引 言
智能傳感器技術是一門正在蓬勃發展的現代傳感器技術，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、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。基于微處理器的傳感器從簡單的數字化與信息處理已發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展。由系統IC向SOC(System on ChIP)轉變已成為歷史發展的必然趨勢。SOC用硬件實現了以往軟件實現的功能。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點。傳統的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的硅片設計轉到利用大規模可編程的FPGA 芯片設計。基于FPGA 的SOC設計其開發周期短、開發工具及語言標準化、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、電力系統等領域。在傳感器智能化領域上的應用仍處于開發研究階段。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的作用與功能，不能真正地成為片上系統(SOC)。本文將提出集采集系統、補償校正、數據處理、數據通信、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方法。
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。IP： Intellectual Property 自主知識產權。傳統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。這些已經開發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。智能傳感器傳感參數可能是多種多樣的。但從功能模塊組成來講，它主要包括數據采集模塊、補償與校正模塊、數據處理模塊、數據網絡通信模塊、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范，制定各模塊之間的接口協議與標準；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。
智能傳感器IP核設計與SOC構建
智能傳感器涉及到數據采集、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核主要完成數據采集與信號處理模塊，基于ARM7 的IP核完成數據通信、人機界面及任務調度工作。
數據采集
傳統的傳感器信號數字化大多采用的是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中的數據信號。該A/D IP核我們已經開發成功，并獲得了很好的使用。
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，除了常規的 FFT、DFT之外，近幾年還出現了小波變換。由于芯片速度上的優勢，如何實現各信號處理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，組態選擇出相應的算法IP核，供實際需要使用。
數據通信
設置數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。為了方便芯片的設計，節省芯片資源，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) 以及不同的通信規程用一個通用的微處理器實現。通過與上位機與各類網絡的聯接，實現遠程遙測、網絡遠程智能測量節點等功能。通信IP核設計主要任務是通信規約算法設計。而大多數接口因為基于ARM7的微處理器都能提供，所以就不需要做太多的工作。
人機界面與任務調度
人機界面與任務調度IP核也用ARM7微處理器設計。人機界面主要設計鍵盤接口及LCD/LED/CRT等顯示接口。利用ARM7強大的GPIO功能是不難加以實現的。
任務調度IP主要包括數據采集調度、信號處理調度、數據通信調度及人機界面調度等工作。我們采用以源碼公開的嵌入式操作系統μC/OS-Ⅱ2.52版為基礎，將它移植到LPC2106 ARM微處理器中。在μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系統基礎上開發各種應用軟件，完成智能傳感器所需要的各類任務調度與組態工作。
應用舉例
有了基本的IP內核，我們就可以根據需要通過對IP核的組態(在嵌入式操作系統μC/OS-Ⅱ的調度下)構成各類所需的智能傳感器系統。圖1 所示是用于熱電偶溫度測溫的智能傳感器的SOC設計實例。所有算法IP模塊都加載到ALTERA公司的APEX20K的多芯片FPGA 上，完成溫度信號采集、A/D變換、低端補償、線性化、程控放大等功能。芯片的總體外部引腳包括A/D接口的數據線和控制線、微處理器接口的數據線和控制線、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、實時時鐘功能、人機接口功能及任務調度功能。通信IP包括I2C總線、 RS232/RS485總線、CAN總線、TCP/IP協議、以態網等。
圖1 基于IP的智能傳感器的SOC設計
圖2 是基于以上系統芯片構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已經完成。FPGA 的片上芯片經硬件仿真測試，其A/D采樣、線性化算法、冷端溫度補償、多傳感器融合等功能與算法都已通過實驗驗證。MCU的SOC在48MHz 系統時鐘的運行下，通過了通信、人機界面、實時日歷時鐘、任務調度管理等功能的實驗，驗證了該設計的可行性。
圖2 基于SOC芯片構成的熱電偶智能傳感器的組成框圖
結束語
本文通過實例介紹了智能傳感器IP/SOC設計的方法。在設計通用智能傳感器IP核的基礎上，通過IP復用，只需改變或重新設置數據與任務調用模塊就能設計出應用于其他各類智能傳感器的SOC系統。
由于SOC開發及EDA設計工具的限制，以FPGA與MCU為基礎，以實際系統應用為切入點，進行智能傳感器的SOC/IP設計是符合當前SOC設計和我國實際情況的研究方式。為了提高智能傳感器SOC/IP的設計能力，必須特別注意以下幾個方面的總結工作： ①EDA工具：包括開發工具、設計工具、分析工具以及驗證工具。②HDL語言工具：要充分利用HDL 語言結構好的特點，采用自頂向下的模塊化設計，強調詳細的配置和接口標準化。③IP資源，一方面指充分利用現有通用IP的資源及資源標準，如接口、規范、可測試性等，以及世界上市場份額占有率最大的ARM公司的IP核資源。另外一方面指智能傳感器本身IP核的總結與提高。
FPGA 的可現場編程特點使基于SOC/IP的智能傳感器設計更加靈活，各IP模塊并行處理的特點使以往用單一CPU無法實現的，如需要高速數據處理的傳感器校正算法、補償算法、神經網絡傳感算法、模糊傳感算法、多傳感器融合等復雜算法得以實現。可進一步提高測量精度、測量范圍與測量內容。同時，用硬件實現以往軟件的功能，能解決干擾引起的程序死機問題，極大地提高了智能傳感器系統的可靠性。