引 言

智能傳感器技術(shù)是一門正在蓬勃發(fā)展的現(xiàn)代傳感器技術(shù),，是涉及微機(jī)械和微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù),、網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù),、信號(hào)處理技術(shù)、電路與系統(tǒng),、傳感技術(shù),、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息融合技術(shù),、小波變換理論,、遺傳理論、模糊理論等多種學(xué)科的綜合技術(shù),。

智能傳感器中智能功能如：數(shù)字信號(hào)輸出,、信息存儲(chǔ)與記憶、邏輯判斷,、決策,、自檢、自校,、自補(bǔ)償都是以微處理器為基礎(chǔ)的,。基于微處理器的傳感器從簡(jiǎn)單的數(shù)字化與信息處理已發(fā)展到了目前具有網(wǎng)絡(luò)通信功能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),、模糊理論,、遺傳理論、小波變換理論,、多傳感器信息融合等新理論新技術(shù)逐步完善的現(xiàn)代智能傳感器,。其微處理器硬件也經(jīng)歷了從單CPU結(jié)構(gòu)到多CPU甚至DSP、ASIC與MCU相混合的結(jié)構(gòu),。然而微處理器在可靠性,、功耗、功能復(fù)用等多方面存在著與生俱來的一些不可克服的缺點(diǎn)與不足,，阻礙了智能傳感器的進(jìn)一步發(fā)展,。由系統(tǒng)IC向SOC(System on ChIP)轉(zhuǎn)變已成為歷史發(fā)展的必然趨勢(shì)。SOC用硬件實(shí)現(xiàn)了以往軟件實(shí)現(xiàn)的功能,。與一般MCU 相比,，它具有可靠性高、價(jià)格低,、速度快,、體積小、功能復(fù)用,、保密性好等一系列優(yōu)點(diǎn),。傳統(tǒng)的S OC設(shè)計(jì)是以超深亞微米IC設(shè)計(jì)技術(shù)為基礎(chǔ)的，具有集成電路ASIC設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度,。隨著SOC平臺(tái)和EDA 技術(shù)發(fā)展以及IP新經(jīng)濟(jì)模式的推動(dòng),，在SOC應(yīng)用設(shè)計(jì)上越來越多的從傳統(tǒng)的硅片設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)到利用大規(guī)模可編程的FPGA 芯片設(shè)計(jì),?；贔PGA 的SOC設(shè)計(jì)其開發(fā)周期短、開發(fā)工具及語言標(biāo)準(zhǔn)化,、設(shè)計(jì)和器件無關(guān)等特點(diǎn),，使得它與使用單片機(jī)一樣容易。大量的FPGA 成功應(yīng)用的報(bào)道都是在圖像處理,、電力系統(tǒng)等領(lǐng)域,。在傳感器智能化領(lǐng)域上的應(yīng)用仍處于開發(fā)研究階段。傳感器方面的少量應(yīng)用也僅限于用它作為一個(gè)或幾個(gè)獨(dú)立功能模塊,，如：通信模塊,、自補(bǔ)償模塊等都不具有系統(tǒng)的作用與功能，不能真正地成為片上系統(tǒng)(SOC),。本文將提出集采集系統(tǒng),、補(bǔ)償校正,、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)通信,、任務(wù)調(diào)度,、人機(jī)界面、IP功能復(fù)用等功能模塊于一體的智能傳感器SOC/IP設(shè)計(jì)及基于FPGA與ARM7微處理器芯片的實(shí)現(xiàn)方法,。

SOC/IP概念與智能傳感器SOC設(shè)計(jì)方法

SOC： System on Chip指建立在單芯片上的系統(tǒng)。IP： Intellectual Property 自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),。傳統(tǒng)的智能傳感器設(shè)計(jì)方法是以功能設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的,。而SOC設(shè)計(jì)方法以功能復(fù)用與搭建為基礎(chǔ)，在芯片上用若干個(gè)宏模塊來構(gòu)建復(fù)雜系統(tǒng),。這些已經(jīng)開發(fā)的宏模塊就是通用的IP核,。IP核的重用可以降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，減少產(chǎn)品上市時(shí)間,。

利用SOC/IP芯片能組成完整的智能傳感器系統(tǒng),。智能傳感器傳感參數(shù)可能是多種多樣的。但從功能模塊組成來講,，它主要包括數(shù)據(jù)采集模塊,、補(bǔ)償與校正模塊、數(shù)據(jù)處理模塊,、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信模塊,、人機(jī)界面和任務(wù)管理與調(diào)度模塊等功能單元。從而基于IP的智能傳感器SOC設(shè)計(jì)過程為：首先正確建立智能傳感器的通用模塊模型,；然后合理劃分各摸塊功能規(guī)范,，制定各模塊之間的接口協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn)；再設(shè)計(jì)出一系列通用的IP核,；最后把所需的通用IP核搭建整合在一起構(gòu)成完整的智能傳感器系統(tǒng),。

