The latest sensor interface adopts the dedicated processor, which is integrated with the conventional sensor analog front-end, to identify the proper events from the change of the electrical signal such as touch, proximity, temperature, motion, and IR(infrared radio) indicative signal as an example of rare-event sensing applications. The operating lifetime of the sensor systems including the sensor analog-front-end and sensor processor is becoming major research topics by enhancing the circuit level improvement and architectural innovation. In this dissertation, a specially-designed, event-driven sensor processor architecture for the rare-event sensing applications is proposed by allowing the accuracy error, which is caused by the characteristics of the sensing applications. The conventional sensor processor performs the discrete-time based data sampling, data-quantization and utilizes the advanced time-quantization approach to reduce the energy consumption. Especially, for the rare-event applications, in which the event-to-event distance is very long, can be represented with the pre-defined event signal for a certain amount of signal range by the event type data of the signal shape and featured elapsed time range. The received analog signals for the specified time region are converted into the series of the atomic events by the signal-to-event converter (S2E) before the sensor data processing is performed. The signal-to-event conversion approach consumes additional power consumption, but the entire signal sampling rate can be reduced, which is more effective way to reduce the energy consumption. The event conversion concept allowing the accuracy error is proposed to utilize application-specific constraints to reduce the power consumption in the dedicated oscillator and timer, in which large amount of current is needed for the conventional time-quantization. The event-driven sensor data processing unit is also proposed to identify the final detected event using only these featured atomic events instead of the conventional discrete-time data processing for the timely-sampled raw data. The power model for the proposed event-driven sensor processor architecture is proposed and evaluated by the MATLAB Simulink and cycle-accurate functional simulation is also performed by the Cadence NCSim Verilog simulator for the circuit level evaluation of the proposed system architecture. The event-driven sensor processor architecture, which is presented in this work, was implemented using the synthesizable Verilog RTL model in the 8051-core based microcontroller as a dedicated tiny core to handle the sensor signal efficiently in terms of the energy consumption. As a case study, the sync-pulse sensor processor for wireless sensor front-end for 3DTV active shutter glasses is implemented in 0.18 um CMOS embedded-flash process. The implemented sensor processor allowing the accuracy error in condition of the rare-event applications results in the aggressive power reduction compared to the result of the conventional discrete-time based sampling and processing method.
우리 주변에서 쉽게 볼수 있는 터치센서, 근조도센서, 온도센서, 모션센서, 적외선 센서 등은,
외부 신호를 감지하는 센서를 통해 외부 변화를 감지하는 반도체 응용시스템으로
디지털,아닐로그 회로기술과 SoC의 눈부신 발전으로 인해 반도체 시스템에 통합된 센서와 집적된 정밀 프로세서를 기반으로 구현된다.
센서기반 응용 시스템 특성상 한번 베터리를 장착한 뒤 장시간 사용이 가능한 기능을 제공해야 하므로,
외부 이벤트를 긴 시간 동안 처리하는 시간 개념을 적용하여 시스템의 각 블럭이 유기적으로 동작하면서
전체 이벤트를 처리하는데 소모되는 에너지를 줄이기 위한 복합적인 시스템적 기법이 적용되어야 한다.
본 논문에서는 센싱 응용 시스템은 반도체 칩의 동작 속도에 비해 외부 센싱 이벤트의 빈도가 매우 느리고
정확도가 떨어지더라도 시스템 응용에서 요구되는 허용치가 있다는 제약조건이라는 센싱 응용의 특수성을 가정하여
이벤트 기반의 저전력 프로세서 구조를 제안한다.
일반적인 센서 프로세서가 데이타 샘플링, 혹은 시간 샘플링 기반으로 입력 센서 신호의 특성을 고려하지 않고 범용적 기법을 적용하고 있기에
전력,에너지 소모 측면에서 비효율적이다. 제안된 이벤트 기반 프로세서는, 입력으로 센싱되는 연속신호의 일정 구간을 특정 레벨과
위상, 그리고 지연시간의 특성 데이타를 하나의 원자 이벤트로 변환하는 신호-이벤트 변환기를 기반으로 데이타 샘플이 아닌 이벤트 샘플링 기법과 회로를 제안한다.
신호-이벤트 변환기는 일정이상의 전력소모 증가를 유발하지만, 발생되는 이벤트 빈도가 줄어듬에 따라 전체적인 에너지 소모는 감소됨을 보여준다.
이벤트 생성시 정확한 시간정보를 샘플하는 것이 아니라 주어진 신호구간의 범위안에 특징점에 해당하는 레벨 통과, 위상, 시간의 허용범위만을 보기에
주기가 느리고 정확하지 않은 시간 오실레이터, 타이머를 사용할수 있게 된다. 이를 통해 이벤트 기반 프로세싱 방법에서 추가로 소모되는 상수 에너지를
절감시킬수 있게 된다. 신호-이벤트 변환기를 통해 얻어지는 원자 이벤트의 집합에 대해 이벤트 데이타 프로세싱 유닛을 통해 관계에 대한 해석을 수행한다.
샘플된 이벤트는 그 인덱스 값과 상세 정보가 분리되어 저장된다. 이벤트의 상세 정보를 읽기 위해 내장 플래쉬 메모리에 접근하기 위해 요구되는 추가 전류를 줄이기 위해
이벤트 정보의 바이너리 비트 역전 기법이 제안되었다. 이를 통해 수시로 이벤트 정보를 읽기 위해 플래쉬 메모리 센스 앰프에서 소모되는 전력과 에너지 증가를 줄이는 효과를 가져왔다. 신호-이벤트 변환시 시간 정보 저장을 위해 적용된 느리고 오차가 큰 오실레이터 클럭의 오차를 줄이기 위해, 입력 이벤트간의 시간 간격대비, 클럭 주기에 따른 디지털 오차의 값을 나머지 수로 표현하는 소수점 타이머를 통해 시간 오차를 감소시키는 효과를 얻었다. 본 연구에 대한 효과를 검토하기 위해
실측된 센싱 신호를 먼저 수집한 뒤, Verilog 언어로 구현된 제안된 이벤트 기반 프로세서의 입력으로 넣어, 상용 시뮬레이터툴을 사용하여 전통적인 전력 시뮬레이션을 수행하였다. 전통적인 방법인 데이타 샘플링, 시간 샘플링에 기반한 방법보다 오차를 허용하는 이벤트 기반 프로세서의 에너지 소모량이 월등하게 줄어듬을 볼 수 있었다. 사례연구로써, 3차원 셔터 안경에 사용되는 적외선 센서 프로세서에 대해 본 프로세서 아키텍쳐를 적용하여, 주기적으로 전송되는 적외선 신호의 파형을 감지하고 주기적인 데이타 샘플링 및 디지털 신호 처리, 혹은 인터럽트 기반 시간 샘플링 접근법에 비해 8배 가량 에너지 소모가 줄어드는 결과를 얻었다. 본 연구를 통해 데이타 샘플링 및 디지털 신호 프로세싱, 시간 샘플링 및 비동기 연속 신호 프로세싱, 이벤트 샘플링 및 프로세싱에 대한 통합적인 해석과 연구를 통해 신호를 해석하는 관점에 따라, 신호의 형태에 따라, 신호의 이벤트 빈도에 따라 각각의 적용결과가 서로 다르며, 목적에 맞는 효율적인 방법을 선택하여 효과적인 결과를 얻는데 필요한 기준을 제시하였다.
