוש – כמו למשל מחסניות קישור המבוססות על פרוטוקולי יכולת פעולה הדדית, מערכות הפעלה לזמן אמת בעלות אמינות גבוהה, מנהלי התקנים לתצוגות גרפיות, כלים מודולריים לפיתוח חומרה אשר מאפשרים לבצע הערכה של התקנים היקפיים מרובים, משפחות ניתנות לשדרוג של מיקרומעבדים או מיקרובקרים ושירותים מוגברים כדוגמת הנחיה באמצעות מתן אישורי מנהל FDA – זמינותם של כל אלו יכולה להפחית כמה חודשים מזמן הפיתוח ולספק יתרונות תחרותיים ליצרנים של התקני בריאות.
ד.  תכונות מבדלות: ההצהרות “החדשנות מגלמת את הכל, אם כי העסקים כרגיל”, כך לדברי אלמוני או “הדרך הטובה ביותר לחזות את העתיד היא להמציא אותו” לפי אלן קיי, מעניקות לחברות השראה ליצור מוצרים ייחודיים עבור לקוחות קיימים וחדשים. קישוריות מהירה יותר, אמינה ומאובטחת יותר, ממשקי אדם-מכונה חדשניים, קלות גדולה יותר בשימוש בהתקנים, כל אלה עם מוצרים בעלי נצילות הספק גבוהה ודיוק גבוה ישנו שווקים מסורתיים כדוגמת שוק שירותי הבריאות.
ה. גודל מוקטן ועלויות מופחתות: האיזון בין פונקציונליות גבוהה ואינטגרציה רבה, גודל, משקל ועלות לא היה מעולם חשוב יותר עבור מוצרי צריכה. הצרכנים אימצו את אורח המחשבה הזה במהירות רבה וקבעו לפיו את סדרי העדיפויות בבחירות שבצעו, אף אם הוא היווה אתגר לנאמנות מסורתית למותגים. הספקים של יצרני ציוד מקור של מוצרי צריכה כמו למשל יצרני מוליכים למחצה נתונים תחת לחץ לפתח טכנולוגיה שמבצעת יותר עבור פחות. אם צרכנים פועלים לפי אורח מחשבה זה בבואם לרכוש חפצים טכנולוגיים רב תכליתיים, הם יצפו לפעול באותה צורה ביחס להתקני בריאות.

איור 2: שיפור אותות עם התקני משפחת Kinetis K50

תרחיש שימוש בטכנולוגיה
אם כך, כיצד אנו המהנדסים תורמים את תרומתנו לפיתוח של הדור הבא של התקני בריאות? בעבר ביקשנו לענות על שתי שאלות, האחת “למה אנו זקוקים?” והשנייה “כמה זה עולה לנו?”. ואולם, כעת עומדת בפנינו האפשרות לבחור בטכנולוגיה הנכונה ולהשתמש בה בדרכים חדשניות שיכולות להשפיע על החברה באופן חיובי. זה המקום שבו האחריות שלנו והבחירה שנבצע כמהנדסים באות לידי ביטוי.
אחת הטכנולוגיות הקיימות כיום היא משפחת מיקרובקרים Kinetis K50, מבית היוצר של חברת Freescale, שהוכרזה לאחרונה והמיוצרת בטכנולוגיה של 90 ננו-מטר. משפחה זו כוללת ליבת ARM® CotrexTM-M4 (עד 100 מגה-הרץ) עם תמיכה בפקודות עיבוד DSP. יכולת עיבוד DSP המשולבת בהתקני Kinetis מאפשרת לאנשי התכנון לממש אלגוריתמים מורכבים ולבצע פקודות בזמן קצר יותר. היא מקטינה את צריכת ההספק מאחר שהתקן רפואי נייד כדוגמת מד סוכר בדם יכול לעבור למצב שינה מייד בתום ביצוע חישוב. התקני Kinetis כוללים זיכרון הבזק (Flash) בגודל KB128 עד KB512 וזיכרון RAM סטטי (SRAM) בגודל של עד KB128. חברת Freescale מימשה במשפחת K50 את טכנולוגיית FlexMemory החדשנית. אפשר להגדיר את הקונפיגורציה של בלוק זה כזיכרון EEPROM ו/או כזיכרון הבזק ואפשר לגשת אליו בו זמנית עם זיכרון התוכנית הראשי. אפשרות זו חשובה עבור התקני בריאות ניידים כמו למשל מדי סוכר בדם, התקני ניטור לחץ דם, מודדי צעדים או התקני ניטור קצב פעימות הלב אשר שומרים כל העת נתונים בזיכרון. אפשר לממש שידור נתונים דרך ערוץ WiFi, ZigBee או BlueTooth תוך כדי שמירת מדידות זמן אמת, וגם לבטל את העלויות הכרוכות בזיכרון EEPROM חיצוני.
התכונה העיקרית המבדלת משפחה זו של מיקרומעבדים היא האינטגרציה של מנוע מדידות אנלוגי המורכב ממגברי שרת משובצים מסוג תמסורת עכבה (transimpedance) וכן גם ממודולי ממיר ADC וממיר DAC בעלי רזולוציה גבוהה. המשמעות של אינטגרציה זו היא שימוש בפחות רכיבים חיצוניים ומכאן במעגל מודפס קטן יותר, עובדה המתורגמת להפחתה בעלויות וגודל מוצר מוקטן.
ממיר ADC ל-16 סיביות מספק רזולוציה ודיוק גבוהים להרכשת אותות. שיפור אותות הוא תכונה חשובה עבור התקני בריאות ניידים אשר מודדים אותות בעלי משרעת (“אמפליטודה”) קטנה ותדירות נמוכה המופקים על ידי הגוף שאותם יש לקלוט כך שיש חשיבות לביצועים האנלוגיים. בהתקני משפחת K50 משולבים עד שני מגברי תמסורת עכבה, שבהם אפשר להשתמש לצורך יצירת מגבר מכשור (instrumentation amplifier) על מנת להקטין רעש או זרם לממיר מתח (חיישני מדידת תכולת החמצן בדם בדופק מספקים זרם). ההתקנים כוללים גם עד שני מגברי שרת להספק נמוך, שבהם אפשר להשתמש לסינון או להגברת אותות. כל ארבעת המגברים יכולים לשמש כמגברי שרת רב שימושיים. למגבר השרת יש תכונות נוספות שבאמצעותן אפשר לתכנת אותו כמגבר חוצץ (buffer), כמגבר הופך או לא-הופך עם מגוון של הגברים ללא תוספת של מעגל חיצוני. ממיר מספרתי לאנלוגי (DAC) ל-12 סיביות משובץ אף הוא במיקרובקרים והוא יכול לסייע לעורר או לזרז תגובות כימיות ברצועות של מדידת סוכר בדם או בגילוי חומצת חלב ובעוד אבחונים אפשריים. לבסוף, משפחת K50 כוללת מודול של ייחוס מתח על מנת להגדיל את הדיוק של ההתקנים ההיקפיים שבה בכך שהיא מספקת להם מתח ייחוס קבוע עם רעש נמוך.
ממשקי אדם מכונה של התקני בריאות ניידים חייבים להיות אינטואיטיביים כדי שהשימוש במוצר הסופי יהפוך להיות קל ופשוט. להשגת מטרה זו, אפשר להוסיף ליישום בקלות מסך מגע גרפי מסוג QVGA TFT LCD במקביל לשמירה על עלויות נמוכות ואספקת חוויה נעימה למשתמש. אם צריכת הספק נמוכה ועלויות נמוכות הן בעלות עדיפות גבוהה, מסכים עם מקטעי LCD בהתאמה אישית יכולים להיות פתרון מתאים במיוחד. אמנם, הוספה של תאורה אחורית לתצוגת LCD עם מקטעים מגדילה את צריכת ההספק, אך היא משפרת את האפשרות לצפות בה, (יש לקחת בחשבון שראייה עלולה להיות מגבלה, במיוחד אצל אנשים מבוגרים ואצל חלק מהסובלים מסוכרת). עבור אנשים מוגבלים בראיה, אפשר בקלות רבה מאוד לשלב התקן מסנתז דיבור. אפשר להשתמש בממיר DAC ל-12 סיביות כדי לדגום צלילים בסיסיים פשוטים והתרעות, ואם מעונינים בגרסה מפוארת, אפשר להשתמש במודול I2S לצורך תקשורת עם התקן CODEC חיצוני לאודיו, ואם נדרש, קבוצת פקודות עיבוד DSP הקיימת בהתקן ARM® CotrexTM מאפשרת עיבוד אודיו. במיקרובקרים משולב ממשק חישת מגע (TSI). מודול זה מתוכנן לצריכת הספק נמוכה ומאפשר שימוש במגוון רחב של אלקטרודות חישה כמו למשל לחצנים, מפסקים סיבוביים וזחלנים שאותם אפשר לממש עם רגישות גבוהה. אלקטרודות לחישת מגע מספקות יתרון של אפשרות לניקוי קל לעומת לחצנים רגילים, אפשרות שהיא מתאימה ביותר להתקני בריאות ניידים. השימוש באלקטרודות כאלה גם מקטין עד למינימום את הבלאי של המוצר ומפחית עלויות.
מה יכול מהנדס לעשות ללא כלים? Kinetis K50 נתמכת על ידי מערכת סביבתית נרחבת של כלים קניינית של Freescale ומאת שותפים צד שלישי והיא חלק מקהילת משתמשי ®ARM. חברת Freescale מספקת גם פלטפורמת פיתוח מודולרית מצוינת לחומרה: מערכת Tower. פלטפורמה חדשנית זו מאפשרת למהנדסים לבחור מודול בסיסי של מיקרובקר ולהוסיף כמה מודולים של התקנים היקפיים אשר כוללים, אם כי לא מוגבלים, קישוריות WiFi, USB, Ethernet וקישוריות טורית, ממירי ADC וממירי DAC חיצוניים בעלי רזולוציה גבוהה, מודולי תצוגת LCD במקטעים ותצוגת LCD גרפית, חיישני לחץ ומדי תאוצה ואף מערכת ממשק אנלוגית למערכת אלקטרוקרדיוגרף שנקראת MED-EKG ואשר תואמת למשפחת Kinetis K50. אפשר לרכוש בנפרד מודולים ולאפשר יצירה מהירה של אב טיפוס עם זמן תכנון מקוצר של החומרה מאחר שהשרטוטים וקובצי התכנון זמינים להורדה.
Freescale מספקת מחסנית USB משלימה עם סיווג של התקני בריאות אישיים אשר מאפשר קישוריות USB עם התקנים רפואיים, בכך שהיא תואמת לתקנים תעשייתיים רפואיים, כדוגמת  ®Continua Health Alliance. בנוסף, מערכת ההפעלה לזמן אמת רבת היכולת MQX ומחסנית Ethernet הן משלימות וזמינות עבור מיקרובקרים Kinetis K50 ועבור מיקרובקרים אחרים של חברת Freescale, ובכך מאפשרים לאנשי התכנון להגר בקלות בין משפחות של מיקרובקרים ובין ארכיטקטורות.
בקרי מיקרו אלה בעלי אינטגרציה גבוהה זמינים במגוון רחב של מארזים, חלק מהם בגודל קטן של 8 מ”מ x 8 מ”מ, והם מתאימים במיוחד להתקני בריאות ניידים כמו למשל התקני ניטור עצמאיים לבדיקת סוכר בדם, מדי חמצן בדם בדופק, התקני ניטור פעילות, התקני ניטור לחץ דם וחפיצים (gadgets) הנוגעים לנושאי בריאות להתקנים ניידים.

האריזה
אני עובד בחברה שחורטת על דגלה את תרבות “הבה ונבצע זאת”. אנו מאמינים שיש בידנו הזדמנות לתת השראה לדור הבא של התקני בריאות, למוצרים אשר מאפשרים ניטור מרחוק, בריאות באמצעות תקשורת ולשפר את הגישה לנתוני הרשומות הרפואיות מצד הרופא. הטכנולוגיה שלנו מאפשרת יצירה של התקני צריכה ובריאות חדשניים כמו למשל התקני ניטור פעילות קטנים יותר, אשר משולבים בהתקנים ניידים, ממשקי אדם – מכונה ידידותיים יותר למשתמש ויותר אינטואיטיביים עבור כל המטופלים וכן גם התקני אבחון וטיפול בעלי יכולת רבה יותר וכדאיים יותר בעלותם אשר יכולים לאפשר למיליוני אנשים גישה טובה יותר לבריאות. כל אלה תורמים לשחרור אנשים, ומאפשרים להם לחיות חיים מלאים יותר ובריאים יותר.