智能傳感器IP核設(shè)計(jì)與SOC構(gòu)建

智能傳感器涉及到數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理(程控放大,、線性化,、信號(hào)濾波、信號(hào)補(bǔ)償,、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),、遺傳理論、多傳感器融合,、模糊理論等) ,、數(shù)據(jù)通信、人機(jī)界面及任務(wù)調(diào)度等各種功能,。在IP核設(shè)計(jì)與SOC構(gòu)建中,，為了簡(jiǎn)化工作,，降低復(fù)雜度，我們選用基于FPGA的IP核及基于 ARM7TDMI-SCPU 的IP核兩種SOC設(shè)計(jì)方式,，其中FPGA的IP核主要完成數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理模塊,，基于ARM7 的IP核完成數(shù)據(jù)通信、人機(jī)界面及任務(wù)調(diào)度工作,。

數(shù)據(jù)采集

傳統(tǒng)的傳感器信號(hào)數(shù)字化大多采用的是VFC,、串行A/D、并行A/D 等方案,。每一方案都可設(shè)計(jì)成相應(yīng)的IP核,。雖然已經(jīng)有人用FPGA完成數(shù)據(jù)采集，但都是以特定應(yīng)用的方式,，而不是以通用的IP核方式設(shè)計(jì)的,。我們介紹采用 MAX125完成的并行A/D接口IP核設(shè)計(jì)。MAX125 8通道14bit的并行A/D芯片,。在FPGA A/D IP核設(shè)計(jì)中,，提供給MAX125信號(hào)有啟動(dòng)轉(zhuǎn)換及轉(zhuǎn)換結(jié)束后的時(shí)序信號(hào)，讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果并存儲(chǔ)到FPGA 芯片內(nèi)部RAM中的數(shù)據(jù)信號(hào),。該A/D IP核我們已經(jīng)開發(fā)成功,，并獲得了很好的使用。

信號(hào)處理

信號(hào)處理是智能傳感器的主要內(nèi)容之一,。通常包含線性化,、濾波、各類補(bǔ)償,、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),、模糊理論、遺傳算法,、多傳感器融合等工作,。在濾波中，除了常規(guī)的 FFT,、DFT之外,，近幾年還出現(xiàn)了小波變換。由于芯片速度上的優(yōu)勢(shì),，如何實(shí)現(xiàn)各信號(hào)處理IP核通用化設(shè)計(jì),，已成為相關(guān)信號(hào)處理算法IP核設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

如在線性化處理設(shè)計(jì)中,，我們把各類傳感器的線性化算法都設(shè)計(jì)到一個(gè)通用的線性化IP核中,。在任務(wù)調(diào)用時(shí)再根據(jù)不同類型傳感器線性化算法要求，組態(tài)選擇出相應(yīng)的算法IP核,，供實(shí)際需要使用,。

數(shù)據(jù)通信

設(shè)置數(shù)據(jù)通信接口主要是考慮芯片還可以同外部CPU或網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成更加復(fù)雜的測(cè)控系統(tǒng),。為了方便芯片的設(shè)計(jì)，節(jié)省芯片資源,，我們選用基于ARM7的 philIPs LPC2106 芯片進(jìn)行通信IP核設(shè)計(jì),。它可以將一系列不同的通信接口(如： CAN、以太網(wǎng),、TCP/IP,、RS232/485、I2C,、SPI) 以及不同的通信規(guī)程用一個(gè)通用的微處理器實(shí)現(xiàn),。通過與上位機(jī)與各類網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙測(cè),、網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程智能測(cè)量節(jié)點(diǎn)等功能。通信IP核設(shè)計(jì)主要任務(wù)是通信規(guī)約算法設(shè)計(jì),。而大多數(shù)接口因?yàn)榛贏RM7的微處理器都能提供,，所以就不需要做太多的工作。

人機(jī)界面與任務(wù)調(diào)度

人機(jī)界面與任務(wù)調(diào)度IP核也用ARM7微處理器設(shè)計(jì),。人機(jī)界面主要設(shè)計(jì)鍵盤接口及LCD/LED/CRT等顯示接口,。利用ARM7強(qiáng)大的GPIO功能是不難加以實(shí)現(xiàn)的。

任務(wù)調(diào)度IP主要包括數(shù)據(jù)采集調(diào)度,、信號(hào)處理調(diào)度,、數(shù)據(jù)通信調(diào)度及人機(jī)界面調(diào)度等工作。我們采用以源碼公開的嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ2.52版為基礎(chǔ),，將它移植到LPC2106 ARM微處理器中,。在μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上開發(fā)各種應(yīng)用軟件，完成智能傳感器所需要的各類任務(wù)調(diào)度與組態(tài)工作,。

