淺析智能傳感器SOC的設(shè)計(jì)原理與方法

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)字信號輸出、信息存儲與記憶、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?；谖⑻幚砥鞯膫鞲衅鲝暮唵蔚臄?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。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。

2、 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)。

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、信號處理(程控放大、線性化、信號濾波、信號補(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信號有啟動(dòng)轉(zhuǎn)換及轉(zhuǎn)換結(jié)束后的時(shí)序信號，讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果并存儲到FPGA 芯片內(nèi)部RAM中的數(shù)據(jù)信號。該A/D IP核我們已經(jīng)開發(fā)成功，并獲得了很好的使用。

3.2 信號處理

信號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，如何實(shí)現(xiàn)各信號處理IP核通用化設(shè)計(jì)，已成為相關(guān)信號處理算法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、網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程智能測量節(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。

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。

4 、應(yīng)用舉例

有了基本的IP內(nèi)核，我們就可以根據(jù)需要通過對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

5 、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)。

FPGA的可現(xiàn)場編程特點(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)?？蛇M(jìn)一步提高測量精度、測量范圍與測量內(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。