מאת: Yan Vainter, Freescale

1. הקדמה
את הארכיטקטורה הקלאסית עבור מערכות אולטרה–סאונד, עד השלב שבו נוצרת התמונה, אפשר להציג בדרך הנראית באיור 1. בדרך כלל, בארכיטקטורות כאלו, משתמשים בחומרה ייעודית כדי לבצע משימות של עיבוד אותות כגון עיצוב אלומות (beam–forming). גישה זו מקטינה את גמישות המערכת, כשהיא הופכת את העדכונים ללא מעשיים (למשל, הצגת מתמרים חדשים בעלי מאפיינים גיאומטריים שונים, עלולה לרמז על שינויים, שיכול היה להיות יעיל יותר בהרבה אם היו מבצעים אותם בתוכנה).
על מנת להעניק למערכת גמישות נוספת, אנו מציעים גישה של תוכנה, שבה כל עיבוד האותות מתבצע בתוכנה והתקני FPGA משמשים כמחברים פשוטים. באמצעות שימוש ברכיבי חומרה מהמדף מתאימים “כדי להתחיל” – ניתן לצפות לזמן קצר יותר הכרוך ביציאה לשוק (איור 2).
את הפתרונות של היום ל– 32 ערוצים, המתבססים על התקני FPGA, אפשר לחלק לקטגוריות שונות כפי שנראה בטבלה 1. בשעה שבקושי ניתן לממש פונקצית מיקוד ופונקצית חלון (Apodization) דינמיות, עם התקני FPGA בקנה מידה קטן בינוני וגדול, בהתקני FPGA מתקדמים מהרמה הראשונה, כמעט כל תכונה הופכת להיות ניתנת להשגה, ואלו האחרונים מותירים מאחור מרחוק ובפער גדול את איכות התמונה המתקבלת עם התקני קצה ברמה נמוכה ובינונית. בשל העובדה שאפשר לחשב מראש את מקדמי ההשהיה ופונקצית החלון, ולאחסן אותם בזיכרון, הגישה של מעבד DSP (מעבד אותות ספרתיים) יכולה להוכיח עצמה כיעילה בעת מימוש עיצוב האלומות, כל עוד עוצמת העיבוד מספקת.

במושגים של עלויות, למעבדי DSP יש יתרון ברור לעומת התקני FPGA ברמה גבוהה, והם מתאימים לשימוש בהתקני קצה מסדר גודל נמוך ובינוני. בפרקים הבאים נפרט כיצד ניתן לממש מיקוד דינמי ופונקצית חלון דינמי, תכונות שבדרך כלל קיימות בהתקני FPGA יקרים ואפשר לממש אותם גם בהתקני DSP שעלותם נמוכה (איור 3).
מעבד האותות הספרתיים שנבחר לצורך השוואה זו הוא MSC8156, התקן בעל שש ליבות מבית היוצר של Freescale Semiconductor שרווח בשימוש ביישומי פס בסיס, ביישומי קול וביישומי וידיאו.

2. ארכיטקטורה של MSC8156
על מנת לעמוד בקצב הנתונים הגבוה ולענות על צורכי המחשוב הדורשניים של יישום דימות רפואי באולטרה-סאונד, יש צורך לנתח את הארכיטקטורות של מעבדי DSP בהתבסס על חמישה קריטריונים חשובים: יכולת עיבוד מקבילי, רוחב פס של זיכרון, רוחב פס לכניסות ויציאות, קבוצת פקודות ומאיצי חומרה. המעבד MSC8156 של Freescale משמש ביישומים אלו עם ארכיטקטורה בעיבוד מקבילי, בעלת שש ליבות שפועלות ב- 1 ג’יגה הרץ, לכל ליבה יש ארבע יחידות לוגיקה אריתמטיות לנתונים (ALU), ובה ניתן לבצע עד ארבע פעולות אריתמטיות ולוגיות במחזור אות שעון יחיד, ועוד יחידות ליצירת כתובות,שבהן מתבצעות בדרך כלל פעולות חישוב במספרים שלמים ופעולות ליצירת כתובות (איור 4).

במונחים של זיכרון, ההתקן MSC8156 מאופיין בזיכרון מסוג M3 בגודל של 1 מגה ביית במערכת על שבב, עם מהירות תיאורטית של 8 ג’יגה סיביות בשנייה, ועם היכולת לחבר שני זיכרונות מסוג DDR3 בגודל של עד 1 ג’יגה ביית, כל אחד מהם עם רוחב פס תיאורטי של 12 ג’יגה ביית בשנייה.
מאחר שאנו מטפלים בקצבי נתונים גבוהים, בחרנו ב-Serial Rapid IO (ממשק כניסה יציאה טורי מהיר) כממשק הנבחר שלנו. למעבד MSC8156 יש שני חיבורים מסוג Rapid IO, אשר לכן, המהירות הנמדדת בשער אחד בכיוון אחד יכולה להגיע עד ל-9.11 ג’יגה סיביות בשנייה.
האלגוריתמים לעיצוב אלומות, כמו השהיה וסיכום, משתמשים בפעולות אינטרפולציה עם יכולות מימוש לפי פקודות בחבילות, כגון:

macd Da,Db,Dn Dn + (Da.L · Db.L) + (Da.H ·Db.H) ->Dn
mpyd Da,Db,Dn (Da.L · Db.L) + (Da.H ·Db.H) –>Dn

למצבים של דימות Doppler, כמו למשל Doppler ספקטראלי, המאיץ MAPLE–B מסוג התמרת פורייה מהירה (FFT) או מסוג התמרת פורייה מושהת (DFT) יכול להימצא מתאים. שעה שהמאיץ MAPLE מבצע התמרת פורייה מהירה, הליבות פנויות לביצוע מודולים עבור מצבי דימות אחרים.

3 – עיצוב אלומות
עיצוב אלומות עומד במרכזו של תהליך עיבוד האותות של כל התקן אולטרה–סאונד רפואי. הוא ממומש בדרך כלל ברכיבי FPGA וברכיבי ASIC בהתבסס על רוחב הפס הגדול ודרישות החישוב. החידושים האחרונים במעבדי אותות ספרתיים (DSP) פתחו את הדלת לעיצוב אלומות בשבבי עיבוד רגילים.
תמונות האולטרה-סאונד הרפואי נוצרות על ידי כך שראשית, בעת השידור, יוצרים אלומות אולטרה–סאונד ממוקדות, ולאחר מכן, בעת הקליטה, יוצרים תבניות של כיווניות (באותו כיוון כמו זה שנעשה עבור השידור). האזור הנסרק מכוסה על ידי אלומות סמוכות עם מרווח שמוגדר על פי הרזולוציה המינימלית הנדרשת. אלומות האולטרה-סאונד נוצרות על ידי הוספת השהיות לדפקים (פולסים) החשמליים שנשלחים לכל אלמנט, במטרה לבקר את תבנית הקרינה. בצד הקולט, הגישה דומה – האותות המגיעים מכל אלמנט מושהים באותה מידה כמו זו שבצד המשדר, והם מסוכמים יחד. פאזת ההשהיה מבטיחה שהגלים / האותות נמצאים כולם בפאזה ולא מתקיים חיבור הורס (איור 5).
את תהליך עיצוב האלומות אפשר לנסח בצורה נאותה בנוסחה הבאה:

כאשר, N הוא מספר האלמנטים,  הם מקדמי פונקצית החלון (apodization) (משוקללים),  הם ההדים המתקבלים, ו-  מציין את ההשהיות. בהקשר זה, אנו מדברים על מיקוד דינמי ועל פונקצית חלון דינמית, מפני שהשהיה ומקדמי פונקצית החלון בהתאמה, הם פונקציות של הזמן.
הצעד הראשון שנדרשים לעשות כאשר מנתחים עיצוב אלומות הוא הגדרת הפרמטרים הפיסיקאליים של המערכת והגדרת התכונות שהיא אמורה לכלול. אנו נשקול מערכת בת 30 ערוצים עם ממירי אנלוגי לספרתי (ADC) שפועלים ב-32 מגה הרץ וברזולוציה של 16 סיביות עבור תדר מרכזי של 2 מגה הרץ. עבור המקרה לדוגמה שמוצג כאן, נלקחו בחשבון מיקוד דינמי ופונקצית חלון דינמית עם עדכוני מקדמים כל 0.96 מ”מ ועם אינטרפולציה בכל מחזור. העומק של הסריקה וזווית הצפייה מתוארים באיור 6
בהתבסס על קירוב פראונהופר (Fraunhofer), אפשר לחשב את המספר הנדרש של שורות לדגימת הגזרה על פי הנוסחה הבאה:

כאשר ,   היא זווית הגזרה,     =   הם חרירי השידור והקליטה ו-    הוא אורך הגל.
בהתאם לתהליך הגילוי, שמרמז בדרך כלל על ריבוע של ההדים ודחיסה לוגריתמית של המספר בפועל של השורות שאותן יש צורך לדגום, הגזרה θ תהיה כפולה בערכה מהערך N. עבור המקרה לדוגמה המוצג, מספר השורות המספיק הוא 61.2, אך מאחר שאנו מטפלים בקירוב, 64 שורות יילקחו בחשבון בתיאורים הבאים.
כדי למנוע השמטה במסגרות לשנייה, יש לעבד את הנתונים הנרכשים עד אשר יועברו נתונים חדשים, כפי שאפשר לראות באופן סכמתי באיור 7.
הצעד הראשון שיש לקחת בחשבון הוא ההקצאה של מסגרת הזמן עבור עיצוב אלומות וספריית B-Mode המבוססת על המספר של מסגרות לשנייה שבהן יש לתמוך. במקרה לדוגמה זה, מספר של 45 מסגרות בשנייה נלקח בחשבון כמתאים. לאחר שחילקנו את מספר המסגרות בשנייה, במספר שורות הסריקה, אנו יכולים להקצות את מסגרת הזמן עבור מודול עיצוב האלומה ועבור ספריות B-Mode כפי שמוצג באיור 7.
כאשר מעריכים שיש אלגוריתמים מסוימים שהם אפשריים עבור ארכיטקטורה מסוימת, שלושה גורמים הופכים להיות החשובים ביותר: רוחב פס לכניסות ויציאות (אם אכן זהו המקרה), דרישות רוחב פס של הזיכרון, ומנייה של המחזורים הנדרשים לביצוע האלגוריתם.
את דרישת רוחב הפס לכניסות ויציאות אפשר לחשב בהתבסס על הקצאת מסגרת הזמן ועל הפרמטרים של ממיר ADC, ולקבל 8.07 ג’יגה סיביות בשנייה – תוצאה שנמצאת במקום טוב במסגרת המתאימה עבור חיבור port אחד של Rapid IO (כניסה ויציאה מהירים) – (במהירות נמדדת של עד 9.11 ג’יגה סיביות לשנייה). הזיכרון שבו נתוני הכניסה מאוחסנים יהיה M3 מפני שהוא מהיר יותר מ- DDR3 ומאופיין במספיק מקום שנחוץ לתמיכה, אפילו אם נדרשת גישה של שמירה במאגר זיכרון זמני כפול. מאחר שהשידור יתבצע דרך DMA, המודול שבהמשך לא ישתמש בגישת DMA ולכן לא תהיה הפרעה לשידור Rapid IO.
מאחר שעיצוב אלומות הוא אלגוריתם דורשני למדי, אנו מפצלים אותו לחמש ליבות ולשני שלבי עיבוד. בשלב הראשון שבכל ליבה יתווספו שישה ערוצים באופן קוהרנטי, ובשלב 2 – התוצאה של שלב 1 תעבור דרך תהליך חיבור (איור 8).
מסגרות הזמן עבור שלב 1 ושלב 2 מוקצות כפי שנראה באיור 9, בהתבסס על המורכבות של כל אחד מהשלבים.
אנו מתייחסים למקדמי פונקצית חלון ולמקדמי השהיה כנתונים מחושבים מראש, והם מאוחסנים בזיכרון DDR. כדי להקטין את רוחב הפס ואת דרישות הגודל, המקדמים יאוחדו לשני משתנים בני שמונה סיביות. אם ניקח בחשבון את כל נתוני הכניסות והיציאות, וכן את ההעברה ב-Rapid IO במסגרות הזמן המוקצות, ניתן לחשב את דרישות רוחב הפס אשר מוצגות בטבלה 2. כפי שניתן להבחין, הדרישות עבור כל אחת ממסגרות הזמן לא יחרגו ביותר מ-50% מרוחב הפס שניתן לקבל באופן תיאורטי עבור זיכרון DDR3 ו- M3.
הצעד הבא בתהליך ההערכה הוא אומדן של מניית המחזורים ששימשו לצורך תהליך העיבוד בפועל. קיימים שני גורמים שמשפיעים על מנייה כוללת של המחזורים: מחזורי ליבה כתוצאה מפעולות ומחזורים שנגרמים בגלל הפסדים. הקודים המדומים שמופיעים באיור 10 ובאיור 11 מציינים שיטת עיבוד בצנרת שיכולה להשיג דגימה של 9.4 מחזורים ליציאה בשלב 1, ודגימה של 2 מחזורים ליציאה בשלב 2.
בשל עיבוד הצנרת היעיל, אין הפסדי היתקעות בין קבוצות ה-VLES, ולכן סוג ההפסדים היחיד שאותו יש לקחת בחשבון הוא הפסדים הנובעים מהחטאות בזיכרון מטמון (cache). אם לוקחים בחשבון את הגדלים של שורות בזיכרון מטמון ואת ההפסדים האופייניים הצפויים בגלל החטאות בזיכרון מטמון, ניתן להעריך את הפסדי ההחטאה, בהתבסס על כלל האצבע הבא:
עבור זיכרון M3:  80 מחזורים ב- 128 בתים (הערכת יתר של 30% בערך, בגלל התעבורה של Rapid IO)
עבור זיכרון DDR:  100 מחזורים ב– 128 בתים
המעבד MSC8156 מציע מנגנון להקטנת ההפסדים הנובעים מהחטאות של נתונים בזיכרון מטמון, על ידי הבאת נתונים מהזיכרון לפני שהם יידרשו על ידי הליבה (הפקודה dfetch), לכן יש לשער שהנתונים המדווחים לעיל יהיו גבוהים יותר מאלו שניתן היה לקבל לאחר ביצוע אופטימיזציות.
לאחר הוספת כל האלמנטים המשתמשים במחזור, והשוואתם למספר המחזורים הזמינים, אפשר להבחין שניתן להשיג את עיצוב האלומות גם מתוך נקודת מבט אחרונה זו (טבלה 3).