應(yīng)用舉例

有了基本的IP內(nèi)核,，我們就可以根據(jù)需要通過對(duì)IP核的組態(tài)(在嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ的調(diào)度下)構(gòu)成各類所需的智能傳感器系統(tǒng)。圖1 所示是用于熱電偶溫度測(cè)溫的智能傳感器的SOC設(shè)計(jì)實(shí)例,。所有算法IP模塊都加載到ALTERA公司的APEX20K的多芯片F(xiàn)PGA 上,，完成溫度信號(hào)采集、A/D變換,、低端補(bǔ)償,、線性化、程控放大等功能,。芯片的總體外部引腳包括A/D接口的數(shù)據(jù)線和控制線,、微處理器接口的數(shù)據(jù)線和控制線、程控放大的控制線等,。微處理器選用具有ARM IP核的Philips公司的LPC2106芯片,。它完成通信功能,、實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能、人機(jī)接口功能及任務(wù)調(diào)度功能,。通信IP包括I2C總線,、 RS232/RS485總線、CAN總線,、TCP/IP協(xié)議,、以態(tài)網(wǎng)等。

圖1 　基于IP的智能傳感器的SOC設(shè)計(jì)

圖2 是基于以上系統(tǒng)芯片構(gòu)成的熱電偶智能傳感器的組成框圖,。其核心是兩片SOC,，其中FPGA SOC選用的是APEX20K，MCU SOC選用的是具有ARM IP核的ARM7 TDMI-S 微處理器,。該智能傳感器的樣機(jī)已經(jīng)完成,。FPGA 的片上芯片經(jīng)硬件仿真測(cè)試，其A/D采樣,、線性化算法,、冷端溫度補(bǔ)償、多傳感器融合等功能與算法都已通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,。MCU的SOC在48MHz 系統(tǒng)時(shí)鐘的運(yùn)行下,，通過了通信、人機(jī)界面,、實(shí)時(shí)日歷時(shí)鐘,、任務(wù)調(diào)度管理等功能的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的可行性,。

圖2 　基于SOC芯片構(gòu)成的熱電偶智能傳感器的組成框圖

結(jié)束語

本文通過實(shí)例介紹了智能傳感器IP/SOC設(shè)計(jì)的方法,。在設(shè)計(jì)通用智能傳感器IP核的基礎(chǔ)上，通過IP復(fù)用,，只需改變或重新設(shè)置數(shù)據(jù)與任務(wù)調(diào)用模塊就能設(shè)計(jì)出應(yīng)用于其他各類智能傳感器的SOC系統(tǒng),。

由于SOC開發(fā)及EDA設(shè)計(jì)工具的限制，以FPGA與MCU為基礎(chǔ),，以實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用為切入點(diǎn),，進(jìn)行智能傳感器的SOC/IP設(shè)計(jì)是符合當(dāng)前SOC設(shè)計(jì)和我國(guó)實(shí)際情況的研究方式。為了提高智能傳感器SOC/IP的設(shè)計(jì)能力,，必須特別注意以下幾個(gè)方面的總結(jié)工作： ①EDA工具：包括開發(fā)工具,、設(shè)計(jì)工具、分析工具以及驗(yàn)證工具,。②HDL語言工具：要充分利用HDL 語言結(jié)構(gòu)好的特點(diǎn),，采用自頂向下的模塊化設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)詳細(xì)的配置和接口標(biāo)準(zhǔn)化,。③IP資源,，一方面指充分利用現(xiàn)有通用IP的資源及資源標(biāo)準(zhǔn),，如接口、規(guī)范,、可測(cè)試性等,，以及世界上市場(chǎng)份額占有率最大的ARM公司的IP核資源。另外一方面指智能傳感器本身IP核的總結(jié)與提高,。

FPGA 的可現(xiàn)場(chǎng)編程特點(diǎn)使基于SOC/IP的智能傳感器設(shè)計(jì)更加靈活,，各IP模塊并行處理的特點(diǎn)使以往用單一CPU無法實(shí)現(xiàn)的，如需要高速數(shù)據(jù)處理的傳感器校正算法,、補(bǔ)償算法,、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳感算法、模糊傳感算法,、多傳感器融合等復(fù)雜算法得以實(shí)現(xiàn),。可進(jìn)一步提高測(cè)量精度,、測(cè)量范圍與測(cè)量?jī)?nèi)容,。同時(shí)，用硬件實(shí)現(xiàn)以往軟件的功能,，能解決干擾引起的程序死機(jī)問題，極大地提高了智能傳感器系統(tǒng)的可靠性,。