1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(lái)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（systemonchip）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soc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(lái)越多的從傳統(tǒng)的硅片設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)到利用大規(guī)?？删幊痰膄pga芯片設(shè)計(jì)?；趂pga的soc設(shè)計(jì)其開(kāi)發(fā)周期短、開(kāi)發(fā)工具及語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)化、設(shè)計(jì)和器件無(wú)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(kāi)發(fā)研究階段。傳感器方面的少量應(yīng)用也于用它作為一個(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。
2soc/ip概念與智能傳感器soc設(shè)計(jì)方法
soc：systemonchip指建立在單芯片上的系統(tǒng)。
ip：inlectualproperty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(lái)構(gòu)建復(fù)雜系統(tǒng)。這些已經(jīng)開(kāi)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(lái)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(guò)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；zui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)。
3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。
3.1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)。max1258通道14bit的并行a/d芯片。在fpgaa/dip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/dip核我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)成功，并獲得了很好的使用。
3.2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。
3.3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philipslpc2106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(guò)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)榛赼rm7的微處理器都能提供，所以就不需要做太多的工作。
3.4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l(fā)cd/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(kāi)的嵌入式操作系統(tǒng)μc/os-ⅱ2.52版為基礎(chǔ)，將它移植到lpc2106arm微處理器中。在μc/os-ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上開(kāi)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。
4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(guò)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fpga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armip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fpgasoc選用的是apex20k，mcusoc選用的是具有armip核的arm7tdmi-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(guò)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(guò)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
5結(jié)束語(yǔ)
本文通過(guò)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(guò)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)。
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(wú)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)?？蛇M(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(wèn)題，極大地提高了智能傳感器系統(tǒng)的可靠性。