4. B–MODE
אנו מציעים ספריית B-Mode שמורכבת מארבעת המודולים הבאים:
גילוי מעטפה – (ED) (דילול [decimation] ודחיסה אלגוריתמית)
המרת סריקה (SC)
סינון חציון (MF)
האחדה היסטוגרמית (HQ)
כדי לקבל תמונות ב–B–Mode, יש צורך בשני המודולים הראשוניים (ED ו–SC) בלבד; שני המודולים הבאים מהווים טכניקות קלאסיות לשיפור תמונה, שיכולות להוסיף לאיכות התמונה. לשילוב של התקני שיפור במסגרת זמן ההרכשה יש יתרון בכך שלא אובחן הפסד של מסגרות בשנייה בהשוואה ליישום שלהם לאחר שהתמונה נוצרה כבר. בהמשך, נדון באינטרפולציה ביליניארית המבוססת על המרת סריקה (Scan Conversion) עם תמונה בגודל של 640×480 ביציאה ועם סינון חציון בחלון בגודל 3×3.
אפשר למצוא בספרות גישות שונות לביצוע גילוי מעטפה, מבוסס על טרנספורם הילברט (Hilbert), גילוי אפנון מרובע או על ידי הפיכת אות הכניסה למרובע. אנו מציעים אלגוריתם לגילוי מעטפה שנוצר ממודולי המשנה הבאים:
הערך הריבועי של אות בעיצוב אלומות בכניסה (איור 12)
דילול עם CIC ועם FIR לפיצוי
דחיסה לוגריתמית
שיטה זו ייחודית עבור יצירת תמונות B–Mode ומוכחת כאחת הגישות הידידותיות ביותר מנקודת מבט של צריכת מספר המחזורים. המעבד MSC8156 עוזר לממש את הגישה הזו על ידי כך שהוא מאפיין כתובות מקומיות ב–40 סיביות, שיכולות לטפל בדרישות גידול הסיביות של מסנני CIC.

לביצוע סינון חציון והמרת סריקה יש צורך בגישה לשלוש שורות סריקה לפחות, ובהתאמה, לקריאה של שתי שורות סריקה, עובדה שהופכת אותם ללא מתאימות במיוחד עבור רכיבי FPGA ברמה נמוכה שלהם יש משאבי חציצה מוגבלים. בהמשך, נבצע קריאה של ארבעה מקרים של סינון חציון וארבעה מקרים של המרת סריקה עבור ליבות, לאחר שהורכשו מספיק נתונים (איור 14).

השוואת היסטוגרמה (Histogram Equalization) היא סוג שונה במקצת של אלגוריתם בהשוואה לאלו שבהם כבר דנו, בשל העובדה שבנקודה מסוימת יש צורך בגישה לתמונה כולה. כדי לשפר את הביצועים עד למקסימום מפצלים את השוואת ההיסטוגרמה לשני שלבים (איור 15):
חישוב ההיסטוגרמה (HQI) – מתבצע במסגרת הזמן של ההרכשה ובזמן של הכניסות והיציאות.
יישום טרנספורמציה (HQ2) – מתבצע לאחר שהתמונה כולה הורכשה (יקטין את מספר המסגרות בשנייה ל- 44.5 בערך).
דרישות רוחב הפס ודרישות מניית המחזורים (כפי שהם מתקבלים לאחר תיקוף הסימולטור) מסוכמים בטבלה 4.
ב-75% ממסגרת הזמן לא נבצע סינון חציון (MF), המרת סריקה (SC) והשוואת HQ1, לכן נראה גורם שימוש כמו זה המוצג בטבלה 5, בהשוואה למקרה שבו אנו מבצעים קריאה ל–MF, ל–SC ול–HQ1 שבו גורם השימוש יהיה זה שמוצג בטבלה 6.
על ידי חישוב הממוצע של השימוש המצוין בטבלאות, תוך כדי לקיחה בחשבון של מסגרות הזמן שאינן בשימוש, אפשר לצפות בשימוש של 38%, שהם 2300 מגה מחזורים בשנייה בערך, מתוך 6000 מחזורים בשנייה אשר זמינים לשימוש.

5. יצירת לוחות זמנים
איור 16 מציג את העיבוד המתבצע בליבה 0 עבור כל קו סריקה. אפשר לראות ש– 30% ממסגרת הזמן אינם בשימוש, אשר אותם ניתן היה לנצל למצבי דימות Doppler.
ליבות 1 עד 4 אינן מבצעות בדרך כלל סינון חציון (MF), המרת סריקה (SC) והשוואת HQI, כך ש-60% כמעט ממסגרת הזמן פנויים למצבי דימות אחרים (איור 17). כאשר מתבצעות קריאות גם ל-MF, ל-SC ול-HQI, 10% מהזמן אינם מנוצלים.
דרישות רוחב הפס של זיכרון DDR עבור כל מסגרות הזמן מתוארות באיור 19 בצד שמאל. על מנת להקטין את עלות המערכת כולה באמצעות שימוש בזיכרון DDR יחיד אפשר לפזר את מסגרת הזמן שאינה מנוצלת לצורך המרת סריקה ועיצוב אלומות בשלב 2, פעולה שתוביל לדרישות סבירות של רוחב פס של זיכרון DDR עבור זיכרון DDR יחיד (איור 19 בצד ימין).

6. מסקנות
בשלוש השנים האחרונות, מעבדי האותות הספרתיים התקדמו באופן משמעותי במונחים של יכולת עיבוד וצריכת הספק, עובדה שהפכה אותם למתאימים יותר ויותר עבור התקני אולטרה-סאונד רפואיים ניידים ברמה נמוכה וברמה בינונית. תוספת הגמישות, שנוצרה כתוצאה משימוש בגישת תוכנה עבור כל המודולים לעיבוד אותות, קיצור הזמן הנדרש ליציאה לשוק ומהפחתה בעלויות באמצעות שימוש ברכיבי חומרה מהמדף שנבחנו, וכן בשל העובדה שקיים חומר תדרוך רב להנחיה – כל אלו מהווים יתרון גדול עבור מעבדי DSP.
עבור גישת אלומה פשוטה, כמו זו המוצגת במאמר זה, גורם השימוש של 38 אחוזים בערך מעודד מאוד את המעבר לטכניקות של הרכשת שורות מרובות ולהוספת מצבי דימות אחרים, כמו Power Doppler ו-Colour Doppler.
כאשר MAPLE–B אינו משמש להבהרה זו, הוא יכול להיות שימושי מאוד עבור מצבי דימות Doppler ספקטרלי ועבור אלגוריתמים המעצבים אלומות במישור התדר.

מאת: Yan Vainter, Freescale

תקציר – התפישה של “פלטפורמה חכמה לחישת תנועה” היא שילוב של חיישן בעל יכולת של עיבוד נתונים, המאפשר התאמה אישית באמצעות תוכנה משובצת. המוצר MMA9550L מדגים את התפישה הזו על ידי התאמה של שילוב מד תאוצה תלת–צירי בטכנולוגיית מערכת MEMS, עם בקר מיקרו ל–32 סיביות ועם ארכיטקטורה ייעודית, בתוך מארז בגודל 3 מ”מ  3 מ”מ, לצורך ניהול חיישנים חיצוניים אחרים. תחכום זה, הקיים בצומת של החיישן, מאפשר איסוף נתונים מחיישנים אחרים והקטנה במידה משמעותית של העברת הנתונים בתקשורת בתוך רשת של חיישנים. מעבר לכך, הפלטפורמה החכמה לחישת תנועה מפחיתה את צריכת ההספק של המערכת ב–90 אחוזים בערך, ומנהלת את המיזוג של החיישנים. אי לכך, רשת של חיישנים ויישומי WSAN יכולים להפיק תועלת רבה מתפישה זו ולהגיע ליעילות מיטבית, לזמן אחזור (latency) נמוך, לצריכת הספק מזערית ולרמה הנכונה של עלות, כדי לאפשר פיזור נרחב של צומתי חיישנים והתאמה אישית של כל צומת חיישנים באמצעות תוכנה. יתר על כן, הודות ליכולות עיבוד מקומיות, כעת היישומים החדשים אפשריים.

הקדמה
היישום הראשון החשוב של חישני מערכת MEMS בהתקנים ניידים היה הוספתו של מד תאוצה (accelerometer) להחלטה אם התצוגה תהיה תצוגה לאורך (Portrait) או לרוחב (landscape). מוצר החיישן הוסיף רק ממשק ספרתי – I2C – אחרי ממשק המשתמש האנלוגי. הרזולוציה וצריכת ההספק היו אמות המידה העיקריות לבחירה ולתכנון.
ההוספה של החיישנים החדשים, כדוגמת מד שדה מגנטי, ליישומים של מצפנים, אומצה במהירות על ידי תעשיית הטלפונים הניידים, מפני שהיא משפרת את ממשק המשתמש בניווט ומשמשת את מערכות ההפעלה כדוגמת Android. שירותים על בסיס מיקום יידרשו לאסוף את הנתונים של כל החיישנים האלו ולהוסיף סוגי חיישנים אחרים, כגון מד גובה. מכאן, האתגר נעוץ לא רק במימוש של תכנון טכנולוגיות חיישנים חדשות, אלא גם בניהול של כל סוג של חיישן – כמו למשל בכיול מסוים, ניהול הספקים וקצב נתוני הדגימה – וכן גם באיסוף של נתוני החיישנים.
כדי להתגבר על בעיות אלו ולספק פתרון של פלטפורמה גמישה וניתנת להתאמה אישית, מוצעים כאן תפישה ומוצר מתקדמים: MMA9550L, הפלטפורמה החכמה לחישת תנועה. התפישה מציעה לשלב חיישן עם בקר מיקרו ייעודי, ועם ארכיטקטורה מותאמת ליצירה של רכזת חיישנים, יחד. מימוש ראשון זה גם יכול להיות פתרון מושלם לצווארי הבקבוק של רשתות אלחוטיות של חישנים ושחקנים (actor) (WSAN), הכל במסגרת עלות נמוכה וצריכת הספק נמוכה, שכמותם נדרשים על ידי שוק הטלפונים הניידים.

