引 言
智能传感器技能是一门正在蓬勃开展的现代传感器技能，是触及微机械和微电子技能、计算机技能、网络与通讯技能、信号处理技能、电路与体系、传感技能、神经网络技能、信息交融技能、小波改换理论、遗传理论、含糊理论等多种学科的归纳技能。
智能传感器中智能功用如：数字信号输出、信息存储与回忆、逻辑判别、决议计划、自检、自校、自补偿都是以微处理器为根底的。依据微处理器的传感器从简略的数字化与信息处理已开展到了现在具有网络通讯功用、神经网络、含糊理论、遗传理论、小波改换理论、多传感器信息交融等新理论新技能逐步完善的现代智能传感器。其微处理器硬件也阅历了从单CPU结构到多CPU乃至DSP、ASIC与MCU相混合的结构。但是微处理器在可靠性、功耗、功用复用等多方面存在着与生俱来的一些不行战胜的缺陷与缺乏，阻止了智能传感器的进一步开展。由体系IC向SOC(System on ChIP)改动已成为前史开展的必然趋势。SOC用硬件完结了以往软件完结的功用。与一般MCU 比较，它具有可靠性高、价格低、速度快、体积小、功用复用、保密性好等一系列长处。传统的S OC规划是以超深亚微米IC规划技能为根底的，具有集成电路ASIC规划的杂乱程度。跟着SOC渠道和EDA 技能开展以及IP新经济形式的推进，在SOC运用规划上越来越多的从传统的硅片规划转到运用大规模可编程的FPGA 芯片规划。依据FPGA 的SOC规划其开发周期短、开发东西及言语标准化、规划和器材无关等特色，使得它与运用单片机相同简单。很多的FPGA 成功运用的报导都是在图画处理、电力体系等范畴。在传感器智能化范畴上的运用仍处于开发研讨阶段。传感器方面的少数运用也仅限于用它作为一个或几个独立功用模块，如：通讯模块、自补偿模块等都不具有体系的效果与功用，不能真实地成为片上体系(SOC)。本文将提出集收集体系、补偿校对、数据处理、数据通讯、使命调度、人机界面、IP功用复用等功用模块于一体的智能传感器SOC/IP规划及依据FPGA与ARM7微处理器芯片的完结办法。
SOC/IP概念与智能传感器SOC规划办法
SOC： System on Chip指树立在单芯片上的体系。IP： Intellectual Property 自主知识产权。传统的智能传感器规划办法是以功用规划为根底的。而SOC规划办法以功用复用与树立为根底，在芯片上用若干个宏模块来构建杂乱体系。这些现已开发的宏模块便是通用的IP核。IP核的重用能够下降产品规划的杂乱度，削减产品上市时刻。
运用SOC/IP芯片能组成完好的智能传感器体系。智能传感器传感参数可能是多种多样的。但从功用模块组成来讲，它首要包含数据收集模块、补偿与校对模块、数据处理模块、数据网络通讯模块、人机界面和使命办理与调度模块等功用单元。然后依据IP的智能传感器SOC规划进程为：首要正确树立智能传感器的通用模块模型；然后合理区分各摸块功用标准，拟定各模块之间的接口协议与标准；再规划出一系列通用的IP核；最终把所需的通用IP核树立整合在一起构成完好的智能传感器体系。
智能传感器IP核规划与SOC构建
智能传感器触及到数据收集、信号处理(程控扩大、线性化、信号滤波、信号补偿、人工神经网络、遗传理论、多传感器交融、含糊理论等) 、数据通讯、人机界面及使命调度等各种功用。在IP核规划与SOC构建中，为了简化作业，下降杂乱度，咱们选用依据FPGA的IP核及依据 ARM7TDMI-SCPU 的IP核两种SOC规划办法，其间FPGA的IP核首要完结数据收集与信号处理模块，依据ARM7 的IP核完结数据通讯、人机界面及使命调度作业。
数据收集
传统的传感器信号数字化大多选用的是VFC、串行A/D、并行A/D 等计划。每一计划都可规划成相应的IP核。尽管现已有人用FPGA完结数据收集，但都是以特定运用的办法，而不是以通用的IP核办法规划的。咱们介绍选用 MAX125完结的并行A/D接口IP核规划。MAX125 8通道14bit的并行A/D芯片。在FPGA A/D IP核规划中，供给给MAX125信号有发动转化及转化完毕后的时序信号，读取转化成果并存储到FPGA 芯片内部RAM中的数据信号。该A/D IP核咱们现已开发成功，并获得了很好的运用。
信号处理
信号处理是智能传感器的首要内容之一。一般包含线性化、滤波、各类补偿、人工神经网络、含糊理论、遗传算法、多传感器交融等作业。在滤波中，除了惯例的 FFT、DFT之外，近几年还呈现了小波改换。因为芯片速度上的优势，怎么完结各信号处理IP核通用化规划，已成为相关信号处理算法IP核规划的要害。
