基于SOC/IP的智能传感器设计研究

数据通信

设置数据通信接口主要是考虑芯片还可以同外部CPU或网络构成更加复杂的测控系统。为了方便芯片的设计，节省芯片资源，我们选用基于ARM7的 philIPs LPC2106 芯片进行通信IP核设计。它可以将一系列不同的通信接口(如： CAN、以太网、TCP/IP、RS232/485、I2C、SPI) 以及不同的通信规程用一个通用的微处理器实现。通过与上位机与各类网络的联接，实现远程遥测、网络远程智能测量节点等功能。通信IP核设计主要任务是通信规约算法设计。而大多数接口因为基于ARM7的微处理器都能提供，所以就不需要做太多的工作。

人机界面与任务调度

人机界面与任务调度IP核也用ARM7微处理器设计。人机界面主要设计键盘接口及LCD/LED/CRT等显示接口。利用ARM7强大的GPIO功能是不难加以实现的。

任务调度IP主要包括数据采集调度、信号处理调度、数据通信调度及人机界面调度等工作。我们采用以源码公开的嵌入式操作系统μC/OS-Ⅱ2.52版为基础，将它移植到LPC2106 ARM微处理器中。在μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系统基础上开发各种应用软件，完成智能传感器所需要的各类任务调度与组态工作。

应用举例

有了基本的IP内核，我们就可以根据需要通过对IP核的组态(在嵌入式操作系统μC/OS-Ⅱ的调度下)构成各类所需的智能传感器系统。图1 所示是用于热电偶温度测温的智能传感器的SOC设计实例。所有算法IP模块都加载到ALTERA公司的APEX20K的多芯片FPGA 上，完成温度信号采集、A/D变换、低端补偿、线性化、程控放大等功能。芯片的总体外部引脚包括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、程控放大的控制线等。微处理器选用具有ARM IP核的Philips公司的LPC2106芯片。它完成通信功能、实时时钟功能、人机接口功能及任务调度功能。通信IP包括I2C总线、 RS232/RS485总线、CAN总线、TCP/IP协议、以态网等。

图1 　基于IP的智能传感器的SOC设计

图2 是基于以上系统芯片构成的热电偶智能传感器的组成框图。其核心是两片SOC，其中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已经完成。FPGA 的片上芯片经硬件仿真测试，其A/D采样、线性化算法、冷端温度补偿、多传感器融合等功能与算法都已通过实验验证。MCU的SOC在48MHz 系统时钟的运行下，通过了通信、人机界面、实时日历时钟、任务调度管理等功能的实验，验证了该设计的可行性。

图2 　基于SOC芯片构成的热电偶智能传感器的组成框图

结束语

本文通过实例介绍了智能传感器IP/SOC设计的方法。在设计通用智能传感器IP核的基础上，通过IP复用，只需改变或重新设置数据与任务调用模块就能设计出应用于其他各类智能传感器的SOC系统。

由于SOC开发及EDA设计工具的限制，以FPGA与MCU为基础，以实际系统应用为切入点，进行智能传感器的SOC/IP设计是符合当前SOC设计和我国实际情况的研究方式。为了提高智能传感器SOC/IP的设计能力，必须特别注意以下几个方面的总结工作： ①EDA工具：包括开发工具、设计工具、分析工具以及验证工具。②HDL语言工具：要充分利用HDL 语言结构好的特点，采用自顶向下的模块化设计，强调详细的配置和接口标准化。③IP资源，一方面指充分利用现有通用IP的资源及资源标准，如接口、规范、可测试性等，以及世界上市场份额占有率最大的ARM公司的IP核资源。另外一方面指智能传感器本身IP核的总结与提高。

FPGA 的可现场编程特点使基于SOC/IP的智能传感器设计更加灵活，各IP模块并行处理的特点使以往用单一CPU无法实现的，如需要高速数据处理的传感器校正算法、补偿算法、神经网络传感算法、模糊传感算法、多传感器融合等复杂算法得以实现。可进一步提高测量精度、测量范围与测量内容。同时，用硬件实现以往软件的功能，能解决干扰引起的程序死机问题，极大地提高了智能传感器系统的可靠性。