הפלטפורמה החכמה לחישת תנועה
א. המעבר מחיישנים פיקחים לחיישנים חכמים

התפתחויות בטכנולוגיית מערכות MEMS, חוק מור (Moore), והאימוץ הנרחב של מדי תאוצה בטלפונים ניידים אפשרו השגת חיישני תנועה חכמים יותר, באמצעות השילוב של טכנולוגיות עם החיסכון בעלות הנגזר מכמויות. אלו כוללים שיפור אותות, ממשק ספרתי ולוגיקת מיעון – כפי שמוגדר על ידי IEEE 1451.4 – והם כבר עתה מסופקים בשוק, ואפילו עם פונקציות נוספות לתקשורת משופרת – כמו למשל פסיקות ואוגר FIFO – ועם פונקציות המוגדרות מראש – כדוגמת גילוי תנועה מסוימת ואלגוריתמים משובצים עבור תרחישי שימוש מוגדרים מראש.
למעשה, מד התאוצה בטלפונים הניידים שימש מלכתחילה לגילוי תצוגה לאורך או תצוגה לרוחב, כדי להתאים את סיבוב תמונת המסך, ולאחר מכן, השימוש עבר במהירות לגיימינג ולשיפור ממשק המשתמש. מד התאוצה  MMA8451Q  נמצא על סיפו של חיישן פיקח (smart) כזה, עם אפשרויות של גילוי וסינון נתונים, שמירת נתונים בזיכרון זמני ותכונות ייחודיות של הכרת מחוות (gesture recognition), אך אין הוא מאפשר באופן מלא גמישות והתאמה אישית ברמת החיישן.
התפישה המתקדמת, המוצגת במאמר זה, מבוססת על הניסיון להמיר חיישנים פיקחים לרמה תעשייתית, תוך כדי הכללה של פונקציות משובצות נוספות. לכן, כתוצאה מהדרישה הגוברת מצד יישומים חדשים, כגון ניתוח מחוות משתמש מורכבות, וכתוצאה מההופעה של חיישנים חדשים, כמו למשל מדי שדה מגנטי למצפנים, גלוי אור וחישני לחץ, יש צורך ביכולות עיבוד והתאמה אישית.
ב. תיאור
המימוש הראשון של תפישת פלטפורמת החישה החכמה (intelligent) הוא באמצעות מד תאוצה תלת–צירי במערכת MEMS ועם בקר המיקרו ColdFire ל–32 סיביות, והוא מומש בשטח זהה ובצריכת הספק דומה לאלו שמומשו במד התאוצה לבדו.
מעבר לכך, הארכיטקטורה המסוימת פועלת כרכזת חיישנים: חיבורי I2C או SPI ראשיים (master) ומשניים (slave), חישה ובקרה באפנון PWM, חישת טמפרטורה ושתי אפשרויות פסיקה. זיכרון הבזק (flash), זיכרון RAM וזיכרון ROM על השבב משלימים את הגמישות המלאה עם יכולת העיבוד. כל התכונות האלו מותאמות למארז בגודל 3 מ”מ  3 מ”מ, שהוא למעשה הגודל של מד התאוצה לבדו. השטח הקטן ביותר הזה נחוץ עבור התקנים סלולריים וניידים. ההספק הנמוך, שהוא 30 מיקרו–אמפר בערך בקצב דגימת נתונים של 1.6 הרץ, עם אות שעון פנימי וקצב דגימה אוטומטי של הנתונים, הם כמה מבין הפרמטרים החשובים לרשתות חיישנים המופעלים בסוללות, במיוחד עבור ניטור של אירועים ברשתות אלחוטיות של חיישנים (WSN). יעילות התקשורת היא פרמטר קריטי נוסף, ולכן נוספו לממשקי I2C ו-SPI תקשורת אינטראקטיבית הכוללת פסיקות וזיכרון המאפשר שמירה זמנית של מידע במצב עיבוד.
בפלטפורמה החכמה לחישת תנועה מתקיימות גם התכונות הבאות:
טווחים דינמיים שניתנים לקונפיגורציה ב-8g, 4g, 2g,
ממיר ADC ל-14 סיביות עם אפשרות גישה
מתנד פנימי הפועל בהספק נמוך,
ממשקי I2C ו-SPI,
ליבת יע”מ (CPU) ל-32 סיביות עם בלוק צובר (accumulator) לכפל
זיכרון הבזק משובץ
זיכרון RAM וזיכרון ROM משובצים.
באיור 1 ניתן לראות את MMA9550L עם הבלוקים העיקריים שלו, ואת גודלו של המארז.
במימוש ראשון זה שובץ מד תאוצה תלת–צירי ובעל רעש נמוך, כדי לפתור בעיות של ריבוי חדירות של חיישנים אלו אל כל ההתקנים הסלולריים והניידים, וכן בגלל השימוש הנרחב שנוצר, כגון גילוי פעילויות המשתמש ומתן אפשרות למצבים אוטומטיים ויעילים של “מנוחה” (sleep) ו”עירות” (Wake–up).
ג. היתרונות בצריכת ההספק של מערכת
אחד היתרונות של MMA9550L המחובר למעבד יישום עיקרי (ראה איור 2) או למקמ”ש (transceiver) אלחוטי – כדוגמת ZigBeeTM – ולחיישנים אחרים, הוא ההפחתה המשמעותית בצריכת ההספק ברמת המערכת.
אפשר להשתמש במד התאוצה המשובץ בעל הדיוק הגבוה מאוד לגילוי פעילות כלשהי של המשתמש, תנועה של מכונה או רעידות במבנה, על מנת לעורר את רשת החיישנים או את המקמ”ש האלחוטי, כדי שאלו יתחילו בחישה ובתקשורת מקיפים יותר. לכן, אפשר לחסוך כמות רבה מאוד מצריכת ההספק של המערכת, מפני שבמקרה זה, רק MMA9550L יהיה פעיל (עם צריכת הספק של פחות מ– 50 מיקרו אמפר), והחלק הנותר של רשת החיישנים ומערכת התקשורת המשמשים ברשת חיישנים אלחוטית יימצא במצב המתנה או במצב סרק. לחלופין, אפשר גם להגדיר מצב מנוחה אוטומטי, אם אין גילוי של פעילות במשך זמן נתון. יישומים כדוגמת טלפונים ניידים, התקני אוטומציה ביתית ומערכות עקיבה ומיקום, יכולים להפיק תועלת מתכונות אלו, בהארכת חיי הסוללות שבהם.
דוגמה אחרת אפשר לראות במעבד היישום העיקרי שסורק באופן רציף חיישן אחד, כגון מד תאוצה, וצריכת ההספק האופיינית הנדרשת לקריאה של אפיק I2C היא ברמה של מצב פעולה רגילה (זרם אופייני של 12 מילי אמפר). על ידי ביצוע עיבוד ראשוני של נתוני התנועה ברמת החיישן, התוכנה המשובצת מאפשרת לבחור במידע הצפוי, כדוגמת מחווה מסוימת, ולכן MMA9550L יכול לעורר את מעבד היישום דרך בקרת פסיקה, ולשלוח את הנתונים המעובדים במצב של צרורות (burst). בהנחה שמעבד היישום צורך במצב מנוחה 4% מההספק שנצרך במצב פעולה רגיל, ובהתבסס על העובדה של–MMA9550L יש צריכת הספק נמוכה בהרבה (פחות מאשר 50 מיקרו אמפר) מצריכת ההספק של מעבד היישום במצב מנוחה, יוצא שצריכת ההספק הגבוהה ביותר נועדה רק לצורך עירור של מעבד היישום ולקריאה של הנתונים החזויים דרך אפיק I2C. ואכן, הספק נוסף זה נקבע על ידי זמן מצב העירות (wake up) של מעבד היישומים, ועל ידי הזמן הנדרש עבור קריאת אפיק I2C במצב של צרורות או במצב של ביית יחיד (שהיא בדרך כלל ב–122.5 מיקרו שנייה עבור נתונים ב– 8 סיביות ובמהירות של 400 קילו הרץ). מכאן, החיסכון בהספק ברמת המערכת יכול להיות גדול יותר מאשר 90%.

