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1 引 言
智能傳感器技術是一門正在蓬勃發(fā)展的現(xiàn)代傳感器技術，是涉及微機械和微電子技術、計算機技術、網絡與通信技術、信號處理技術、電路與系統(tǒng)、傳感技術、神經網絡技術、信息融合技術、小波變換理論、遺傳理論、模糊理論等多種學科的綜合技術。
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、自補償都是以微處理器為基礎的�；谖⑻幚砥鞯膫鞲衅鲝暮唵蔚臄�(shù)字化與信息處理已發(fā)展到了目前具有網絡通信功能、神經網絡、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逐步完善的現(xiàn)代智能傳感器。其微處理器硬件也經歷了從單CPU結構到多CPU甚至DSP、ASIC與MCU相混合的結構。然而微處理器在可靠性、功耗、功能復用等多方面存在著與生俱來的一些不可克服的缺點與不足，阻礙了智能傳感器的進一步發(fā)展。由系統(tǒng)IC向SOC(System on ChIP)轉變已成為歷史發(fā)展的必然趨勢。SOC用硬件實現(xiàn)了以往軟件實現(xiàn)的功能。與一般MCU 相比，它具有可靠性高、價格低、速度快、體積小、功能復用、保密性好等一系列優(yōu)點。傳統(tǒng)的S OC設計是以超深亞微米IC設計技術為基礎的，具有集成電路ASIC設計的復雜程度。隨著SOC平臺和EDA 技術發(fā)展以及IP新經濟模式的推動，在SOC應用設計上越來越多的從傳統(tǒng)的硅片設計轉到利用大規(guī)�？删幊痰腇PGA 芯片設計�；贔PGA 的SOC設計其開發(fā)周期短、開發(fā)工具及語言標準化、設計和器件無關等特點，使得它與使用單片機一樣容易。大量的FPGA 成功應用的報道都是在圖像處理、電力系統(tǒng)等領域。在傳感器智能化領域上的應用仍處于開發(fā)研究階段。傳感器方面的少量應用也僅限于用它作為一個或幾個獨立功能模塊，如：通信模塊、自補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)、補償校正、數(shù)據處理、數(shù)據通信、任務調度、人機界面、IP功能復用等功能模塊于一體的智能傳感器SOC/IP設計及基于FPGA與ARM7微處理器芯片的實現(xiàn)方法。
2 SOC/IP概念與智能傳感器SOC設計方法
SOC：System on Chip指建立在單芯片上的系統(tǒng)。
IP： Intellectual Property 自主知識產權。
傳統(tǒng)的智能傳感器設計方法是以功能設計為基礎的。而SOC設計方法以功能復用與搭建為基礎，在芯片上用若干個宏模塊來構建復雜系統(tǒng)。這些已經開發(fā)的宏模塊就是通用的IP核。IP核的重用可以降低產品設計的復雜度，減少產品上市時間。
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)據采集模塊、補償與校正模塊、數(shù)據處理模塊、數(shù)據網絡通信模塊、人機界面和任務管理與調度模塊等功能單元。從而基于IP的智能傳感器SOC設計過程為：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)議與標準；再設計出一系列通用的IP核；最后把所需的通用IP核搭建整合在一起構成完整的智能傳感器系統(tǒng)。
3 智能傳感器IP核設計與SOC構建
智能傳感器涉及到數(shù)據采集、信號處理(程控放大、線性化、信號濾波、信號補償、人工神經網絡、遺傳理論、多傳感器融合、模糊理論等) 、數(shù)據通信、人機界面及任務調度等各種功能。在IP核設計與SOC構建中，為了簡化工作，降低復雜度，我們選用基于FPGA的IP核及基于ARM7TDMI-SCPU 的IP核兩種SOC設計方式，其中FPGA的IP核主要完成數(shù)據采集與信號處理模塊，基于ARM7 的IP核完成數(shù)據通信、人機界面及任務調度工作。
3.1 數(shù)據采集
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。每一方案都可設計成相應的IP核。雖然已經有人用FPGA完成數(shù)據采集，但都是以特定應用的方式，而不是以通用的IP核方式設計的。我們介紹采用MAX125完成的并行A/D接口IP核設計。MAX125 8通道14bit的并行A/D芯片。在FPGA A/D IP核設計中，提供給MAX125信號有啟動轉換及轉換結束后的時序信號，讀取轉換結果并存儲到FPGA 芯片內部RAM中的數(shù)據信號。該A/D IP核我們已經開發(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容之一。通常包含線性化、濾波、各類補償、人工神經網絡、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，如何實現(xiàn)各信號處理IP核通用化設計，已成為相關信號處理算法IP核設計的關鍵。
如在線性化處理設計中，我們把各類傳感器的線性化算法都設計到一個通用的線性化IP核中。在任務調用時再根據不同類型傳感器線性化算法要求，組態(tài)選擇出相應的算法IP核，供實際需要使用。
3.3 數(shù)據通信
設置數(shù)據通信接口主要是考慮芯片還可以同外部CPU或網絡構成更加復雜的測控系統(tǒng)。為了方便芯片的設計，節(jié)省芯片資源，我們選用基于ARM7的philIPs LPC2106 芯片進行通信IP核設計。它可以將一系列不同的通信接口(如： CAN、以太網、TCP/IP、RS232/485、I2C、SPI) 以及不同的通信規(guī)程用一個通用的微處理器實現(xiàn)。通過與上位機與各類網絡的聯(lián)接，實現(xiàn)遠程遙測、網絡遠程智能測量節(jié)點等功能。通信IP核設計主要任務是通信規(guī)約算法設計。而大多數(shù)接口因為基于ARM7的微處理器都能提供，所以就不需要做太多的工作。