如在线性化处理规划中，咱们把各类传感器的线性化算法都规划到一个通用的线性化IP核中。在使命调用时再依据不同类型传感器线性化算法要求，组态挑选出相应的算法IP核，供实践需求运用。
数据通讯
设置数据通讯接口首要是考虑芯片还能够同外部CPU或网络构成愈加杂乱的测控体系。为了便利芯片的规划，节约芯片资源，咱们选用依据ARM7的 philIPs LPC2106 芯片进行通讯IP核规划。它能够将一系列不同的通讯接口(如： CAN、以太网、TCP/IP、RS232/485、I2C、SPI) 以及不同的通讯规程用一个通用的微处理器完结。经过与上位机与各类网络的联接，完结长途遥测、网络长途智能丈量节点等功用。通讯IP核规划首要使命是通讯规约算法规划。而大多数接口因为依据ARM7的微处理器都能供给，所以就不需求做太多的作业。
人机界面与使命调度
人机界面与使命调度IP核也用ARM7微处理器规划。人机界面首要规划键盘接口及LCD/LED/CRT等显现接口。运用ARM7强壮的GPIO功用是不难加以完结的。
使命调度IP首要包含数据收集调度、信号处理调度、数据通讯调度及人机界面调度等作业。咱们选用以源码揭露的嵌入式操作体系μC/OS-Ⅱ2.52版为根底，将它移植到LPC2106 ARM微处理器中。在μC/OS-Ⅱ嵌入式操作体系根底上开发各种运用软件，完结智能传感器所需求的各类使命调度与组态作业。
运用举例
有了根本的IP内核，咱们就能够依据需求经过对IP核的组态(在嵌入式操作体系μC/OS-Ⅱ的调度下)构成各类所需的智能传感器体系。图1 所示是用于热电偶温度测温的智能传感器的SOC规划实例。一切算法IP模块都加载到ALTERA公司的APEX20K的多芯片FPGA 上，完结温度信号收集、A/D改换、低端补偿、线性化、程控扩大等功用。芯片的整体外部引脚包含A/D接口的数据线和控制线、微处理器接口的数据线和控制线、程控扩大的控制线等。微处理器选用具有ARM IP核的Philips公司的LPC2106芯片。它完结通讯功用、实时时钟功用、人机接口功用及使命调度功用。通讯IP包含I2C总线、 RS232/RS485总线、CAN总线、TCP/IP协议、以态网等。
图1 依据IP的智能传感器的SOC规划
图2 是依据以上体系芯片构成的热电偶智能传感器的组成框图。其间心是两片SOC，其间FPGA SOC选用的是APEX20K，MCU SOC选用的是具有ARM IP核的ARM7 TDMI-S 微处理器。该智能传感器的样机现已完结。FPGA 的片上芯片经硬件仿真测验，其A/D采样、线性化算法、冷端温度补偿、多传感器交融等功用与算法都现已过试验验证。MCU的SOC在48MHz 体系时钟的运转下，经过了通讯、人机界面、实时日历时钟、使命调度办理等功用的试验，验证了该规划的可行性。
图2 依据SOC芯片构成的热电偶智能传感器的组成框图
完毕语
本文经过实例介绍了智能传感器IP/SOC规划的办法。在规划通用智能传感器IP核的根底上，经过IP复用，只需改动或从头设置数据与使命调用模块就能规划出运用于其他各类智能传感器的SOC体系。
因为SOC开发及EDA规划东西的约束，以FPGA与MCU为根底，以实践体系运用为切入点，进行智能传感器的SOC/IP规划是契合当时SOC规划和我国实践情况的研讨办法。为了进步智能传感器SOC/IP的规划能力，有必要特别注意以下几个方面的总结作业： ①EDA东西：包含开发东西、规划东西、剖析东西以及验证东西。②HDL言语东西：要充分运用HDL 言语结构好的特色，选用自顶向下的模块化规划，着重具体的装备和接口标准化。③IP资源，一方面指充分运用现有通用IP的资源及资源标准，如接口、标准、可测验性等，以及世界上市场份额占有率最大的ARM公司的IP核资源。别的一方面指智能传感器自身IP核的总结与进步。
FPGA 的可现场编程特色使依据SOC/IP的智能传感器规划愈加灵敏，各IP模块并行处理的特色使以往用单一CPU无法完结的，如需求高速数据处理的传感器校对算法、补偿算法、神经网络传感算法、含糊传感算法、多传感器交融等杂乱算法得以完结。可进一步进步丈量精度、丈量规模与丈量内容。一起，用硬件完结以往软件的功用，能处理搅扰引起的程序死机问题，极大地进步了智能传感器体系的可靠性。