היתרונות עבור רשתות WSN ו–WSAN
א. היתרונות העיקריים

אפשר למצוא כמה יתרונות נוספים, נוסף על החיסכון בצריכת ההספק, שמתקיימים בפלטפורמת החישה החכמה, בהם, זרימת נתונים יעילה יותר בהרבה, גמישות בפעולות בקרה, כיול ועיבוד מוקדם של נתונים המגיעים מהחיישנים הפנימיים והחיצוניים.
בין הבעיות העיקריות העולות מתוך מימוש רשתות חיישנים במרחב התכנון – בנוסף על הבעיות האחרות המתעוררות בעת מימוש רשתות WSAN, שבהן נכללות דרישת זמן אמת, תיאום, יכולת שדרוג והשהיית זמן אחזור – ניתן למנות פרישה, ניידות, עלות, גודל, משאבים ואנרגיה. גישה זו שבה אנו עוסקים עונה על כל הבעיות האלו.
לשילוב של המעבד המשובץ עם מד התאוצה יש יתרון בצורת הוספת מידע, כדוגמת רעידות, מהירות, תאוצה, נטייה, הלמים, נפילה חופשית ותנועות אחרות, אשר מתקבל דרך עיבוד מקומי של התנועה. תרחישי שימוש – כדוגמת מצבי עירות או מנוחה אוטומטיים המתייחסים לפעילות ההתקן, או מצבי אבטחה כדוגמת התרעה שמופיעה כאשר קיימת רמה מסוימת של רעידות או הלמים – משתמשים ברשתות חיישנים כדי להקטין את צריכת ההספק, במקביל להרחבה של היקף המידע באשר לתנאי הסביבה.
הפלטפורמה החכמה לחישת תנועה מגדירה מחדש את ארכיטקטורת רשתות החיישנים (הן בחומרה והן בתוכנה), דרך מתן אפשרות לעיבוד נתונים ולהתאמה אישית בתוכנה בצומתי החיישנים. בנוסף, היא מהווה מימוש מתקדם המשלב חיישן, את רכזת החיישנים ואת השחקן (actor).
העברת חלקים של עיבוד הנתונים אל רמת צומת חיישני התנועה והוספה של האפשרות לבקר חיישנים חיצוניים אחרים ולפעול עליהם, מאפשרת גם:
הפחתת תקשורת הנתונים מאשכול החיישנים אל המעבד הראשי או למקמ”ש ת”ר  (RF);
איסוף נתונים מחיישנים שונים;
עיבוד מראש של נתונים המגיעים מהחיישנים, עם בחירה של נתונים שאותם יש לאחסן באוגר FIFO;
הקטנה של צריכת ההספק של המערכת הכוללת;
מתן אפשרות להתאמה אישית של כל צומת חיישנים באמצעות תוכנה;
כיול וניטור רציפים של החיישנים עם קצב דגימה ניתן להתאמה, תכונות של התעוררות אוטומטית וכניסה אוטומטית למצב מנוחה;
הפחתת העלות של רשתות החיישנים על ידי הקטנה של צריכת ההספק הכוללת, שילוב רכיבים יחד, הגדלה של מחזור התוכנה והקטנת משאבי התוכנה;
דוגמה ליישום מקיף של MMA9550L בסביבתו, לבקרה של חיישנים שונים, תוך כדי חיבורו לצומת ZigBeeTM מוצגת באיור 2. בתרחיש זה, נתונים של מד שדה מגנטי, חיישן לחץ ושל מקש מגע קיבולי מעובדים ונשמרים בזיכרון זמני, והמשמעות היא שצומת ZigBeeTM  מקבלת רק מידע שעבר עיבוד. לדוגמה גנרית זו יש יתרון של הפחתת צריכת ההספק של הצומת, בשל העברה של הנתונים המתבקשים בלבד. היא גם מעוררת את המערכת במרווחי זמן קבועים באמצעות אות שעון פנימי, שפועל בתדירות נמוכה בכל פעם שמתבצע גילוי של פעילות תנועה, באמצעות מד התאוצה שבמערכת MEMS ודרך גילוי של רמה ורצפים שמתוכנתים בתוכנה.
פלטפורמה זו יכולה גם לנהל את מיזוג המידע של החיישנים המקומיים המחוברים בזמן שההתאמה האישית של צומת החיישנים ניתנת למימוש באמצעות תוכנה.
לכן, אפשר לנהל ביעילות רשתות חיישנים, ברמת המערכת וברמת תת מערכת, על ידי כך שמאפשרים קיומם של צריכת הספק נמוכה, גמישות גבוהה באמצעות תוכנה, ויכולת התאמה על ידי ניהול סוגים חדשים של חיישנים. הצעה זו, למימוש ברשת חיישנים, מציגה את היתרונות החשובים של תפישה זו ברמת הצומת וברמת המערכת, למשל הקטנה למינימום של העברות הנתונים ושל פעילות הגומלין החכמה בין הצמתים השונים.
ב. השהיית זמן אחזור
התיאום בין החיישן לשחקן והתגובה בזמן אמת נחשבים לפרמטרים קריטיים של רשתות WSAN. התגובה המהירה ביותר שאפשר להשיג לאירוע מחיישן מתרחשת כאשר החיישן משולב עם המעבד, בדומה למקרה של מד התאוצה המשולב עם המעבד ל–32 סיביות בהתקן MMA9550L, מאחר שכאן לא קיימת השהיה של זמן האחזור, הנגרמת כתוצאה מפרוטוקול הממשק הספרתי, ואין כל השהיה כתוצאה מהמרחק שבין החיישן לבין המעבד. ההשהיה היחידה הקיימת נובעת מהעיבוד של נתוני החיישן, והיא נמצאת בטווח של כמה מיקרו–שניות. בעת הפעולה כרכזת חיישנים, ההתקן MMA9550L מפחית גם את השהיית זמן האחזור של הרשת באמצעות ממיר ADC, ממשק I2C, ממשק SPI ומאפנן PWM שנמצא בו. הוא יכול לאסוף נתונים של חיישנים חיצוניים, לעבד אותם, לצרף אותם יחד ולקבל החלטה, בעזרת התוכנה הממומשת בו. כל אלו מאפשרים לצומתי אשכולות להפוך ולהיות צמתים מגיבים ולספק את המידע המעובד לאשכולות הבאים.
מד התאוצה המשובץ מאפשר גם לכוונן באופן אוטומטי את קצב הדגימה של הנתונים, המגיעים מהחיישנים החיצוניים, באופן יחסי לרמת הפעילות, מאחר שמד התאוצה רגיש דיו כדי לגלות רעידות והלמים הקשורים לפעולה של מכונה או לפעילות של אדם. מנגנון כזה מאפשר להקטין עוד את ההשהיה בתגובה לאירוע בהשוואה להשהיה הקיימת במערכת רגילה שבה קיימים מד תאוצה ומעבד נפרדים.
ג. התקדם לצומתי רשתות חיישנים חכמות
רשתות חיישנים חכמות ברמה של מודול ממשק המתמרים החכם (STIM) הוגדרו על ידי תקן IEEE 1451.4 כשילוב של השרשרת הכוללת את החיישן עם שיפור האותות הבסיסי, הממשק הספרתי ולוגיקת המיעון. הפלטפורמה החכמה לחישת התנועה מגדירה מחדש את ארכיטקטורת התוכנה ואת ארכיטקטורת החומרה ברשת של חיישנים מאחר שניתן להוסיף לרמת מודול STIM את העיבוד המוקדם של הנתונים, מיזוג המידע ואת ניהול החיישנים.
התפישה של צומת חיישנים חכם יכולה להפוך ולהיות מרכיב חשוב בהתפתחות של רשתות חיישנים, מצמתים מגיבים לצמתים חכמים ועצמאיים, שפועלים בפעילות גומלין עם הרשת – רק כאשר נדרש.
השינוי של ארכיטקטורת החומרה מחיישנים פיקחים לחיישנים חכמים מתבצעת באופן חלק, מאחר שארכיטקטורות כאלו מפשטות את החיבורים הפנימיים של חיישנים מקומיים. ועם זאת, השינוי של ארכיטקטורת התוכנה מצריך ביזור של עיבוד הנתונים מהחיישן והפצה של נתוני המיזוג של חיישנים ברמת צומת החיישנים. התאמה של ארכיטקטורת התוכנה תאפשר גם הוספה של גמישות רבה מאוד, מאחר שאפשר יהיה להתאים באופן אישי כל צומת חיישנים ולתכנת אותה מחדש תוך כדי פעולה. מעבר לכך, השימוש בסינון Kalman ובמסנני Kalman זעירים ומבוזרים יאפשר קבלת יכולת שדרוג גבוהה ברשתות של חיישנים.
מסקנות
מאמר זה מציג את התפישה של פלטפורמה חכמה לחישת תנועה. המימוש הראשון של תפישה כזו מוצג אף הוא MMA9550L. המימוש מגדיר מחדש את הארכיטקטורה של רשתות חיישנים ושל רשתות WSAN, על ידי כך שהוא מאפשר ביצוע של עיבוד נתונים – מיזוג של שחקן וחיישן ברמת צומת החיישנים המקומי. פיתוחים נוספים הפכו מעתה לאפשריים, עם היכולת להשתמש באופן מלא בתפישה זו ברשתות WSAN, מאחר שאפשר לתכנת כל צומת וכל אשכול צמתים, ולהפוך אותם לסטנדרטיים. מעבר לחיסכון בעלויות, הקטנה של צריכת ההספק, חיסכון במשאבים וקיצור זמן היציאה לשוק, תפישה זו מאפשרת גם יצירה של סוג חדש של יישומים עבור שימושים ברשתות של חיישנים, בהתאמה למקום, הן בתעשייה והן בבית. מעתה אפשר לממש עיבוד מבוזר, הודות לפלטפורמה החכמה לחישת תנועה ליצירה של יישומים חדשים ברשתות חיישנים.

Yan Vainter , Freescale Israel

במאמר זה נתאר את תהליך התכנון של מגבר הפרשי מלא עם הגבר ניתן לתכנות (PGA) ועם קבלים ממותגים (SC) ל–12 סיביות, מותאם באופטימיזציה ביישומי הגברת מנועים, וממומש בטכניקה של דגימה כפולה ומתואמת (CDS). המגבר מבצע המרה של אות הפרשי לאות בקצה יחיד, ופועל בתיאום עם ממיר אנלוגי לספרתי (ADC). הוא מיוצר בתהליך CMOS סטנדרטי של 4 מתכות בעובי 0.25 מיקרו–מטר, ממלא שטח של 0.18 ממ”ר עם צריכה כוללת של 450 מיקרו–אמפר ופועל בטווח הטמפרטורות שבין –40 לבין +135 מעלות צלזיוס. המעגל משולב במשפחת בקרי האותות הספרתיים (DSC) – MC56F8006 – של Freescale, עם התקנים היקפיים נוספים שעל השבב אשר מתוכננים להרחיב את הביצועים של יישומי בקרת מנועים והמרת הספק.
הגידול המתמיד של דרישה ליישומים ולציוד תעשייתי ירוקים יותר, מניע את היצרנים לחפש דרכים לשיפור נצילות האנרגיה, תוך הפחתת עלויות המערכת. מנועים חשמליים אחראיים ל– 65% – 70% מצריכת האנרגיה החשמלית בתעשייה, ול– 57% בערך מצריכת האנרגיה החשמלית הכוללת בעולם כולו. ההתפתחויות באלגוריתמים של בקרת מנועים והחידושים ברכיבים אלקטרוניים כדאיים מבחינת עלותם, נוטים להאיץ את השימוש בבקרה אלקטרונית מתקדמת עבור דוחפי מנועים בבקרת תנועה, החל מיישומים במכשור ביתי ועד יישומים במכונות תעשייתיות ברצפת הייצור, מתוך מטרה להשיג נצילות אנרגיה גבוהה וביצועים טובים יותר עבור בקרה מדויקת של מומנט ומהירות. כתוצאה מכך, כמה מבין מערכות הבקרה המתקדמות מנצלות את בקרי האותות הספרתיים, כדי לשלב את הפונקציונליות של המיקרובקר ושל יכולת העיבוד של מעבדי אותות ספרתיים (DSP) עם קבוצה גמישה של התקנים היקפיים למען יצירת פתרון עבור בקרת מנוע, פתרון שיהיה משובץ, כדאי מבחינת העלות, רב–יכולת ורב–שימושי.
ביישום זה, בקרת DSC מנטרת את זרמי עומס המנוע לצורך עיבוד נתונים. עוצמות הזרם יכולות להשתנות בתלות ביישום. לכן, יש לכלול שיפור אותות בנתיב הרכשת האותות. מגבר ההגבר הניתן לתכנות – המוצג כאן – מבצע פונקציה כזו. מגבר PGA מורכב באמצעות מעגלים מוכרים שאורגנו על מנת להפיק ביצועים גבוהים מהמוצר המתוכנן למטרה של בקרת מנועים.

ארכיטקטורת המערכת
איור 1 מתאר את תרשים הבלוקים של מגבר עם הגבר ניתן לתכנות (PGA). בתכנון מגבר שמתאים ליישומי בקרת מנועים יש צורך במפרט המערכת הבא:
–טווח מתחי האספקה 1.8 – 3.6 וולט;
–טווח הטמפרטורות בתחום שבין –40 לבין +135 מעלות צלזיוס;
–ליניאריות גדולה יותר מ–10 סיביות (היעד: 12 סיביות);
–אפשרויות הגבר ניתנות לתכנות:  1x, 2x, 4x, 8x, 16x ו– 32x,
עם שגיאת הגבר מרבית של 2%;
–חלון מינימלי לדגימת פולסים: 1 מיקרו–שנייה;
–המרה של אות הפרשי לאות בקצה יחיד (DSE);  וכן
–מצבי כיול, היסט והגבר.
התיאור המתמטי של מתח המוצא במגבר PGA נתון במשוואה הבאה (1):

כאשר (VIP–VIN) הוא מתח הכניסה ההפרשי, VDDA הוא מתח האספקה האנלוגי ו– GAIN מגדיר את הגבר המתח האנלוגי. למגבר PGA יש גם יחידת ייחוס שמספקת את מתח ההארקה האנלוגי עבור המעגל, ייחוס הזרם עבור מגברי השרת ומשאבת מטען כדי להעביר את רמת מתח VDDA אל VDDA + 1V לפחות, לצורך בקרה של מתגים פנימיים. בנוסף, קיימת יחידת לוגיקת בקרה ספרתית שמסנכרנת את הממשק שבין מגבר PGA לבין ממיר ADC.
העמידה בטווחים של ספק הכוח ושל הטמפרטורה נעשית באמצעות תכנון מוקשח. עם זאת, לא ניתן להשיג בקלות ליניאריות של 12 סיביות כאשר צריכת ההספק והשטח מוגבלים על ידי מפרט התכנון. אחת הדרכים לעמוד בדרישות של מפרט נוקשה זה היא בדרך של אימוץ ארכיטקטורת מעגל עם קבל SC המבוססת על דגימת CDS.
טכניקת קבל SC תואמת לתהליך CMOS טהור, והיא מפצה באופן יעיל למדי על חוסר השלמות של מגבר שרת תמסורת (OTA) (למשל על מתח היסט
בכניסה, הגבר סופי בחוג פתוח, הגבלות של קצב עלייה – slew rate – ושל רוחב פס, חוסר ליניאריות ורעש 1/f). ביישום בקרת המנועים המיועד, מערכת מגבר PGA / ממיר ADC מבצעת דגימה של זרם פאזת המנוע מדי 60 מיקרו–שנייה, וחלון הדגימה המינימלי מוגדר ל–1 מיקרו–שנייה. איור 2 מראה צורת פולס זרם אופיינית על פני נגד מקבילי (shunt) שקיימת במערכת מנוע השראי. מאחר שהערך היעיל של הזרם יכול להשתנות במידה משמעותית ממחזור אחד לזה שאחריו, אין התאמה בין המשרעת (אמפליטודה) של מתח האות לבין המשרעת של האות הבאה לאחר מכן. במצב זה השימוש בדרגת הגבר המבוססת על דגימת CDS יכול היה להיות בלתי מתאים. לכמה הרכשות של מגבר PGA (למשל 4 דגימות), במהלך חלון הדגימה של 1 מיקרו–שנייה היה צורך באות שעון של 8 מגה–הרץ עבור מגבר PGA ובמגבר OTA עם צריכת הספק גבוהה. הפתרון היה להשתמש ביחידת דגימה והחזקה (S/H) מבוססת על דגימת CDS כדרגת כניסה למגבר PGA. יחידת S/H זו יכולה להגיע לדיוק המוצע באמצעות דגימה יחידה בלבד, תוך כדי שמירה על כל היתרונות המובנים בשיטת הדגימה CDS.
בנוגע לשטח וליכולת התכנות של ההגבר, הסתבר שהאימוץ של שלוש דרגות הוא הפשרה הטובה ביותר על מנת לעמוד בדרישה של הגבר 32x בשטח מינימלי. הקונפיגורציה שנבחרה מצוינת בצורה מודגשת בטבלה 1, בהתבסס על הגודל ועל ההצבה של מערך הקבלים. תכונה נוספת של מגבר PGA היא יכולתו לבצע כיולי הגבר והיסט פנימיים. לאחר ביצוע שתי שגרות כיול אלו, מגבר PGA נמצא מתאים להשגת רזולוציה של 12 סיביות.

תכנון המעגל
ביישום בקרת מנוע מתבצעת דגימה של אות שאינו מחזורי. כתוצאה מכך לא נוצר קשר בין משרעת מתח האות לבין המשרעת של האות שאחריו.
לכן, מעגל הדגימה וההחזקה (הנראה באיור 3) משמש כדרגה הראשונה של מגבר PGA במקום המגבר הרגיל עם קבלי SC, המבוסס על דגימת CDS. במעגל זה שגיאת ההגבר יחסית ל– Av-2. כתוצאה מכך, המגבר OTA בעל הגבר מתון (של 75 dB בערך) הנתון בקסקודה כפולה, משמש מבלי שיגרום לשגיאות גדולות הנובעות מההגבר הסופי שלו.
דרגות ההגבר וההמרה של אותות הפרשיים לאותות בקצה יחיד ממומשות באמצעות דרגת הגבר הפרשית מלאה עם קבלי SC, המבוססת על דגימת CDS, כפי שמוצג באיור 4. לארכיטקטורה הממומשת הזו אין צורך באיפוס של אות המוצא בכל פאזה של אות השעון, ולכן יורדות הדרישות עבור קצב העלייה של מגבר OTA. ניתוח של מגבר הפרשי מלא עם קבלי SC שבאיור 4 מראה שהגבר המתח האנלוגי שלו נתון בנוסחה הבאה (2):

את תכונת ההגבר הניתן לתכנון אנו מקבלים על ידי חלוקה של כל אחד מקבלי הדגימה לשלוש קבוצות. אות שעון הדגימה מאופשר בענפים נבחרים על פי הגדרת ההגבר. אימוץ השימוש בקבלים מתכתיים מבטיח ליניאריות מרבית על פני טווח הכניסה כולו, מתח הספק, הטמפרטורה והעיבוד. בנוסף, גודל קבלי היחידות נבחר על מנת שתיאום הקיבול יהיה מרבי עם השפעה מינימלית על שטח הסיליקון ועל הקיבולים הפרזיטיים.
מעגל המשוב בתצורה משותפת (CMFB) הנראה באיור 5, משתמש בקונפיגורציית קבלי SC עם העמסה סימטרית של לולאת המצב ההפרשי. ההעמסה הסימטרית מושגת על ידי הכפלת (שכפול) המעגל והחלפה של פאזות אות השעון. באופן כזה אנו מבטיחים שהמוצא של מגבר OTA יתייצב במהירות שהיא גדולה פי שניים מזו שמתקבלת בטופולוגיית CMFB המסורתית.
איור 6 מדגים את התרשים של מגבר OTA. זהו מגבר שרת הפרשי באופן מלא, עם כניסת nMOS בזכות העומס הקיבולי הטהור שלו. למגבר OTA אין צורך במעגל דחיפה במוצא, עובדה הגורמת להקטנת השטח וצריכת ההספק ולהפשטת פיצוי התדירות. מגבר זה יכול לשמש כמגבר הפרשי מלא או כמגבר לקצה יחיד. הוא פועל כמגבר ממיר של אות הפרשי לאות קצה יחיד, על ידי חיבור נקודת היציאה ההפוכה (OUTN) לכניסת הבקרה במצב משותף (CMC). השימוש בטרנזיסטורים בעלי מתח סף נמוך מבטיח מתח פעולה נמוך, אשר יכול להגיע עד 1.7 וולט.

הממשק הספרתי
PGA/ADC
הממשק שבין ממיר ADC למגבר PGA הוא המפתח לביצוע אופטימיזציה של המערכת ליישומי בקרת מנועים. יחידת בקרה ספרתית ניתנת לסינתוז, היא זו המספקת למגבר PGA אותות בקרה כדוגמת אפשור (enable), סיביות בחירת הגבר, אותות שעון וכיו”ב. לוגיקת בקרה זו מספקת שני אותות שעון נפרדים, אשר יוצרים הפרש של אותות שעון ספורים בין האות המעורר (trigger) בחומרה לבין ההתחלה של חלון הדגימה. הפרש זה קטן עד למינימום, כאשר אות השעון של המערכת פועל ב–32 מגה–הרץ ואות השעון של ההתקנים ההיקפיים משמש כבסיס לאותות השעון של ממיר ADC ומגבר PGA. איור 7 מציג את רצף אותות השעון של ממיר ADC ומגבר PGA.

תוצאות ניסיוניות
מאחר שממיר ADC ומגבר PGA תמיד קשורים, ההערכה בוצעה בשניהם בו–זמנית. השילוב ביניהם בוצע בתדירות של 8 מגה–הרץ עם תדירות של 32 מגה–הרץ במערכת הליבה. הסיכומים הסטטיסטיים מוצגים בטבלה 2. סטיית התקן, של יותר מ–4000 קריאות, לא עלתה מעולם על 0.18%. קיימת שגיאת היסט קבועה של +35 מילי–וולט אשר מתבטלת לחלוטין לאחר כיול ההיסט. נתיב האות מגיב באופן ליניארי כל עוד מתח הכניסה ההפרשי אינו עולה על (VDD-1.0) / (2.0*GAIN).
איור 8 מציג את התגובה הספקטרלית לאות כניסה הפרשי של 200 הרץ, אשר הורכב (בסופרפוזיציה) על אות כניסה משותף של 300 הרץ. החלק היסודי של האות ההפרשי נמוך ב–12 dB בערך מהטווח המלא (12 סיביות). החלק היסודי של אות הכניסה המשותף (CM1) נראה באופן ברור, אך הוא נמוך ב–64 dB מהחלק היסודי של האות ההפרשי, שבו אנו מעונינים. ההרמוניות של האות ההפרשי ב–200 הרץ (H2-H5) וגם של האות המשותף ב–300 הרץ (CM2-CM4)
נראות אף הן בתרשים. עם הגדרת הגבר של x1 במגבר PGA ו-VDDA של 3.6 וולט, מודגם יחס דחייה CMMR ב–DC של –70 dB. העיוותים ההרמוניים הכוללים (THD) שהתקבלו היו –77 dB כאשר הוכנס אות סינוס של 256 הרץ בכניסה. עבור סבבים אלו שימשה דגימה קבועה של 200 מחזורים לדגימה. איור 9 מציג את פוטוגרפית המיקרו (microphotography) של מגבר PGA.

מסקנות
במאמר זה הוצג מגבר הפרשי עם קבלים ממותגים לשימוש עבור עיבוד אות כניסה הפרשי מלא של יישומי בקרת מנועים. מגבר PGA מוסיף גמישות עצומה ליישומי בקרת מנועים, במיוחד בעת מימוש של מעגלי משוב חיישנים. בהכללת מגבר PGA אפשר לאמץ את שיטת בקרת המנועים הזו לסוגים שונים של מנועים, לסוגים שונים של חיישנים אנלוגיים ולרמות שונות של עומס. התקן DSC שמשלב את המגבר מומש בטכנולוגיית CMOS סטנדרטית של 0.25 מיקרו–מטר והתוצאות בסיליקון מראות שהוא משיג ליניאריות גבוהה יותר מ–11 סיביות ושגיאת הגבר נמוכה יותר מ–2 אחוזים. מערכת DSC הופעלה בהצלחה ביישומי בקרת מנועים כגון מנועי BLDC תלת–פאזיים, הינעי תדירות משתנה וכן במנועי כלים נישאים.

Haim Cohen, Freescale Israel

הצעד הראשון בדרך לפתרון בעיה הוא יכולתנו לראות אותה. בפיתוח תוכנה בריבוי ליבות (multicore) קיימים אתגרים רבים, ויש חשיבות רבה ליכולת הצפייה בנתונים. עיבוד אסימטרי בהתקנים מרובי ליבות יכול לשפר את היעילות הכרוכה בתכנון התוכנה. כל ליבת מעבד – או קבוצה של ליבות – יכולה לבצע קוד ייחודי וייעודי למשימה, אשר עובר כוונון עדין למטרה מסוימת. באופן כזה, יישום אסימטרי יכול להפיק את המרב ממשאבי החומרה המשובצים של המערכת.
אמנם סוג זה של תכנון תוכנה נשמע אידיאלי, אך אותו מתכנת יישומים משובצים שיש בו היגיון יודע שלעתים קרובות המציאות אינה תואמת את המצב האידיאלי. ניפוי שגיאות מקוד הוא אתגר מרתיע, שיכול להפוך מרתיע עוד יותר, אם כרוך בכך ריבוי ליבות. הבעיה היא, כיצד נוכל לגרום לכך שתוכן הליבות ותוכן זיכרונות המטמון ייראה לעיני מהנדס התוכנה. בעיה זו יכולה להיפתר באמצעות כלי טוב לניפוי שגיאות.
כלי טוב לניפוי שגיאות, שנוצר מתוך הבנה מעמיקה של ריבוי ליבות, יכול להפוך את הגילוי של שגיאות קידוד, תנאי “מרוץ” (racing) ונעילת קיפאון (deadlock) לתהליך פשוט וקל יותר. הוא אמור גם להציג את ההקשר של הנתונים עבור כל ליבה ועבור זיכרונות המטמון שלהן, כדי שאפשר יהיה לצפות בדעיכת הנתונים ובזרימתם, בשעה שהיישום מנסה לטפל בצורה מכובדת בתנאי הקצה. הכלי של Freescale לפיתוח תוכנה בריבוי ליבות הוא סביבת הפיתוח ®CodeWarrior ל–StarCore V10.
כלי ניפוי השגיאות ®CodeWarrior יכול לספק את המידע האמור בעת ניפוי קוד מעבד DSP. כלי ניפוי השגיאות יכול לנהל ליבות מעבדים מרובות, כמו למשל שש הליבות שבהתקן MSC8156 של ®StarCore. הכלים של ®CodeWarrior, כאשר הם מוגדרים בקונפיגורציה בצורה נכונה, יכולים גם לנפות שגיאות מליבות רבות במערכת מרובת התקנים כמו למשל שלושה חלקי MSC8156 המחוברים בשרשרת דרך ממשק JTAG (ליצירה של 18 ליבות בסך הכל בדוגמה זו).
כלי ניפוי השגיאות ®CodeWarrior מספק עושר של מידע באמצעות נקודת המבט של ניפוי השגיאות. תצוגת ניפוי שגיאות מציגה את תהליכון (thread) הקוד המוקצה לליבה מסוימת ואת מצב הביצוע העכשווי שלו (כמו למשל במצב עצירה או פועל). אתה יכול להשתמש בתצוגות ממוינות עבור זיכרון, זיכרון מטמון ואוגרים (register), על מנת ללמוד את ההקשר שבו נמצאת ליבה שנבחרה בתצוגת ניפוי השגיאות. כאשר לוחצים על תהליכון בתצוגת ניפוי השגיאות, עוברות כל התצוגות האחרות להציג את ההקשר שבו נמצא המעבד של הליבה שלה שייך התהליכון. תצוגת עריכה מאפשרת לחקור את היישום ברמת קוד המקור ולעבור בו צעד אחר צעד.
כמובן שאפשר לקבוע נקודות עצירה (או נקודות צפייה) בקוד שמתבצע בליבה אחת או יותר. נקודות עצירה בחומרה מסתמכות על תכונות מיוחדות המשולבות בתוך המעבד ושאפשר לקשר אותן לליבה מסוימת אפילו עבור קוד המשמש בשיתוף (קוד שפועל ביותר מאשר ליבה אחת). אפשר לקבוע נקודות עצירה בתוכנה בכל סוג של קוד (המשמש בשיתוף או ללא שיתוף). עם זאת, הליבה הראשונה שתגיע לפקודה של נקודת העצירה, ללא קשר איזו מבין הליבות היא, תהיה זו שתעצור. בנוסף, קיימות פקודות למטרות מיוחדות של ריבוי ליבות שמאפשרות להתחיל, לעצור ולאפס את כל ליבות המעבדים באותו רגע, והן מאפשרות את חקירת המערכת כמכלול בכל רגע נתון.

כאשר במעבד יחיד פועלות שש ליבות או שבמערכת מרובת התקנים פועלות n ליבות, ייתכנו מצבים שבהם קבוצות חלקיות מורכבות של ליבות יפעילו חלקים שונים של קוד, קבוצות שהן מערכות משנה שיש להגדיר את הקונפיגורציה שלהן באופן שונה וכמו כן לבדוק אותן ולצפות בהן. הכלים של ®CodeWarrior תומכים ברעיון הפשוט של קבוצות הפעלה, על מנת להתמודד עם האתגר הזה. קבוצות הפעלה אוספות את הגדרות כלי ניפוי השגיאות עבור הליבות המוגדרות מראש ומציבות אותן בתוך אובייקט קבוצת הפעלה. כשמופעלת קבוצת ההפעלה שבה נכללות, למשל, שלוש ליבות מעבדים, רק אותן ליבות יתחילו לפעול. אפשר לקנן קבוצות הפעלה, כך שהפעלת קבוצת הפעלה אחת תפעיל את קבוצות ההפעלה שנכללות בה – וכתוצאה מכך מופעלות כל הליבות שנשלטות על ידן. לדוגמה, עבור מערכת מרובת ההתקנים האמורה, אפשר להגדיר בקונפיגורציה קבוצת הפעלה שמפעילה את כל הליבות שבמעבד הראשון, קבוצת הפעלה שנייה שמטפלת במעבד השני, וקבוצת הפעלה שלישית שמבקרת את ההתקן השלישי. לאחר מכן אפשר ליצור קבוצת הפעלה ראשית (master) שמכילה את שלוש קבוצת ההפעלה. כדי להפעיל את כל ההתקנים (ואת הליבות שלהם) בבת אחת, מפעילים רק את קבוצת ההפעלה הראשית. לחילופין, אפשר להשתמש בכל אחת מקבוצות ההפעלה באופן יחידני על מנת לטפל בהתקנים בנפרד לצורך בדיקה של הקוד שהוקצה להם.
לאחר שהקוד עבר ניפוי שגיאות והובא למצב מושלם, כלי ניפוי השגיאות ®CodeWarrior מספק כלים לביצוע אופטימיזציה של ביצועי הקוד. לדוגמה, אפשר להפעיל גרעין (kernel) מעבד DSP בכלי ההדמיה PACC שב–®CodeWarrior כשאפשרויות המעקב ויצירת הפרופילים מופעלות. אפשר להפעיל את התכונות האלה על ליבות מרובות או על ליבה יחידה. כנראה שהחלק במעקב שערכו הרב ביותר, הוא ניתוח הקוד הקריטי. חלק תצוגה זו מראה את המידע המתייחס לביצועי הגרעין עבור כל שורה של קוד מקור ב–C ושל פקודת אסמבלי. התצוגה כוללת גם את מצבי ה”תקיעה” (stall) של הליבות, מצבי “תקיעה” הקשורים לזיכרון המטמון ואת מצבי ה”תקיעה” של מערכות המשנה של הזיכרון. כך ניתן לראות היכן בדיוק מתרחשות החטאות של זיכרון המטמון ו”תקיעות” ליבה אחרות. לדוגמה, “תקיעה” חוזרת שמתרחשת בפעם הראשונה שהקוד ניגש לווקטור נתונים מרמזת על כך שהאלגוריתם יכול להשתפר כתוצאה משימוש בגישה שונה. “תקיעות” שמתרחשות בפקודות שמביאים אותן לעתים קרובות, מרמזות על מקומות שבהם אפשר להשתמש בפקודת PFETCH כדי להעביר מראש פקודות אל זיכרון המטמון על מנת לשפר את הביצועים. “תקיעות” בשולבים (interlock) ובקווי צינורות (pipline) של הליבה יכולות לציין אזורים שבהם אלגוריתם שונה יכול להאיץ את הביצועים. לעתים קרובות אפשר להקטין את ההשפעה של “תקיעה” פשוט על ידי ארגון מחדש של הקוד.

באיור מס 1: מעקב זיכרון המטמון עוקב אחרי השימוש בזיכרון המטמון ומציג אירועים כגון פגיעה (hit), החטאה (miss) ופגיעות מוקדמות (prefetch hits). אפשר להשתמש במידע זה על מנת להתאים ולכוון את קוד התוכנית ואת פעולות הנתונים, כדי לשפר את ביצועי זיכרון המטמון. החשיבות של פעולות אלו היא העובדה שהשינויים מתבצעים בהתבסס על נתונים אמינים, ולאחר מכן מתבצעים מעקב והפעלה בפרופילים נוספים כדי למדוד את תוצאות השינויים.
כתיבת קוד למערכות בריבוי ליבות דורשת את כשרונותיהם של מהנדסי תוכנה מנוסים. על ידי מסירת התמונה הברורה של המתרחש בתוכנית ומתן אפשרות לצפות בנתונים, כלי ניפוי השגיאות ®CodeWarrior מאפשר לבצע את העבודה טוב יותר.

מאת: Yan Vainter, Freescale Israel

בעזרת השימוש בבקרי חישנים ובקרת מגע בקרבה, דוגמת אלה המספקת חברת פריסקייל, יכולים כיום מתכנני מוצרים לשלב לחצני מגע בכל מקום כמעט: ממושבי מטוס, מכונות קפה, דרך שעונים ומחזיקי מפתחות ועד לאוזניות בלוטות’ ומצלמות רשת מותר לגעת, אסור ללחוץ לחצנים קיימים בכל מקום. המחשב הנייד מכוסה בלחצנים. כך גם הטלפון, המכונית והשלט–רחוק של הטלוויזיה. רבים מאתנו משקיעים חלק נכבד משעות העבודה בלחיצה על לחצנים. אם אינך דופק בטירוף על מקלדת המחשב שלך, הרי שאתה לוחץ על לחצנים בעכבר שלך על מנת ללחוץ על הדמיות של לחצנים במסך. בעצם התחלנו להשתמש בלחצנים שאינם באמת לחצנים, ובכך גלום אחד היתרונות הגדולים שביצירת לחצנים באמצעות חיישני מגע בקרבה. זהו זה… שאין חלקים נעים בחיישני מגע בקרבה אין על מה ללחוץ, פשוטו כמשמעו. אלו הם “מתגי נגיעה” ולא “מתגי לחיצה” (לחצנים). בחיישני מגע בקרבה בכלל אין חלקים נעים. אין קפיצים, אין נקישות ואין חלקים עליונים שחוזרים למקומם. מעבר לכך, אפשר לשלב אותם בכל מקום צפוף. דבר לא בולט מהמארז, ולכן המפתחים יכולים להתקין אותם בקו ישר עם קווי המתאר החיצוניים של המארזים המתוכננים שלהם. בקרת מגע בקרבה יכולה להיות חלופה מעניינת, במיוחד לממשקים קטנים או פשוטים שנדרש להם לחצן אחד או שניים. אפשר לשלב אותם בקלות בתכנון המוצר הסופי עם טרחה מזערית והם יכולים לספק יתרונות ארוכי טווח בתחומים של צריכת ההספק ואורך חיי המוצר. עם זאת, לפני שנציג כמה יישומים כאלו, נדון בסגולות הטכניות של סוג החיישן שיכול לאפשר את סוגי היתרונות האלה – הבקרים הזעירים מאוד של חברת Freescale המיועדים לשימוש עם חיישני מגע קיבוליים בקרבה, MPR03x (MPR031 ו–MPR032). בקרת מגע קוראת למייג’ור טום הטכנולוגיה שבעבר כונתה במקרים רבים בשם “הטכנולוגיה של עידן החלל”, אותם המוצרים והיישומים שנחשבו פעם כאלו שהגיעו “מהחלל החיצון”, קיימים כיום בכל פינה בבתים, במשרדים, במכוניות ואפילו בבתי הקפה. מעבר לכך, דור חדש של מוצרים מציע פונקציונליות רבה עוד יותר, תוך כדי הקטנת הממדים והרחבת הפשטות. הבקרים של חיישני המגע הקיבוליים בקרבה מתוכננים לספק ממשק אדם–מכונה למוצרים כאלה. מבט מקרוב על חיישני MPR03x התקני MPR03x מותאמים באופטימיזציה לניהול שתי אלקטרודות עם פונקציונליות של פסיקה (IRQ) או לניהול שלוש אלקטרודות עם IRQ מושבת. שימוש כזה יכול להתאים לטווח רחב של מימושים בשל הרגישות המוגברת ובגלל קבוצה מתמחה של תכונות. מפרט *מתח ההפעלה האופייני הוא 1.8 וולט כאשר זרם האספקה הממוצע במצב פעולה תלוי במשך זמן הדגימה. לדוגמה, זרם האספקה האופייני הממוצע במצב פעולה ומשך זמן הדגימה של 8 מילי–שניות יהיה הנמוך ביותר – 8 מיקרו–אמפר. במשך זמן דגימה של 64 מילי–שנייה הזרם האופייני יהיה 4 מיקרו–אמפר. זרמים נמוכים אלו מאפשרים חיי סוללה ארוכים אפילו לסוללות המטבע הקטנות ביותר. *הגודל הזעיר מאוד שלהם, 2 x 2 x 0.65 מ”מ, נתון במארזי 8 פינים שטוחים ללא מוליכים (DFN), מעניק למתכננים גמישות רבה בתכנון מעגלים ומאפשר תכנון יישומים קומפקטיים ביותר, עם מגבלות מקום מיוחדות כמו מחזיקי מפתחות ושעוני יד. *לבקרים של חיישני המגע הקיבוליים בקרבה MPR03x נדרש רק רכיב פסיבי חיצוני אחד, נגד של 75 קילו–אוהם מפין REXT להארקה. חיבורים: *חיישני MPR03x מנהלים עד שלוש אלקטרודות של משטח נגיעה (touch pad) עם אפשרות ליציאת פסיקה שקיימת על מנת להודיע למחשב המארח על שינויים במצב האלקטרודה. היא מרובבת עם יציאת האלקטרודה השלישית, כך שהשימוש ביציאת הפסיקה מקטין את מספר הכניסות לאלקטרודות לשתיים. חיישני MPR03x כוללים גם שלוש רמות של סינון אות הכניסה, כדי לגלות שינויים במצב כניסת משטח הנגיעה, הנובעים ממגע, ללא עיבוד ביישום. *כל חיישן MPR03x פועל כנשלט (slave) השולח ומקבל נתונים דרך ממשק I2C בקצב נתונים של עד 400 קילו–סיביות בשנייה. קווי נתונים (SDA) ואותות שעון (SCL) טוריים משמשים בממשק לתקשורות דו כיוונית בין שולטים (master) ונשלטים. שולט (בדרך כלל בקר מיקרו) יוזם את כל העברות הנתונים אל ומאת החיישן והוא יוצר את אות השעון המסנכרן אותן. קונפיגורציה לבקרי MPR03x יש שלוש רמות סינון. שתי הרמות הראשונות מאפשרות ליישום לשפר את האות לסילוק שינויים לא רצויים. המסנן הראשון מסנן רעש בתדירות גבוהה והשני מסנן רעש בתדירות נמוכה. את קונפיגורציית המסנן השלישי אפשר להגדיר לסילוק עירור נגיעה וכבסיס לגילוי נגיעה. בנוסף, ספים נפרדים לנגיעה ולשחרור עבור כל אחת מהאלקטרודות מאפשרים עצמאות גדולה של האלקטרודות. ספים אלו מספקים גם היסטרזיס במערכת, ומכאן שמצב המערכת לא תלוי בכניסה מסוימת. ההיסטרזיס מספק ספים נפרדים לנגיעה ולשחרור ולכן אפשר לקבוע ערכים שונים לנגיעה ולשחרור ולמנוע הפרעות. סף הנגיעה פעיל רק כשהקיבול גדל וסף השחרור מופעל כשהקיבול קטן לערך הבסיסי. היכולת להגדרת טווח הקיבול ייחודית להתקני MPR03x, והיא מאפשרת לכסות מגוון יישומים רחב בעזרת התקן יחיד. מאחר שמדידת הקיבול מתבססת על מודל סיכום המטען המסופק, מטען זה בלבד משפיע על טווח הקיבול. המטען המסופק הוא שילוב קצב (זרם קבוע) וזמן הטעינה. את הזרם אפשר לקבוע מ–1 עד 64 מיקרו–אמפר ואת זמן הטעינה אפשר לקבוע בין 0.5 ל–32 מיקרו–שנייה. התוצאה היא טווח מדידת קיבול בין 0.5 ל–2000 ננו–פאראד, אשר מספיק לכיסוי אלקטרודות בגודל דלת עד לחצני אצבע תוך שינוי שני פרמטרים בלבד. משפחת MPR03x מייצגת פתרונות שהם בעיקרם שני התקנים באותה המערכת. המשמעות היא שאפשר להשתמש בשני חלקים באותו קו I2C ולכן אפשר לפרוש יותר אלקטרודות באותה המערכת. גמישות זו מאפשרת הגדרה של ההתקנים לקבלת מירב הפונקציונליות או נצילות אנרגיה בתלות בעדיפות של היישום. משפחת MPR03x ביישומים משפחת MPR03x מאפשרת שימוש בבקרת מגע ביישומים שלא היה אפשרי בעבר. ליישומים אלו יש מאפיין אחד או יותר מהמאפיינים הבאים: 1.הם קטנים ביותר בגודלם, לעיתים נישאים 2. חיי הסוללה שלהם ארוכים ביותר 3.הם כוללים אלקטרוניקה פשוטה מאוד להלן כמה דוגמאות עם ציון מספר המאפיין לעיל, המתייחס לעדיפות מסוימת בתכנון. •אוזנית Bluetooth – אוזניות Bluetooth הולכות וקטנות עם המגבלה של גודל הלחצן ומיקומו. השימוש בלחצני מגע יכול להקל על התכנון ולאפשר שימוש בלחצן אחד או שניים לפונקציות מרובות, על מנת לשלוט בהפעלת המתח, בזיווג (pairing) התקנים ובעוצמה. להתקנים שמיועדים למקומות מרווחים יותר אפשר להשתמש בשני לחצנים כדי להקל את השימוש. מגבלת הגודל והסוללה הקטנה הופכים למתאים ביותר את השימוש בבקר חיישנים להספק נמוך בגודל 2 x 2 מ”מ. (1, 2). •מנורת שולחן – מנורות שולחן עם מתגי מגע פשוטים ממתכת קיימים בשוק כבר שנים ארוכות. עם זאת, המעבר לחישני קיבול מאפשר שליטה מדויקת יותר, כולל עמעום, הפעלה וכיבוי או אפילו אוטומציה של הבית. שימוש בחישן חכם יצור ממשקים פשוטים ואינטואיטיביים בהתקנים רבים בבית המודרני. (3). •מתקן למי שתייה – במקום להפעיל ברז הזנה עם ידית פלסטית במתקן למי שתייה, אפשר להשתמש בחיישן מגע קיבולי על מנת למזוג מים בפחות מאמץ. למשל, התקני משפחת MPR03x יכולים לשלוט בלחצני מגע למים קרים ולמים חמים. (3). •מחזיק מפתחות – לשלט רחוק לכניסה ללא מפתח יש שלושה שיקולי תכנון חשובים: צריכת הספק נמוכה ביותר, גודל קטן וקלות בשימוש. חיישן מגע קיבולי בגודל 2 x 2 מ”מ נותן מענה לכל שלושת הנושאים ומאפשר למתכנן גם לשלב בצורה טובה יותר פונקציונליות של נעילה, פתיחת נעילה, שחרור מנעול תא מטען ואזעקת חירום בתוך התכנון הסופי של מחזיק המפתחות (1, 2). •עט עם מתקן הצבעה בלייזר ונורית LED – בקרי משפחת MPR03x קטנים דיים כדי שיוכלו להשתלב ביישומים בגודל עט על מנת להוסיף יכולות בריבוי פונקציות בתקציב אנרגיה נמוך הכרוך בהפעלה בסוללה. לחצן מגע יחיד להפעלה ולכיבוי יכול לשמש כדי להפעיל נורית LED בתנאי סביבה של תאורה נמוכה או התקן הצבעה בלייזר להפעלה במצגות וככזה, מבלי להתפשר על התכנון של המבנה הדקיק של העט (1, 2, 3). •שעון יד ושעון מעורר – חיישן קיבולי בגודל 2 x 2 מ”מ מתאים במיוחד לתמיכה בלחצני מגע מרובי פונקציות על שטח הפנים המוגבל במיוחד של שעון יד. מאפייני ההספק הנמוך של החיישן מאריכים אף הם את אורך חיי הסוללה של היישום. חיישן זהה יכול לשמש בלחצני מגע מרובי פונקציות של שעון מעורר שבו בעיית המקום אינה חמורה אבל העלות וצריכת ההספק הנמוכות עודן נושאים בעלי עדיפות גבוהה (1, 2). •מפתחות מולטימדיה למחשב – למחשבים ניידים יש לחצנים נוספים רבים המאפשרים פונקציות מכרטיסים אלחוטיים ומצבי מצגות ועד לבקרי עוצמה ולנגני DVD מבוססי חומרה. לחצני מגע פשוטים יכולים לשמש כדי לפשט את התכנון המכני ולהעניק למחשבים מראה מודרני נאה (3). •תרמוסטט – התקני תרמוסטט חכמים משמשים יותר ויותר לבקרת אקלים יעילה. חישני מגע קיבוליים מאפשרים תכנון תרמוסטט יעיל יותר מבחינה אנרגטית וקל יותר לשימוש, והם יכולים להחליף את הלחצנים המכניים במשטחי נגיעה לצורך בחירה בזמן, בטמפרטורה ובתפריטים, הכל בעיצוב קומפקטי ואלגנטי יותר (1, 3). •עמעמי תאורה – חישני מגע קיבוליים יכולים להחליף את המתגים הנוטים להישבר בקלות, מסוג “לחץ להדלקה” ו”לחץ שנית לכיבוי” שנמצאים בעמעם. חיישן קיבולי יכול לתמוך בשני משטחי נגיעה, האחד לעמעום והשני להגברת האור ושניהם יחד לכיבוי והדלקת האור ללא חלקים נעים (3). •מצלמת רשת – רוב מצלמות הרשת פשוטות, קומפקטיות וזולות. אפשר לשלב חיישן מגע קיבולי קטן במצלמת רשת כלחצן יחיד להפעלה ועצירה, אשר יקטין את המורכבות, ישפר את האמינות וישמור על עלויות פיתוח ועל מחירי מכירה נמוכים (2). •מושבי מטוס – לחצני מגע יעילים במיוחד בסביבות שבהם קיימת תנועה רבה וחשיפה לפגיעה, כגון מושבי מטוסים מסחריים. חישני מגע יהיו זולים ואמינים כלחצני הפעלה לערוצי אודיו ווידיאו ולבקרה עוצמה. מאחר שאין בהם חלקים נעים התחזוקה שלהם מינימלית (1, 2, 3). •מכונות קפה – לחצני מגע שאינם מכניים מספקים שירות אמין ביישומים יומיומיים לאורך כל חיי המוצר. חיישן יחיד בגודל 2 x 2 יכול לפשט את התכנון ולהקל על השימוש על ידי כך שהוא מבקר שני לחצנים בלבד, האחד מיועד להפעלה וכיבוי והשני כדי לעבור בין המצבים השונים (3). מסקנות בעזרת השימוש בבקרי חישנים קטנים עם יכולות גמישות, כמו אלו שקיימים במשפחת MPR03x, מתכנני מוצרים יכולים לשלב לחצני מגע בכל מקום כמעט. התוצאות שיתקבלו יהיו תכנונים בעלי נצילות גבוהה וקשיחים יותר, עם יכולות של ריבוי פונקציות אפילו ביישומים קטנים או פשוטים ביותר.

בימים בהם רשתות התקשורת שלנו עמוסות בתעבורת נתונים (שרק הולכת וגדלה) יש צורך בפתרונות הולמים. למשל? ארכיטקטורות של מעבדים מרובי ליבות והתקני תשתית לרשתות מהדור הבא 

מאת: סריניוואסה אדפאלי ורקש ג'והן, Freescale Semiconductor (המשך…)

Freescale מרחיבה את משפחת  i.MX35ומציגה שני מעבדים i.MX353 ו- i.MX357 משולבי מולטימדיה ליישומים תעשייתיים וצרכניים. למעבדים קשת רחבה של ממשקי קישוריות לנוחות המשתמש. ל – i.MX353 מכוון למערכות מבוססות מסך cost-sensitive ו- i.MX357  משלב OpenVG 1.1, תואם יחידת עיבוד גרפי  ליישומים הדורשים ממשק משתמש מתקדם לרמות גרפיקה גבוהות.

שני המכשירים מתאימים למגוון רחב של יישומים תעשייתיים כגון אוטומציה מפעלית, בקרת בניין ומערכות HVAC המשלבות ממשקי אדם-מכונה מורכבים (HMI). המכשירים מספקים יכולות מולטימדיה אופטימאליות למכשירי ניווט (PNDs), ויישומים אלקטרוניים ניידים אחרים המצריכים תצוגות גרפיות למשתמש.

לפרטים נוספים:

FREESCALE SEMICONDUCTORS

רוזינה איצקוביץ 099522300

WWW.FREESCALE.COM

חברת Freescale הדגימה לאחרונה פריצת דרך בטכנולוגית המרת אנרגיה ליישומי PV.  החברה פיתחה ממיר DC ל- DC מתקדם במתח נמוך מאד בטכנולוגיה המאפשרת start-up וביצועי הפעלה ביעילות ברמות מתח נמוכות מאד, 0.32 volts לעומת מתח turn-on רגיל של טרנזיסטור – 0.7ÄV.  טכנולוגיה זו הינה יעילה מאד ואקונומית ליישומי מערכות אנרגיה סולארית בתא בודד, כגון מטענים לסוללות, מערכות השקיה אוטומטיות, מטענים לטלפונים סלולאריים ועוד.

לפרטים נוספים:

FREESCALE SEMICONDUCTORS

רוזינה איצקוביץ 099522300

WWW.FREESCALE.COM

חברת Freescale האיצה את הוצאתם לשוק של מוצרי מפתח לשוק התקשורת המבוססים על טכנולוגית 45 n-m בתגובה לביקוש רב מצד יצרני ציוד התשתית האלחוטית, בעיקר עבור מערכות 3G ו- 4G.

מדובר על מעבד PowerQUICC® MPC8569E, עבור ביצועים גבוהים בהספק נמוך, המהווה פתרון מושלם על שבב בודד במקום מכשירים רבים. QorIQâ„¢ P2020 בעל ליבה כפולה לביצועי עיבוד multicore בתקציב של ליבה בודדת, ומעבד אותות דיגיטלי -  MSC8156 StarCore® בעל 6 ליבות, המשלב ממשקים במהירויות גבוהות ויתרונות form factor.

לפרטים נוספים:

FREESCALE SEMICONDUCTORS

רוזינה איצקוביץ 099522300

WWW.FREESCALE.COM