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基于SOC/IP的智能傳感器設(shè)計研究

發(fā)布時間:2008/5/29 0:00:00 訪問次數(shù):302

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),是涉及微機械和微電子技術(shù)、計算機技術(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(zhuǎn)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(fù)用、保密性好等一系列優(yōu)點。傳統(tǒng)的s oc設(shè)計是以超深亞微米ic設(shè)計技術(shù)為基礎(chǔ)的,具有集成電路asic設(shè)計的復(fù)雜程度。隨著soc平臺和eda 技術(shù)發(fā)展以及ip新經(jīng)濟模式的推動,在soc應(yīng)用設(shè)計上越來越多的從傳統(tǒng)的硅片設(shè)計轉(zhuǎn)到利用大規(guī)?删幊痰膄pga 芯片設(shè)計;趂pga 的soc設(shè)計其開發(fā)周期短、開發(fā)工具及語言標準化、設(shè)計和器件無關(guān)等特點,使得它與使用單片機一樣容易。大量的fpga 成功應(yīng)用的報道都是在圖像處理、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(jù)處理、數(shù)據(jù)通信、任務(wù)調(diào)度、人機界面、ip功能復(fù)用等功能模塊于一體的智能傳感器soc/ip設(shè)計及基于fpga與arm7微處理器芯片的實現(xiàn)方法。

soc/ip概念與智能傳感器soc設(shè)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(chǎn)權(quán)。傳統(tǒng)的智能傳感器設(shè)計方法是以功能設(shè)計為基礎(chǔ)的。而soc設(shè)計方法以功能復(fù)用與搭建為基礎(chǔ),在芯片上用若干個宏模塊來構(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)計的復(fù)雜度,減少產(chǎn)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(jù)采集模塊、補償與校正模塊、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(shè)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(gòu)成完整的智能傳感器系統(tǒng)。

智能傳感器ip核設(shè)計與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、人機界面及任務(wù)調(diào)度等各種功能。在ip核設(shè)計與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、人機界面及任務(wù)調(diào)度工作。

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)計的。我們介紹采用max125完成的并行a/d接口ip核設(shè)計。max125 8通道14bit的并行a/d芯片。在fpga a/d ip核設(shè)計中,提供給max125信號有啟動轉(zhuǎn)換及轉(zhuǎn)換結(jié)束后的時序信號,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。

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,如何實現(xiàn)各信號處理ip核通用化設(shè)計,已成為相關(guān)信號處理算法ip核設(shè)計的關(guān)鍵。

如在線性化處理設(shè)計中,我們把各類傳感器的線性化算法都設(shè)計到

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),是涉及微機械和微電子技術(shù)、計算機技術(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、自補償都是以微處理器為基礎(chǔ)的。基于微處理器的傳感器從簡單的數(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(zhuǎn)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(fù)用、保密性好等一系列優(yōu)點。傳統(tǒng)的s oc設(shè)計是以超深亞微米ic設(shè)計技術(shù)為基礎(chǔ)的,具有集成電路asic設(shè)計的復(fù)雜程度。隨著soc平臺和eda 技術(shù)發(fā)展以及ip新經(jīng)濟模式的推動,在soc應(yīng)用設(shè)計上越來越多的從傳統(tǒng)的硅片設(shè)計轉(zhuǎn)到利用大規(guī)模可編程的fpga 芯片設(shè)計;趂pga 的soc設(shè)計其開發(fā)周期短、開發(fā)工具及語言標準化、設(shè)計和器件無關(guān)等特點,使得它與使用單片機一樣容易。大量的fpga 成功應(yīng)用的報道都是在圖像處理、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(jù)處理、數(shù)據(jù)通信、任務(wù)調(diào)度、人機界面、ip功能復(fù)用等功能模塊于一體的智能傳感器soc/ip設(shè)計及基于fpga與arm7微處理器芯片的實現(xiàn)方法。

soc/ip概念與智能傳感器soc設(shè)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(chǎn)權(quán)。傳統(tǒng)的智能傳感器設(shè)計方法是以功能設(shè)計為基礎(chǔ)的。而soc設(shè)計方法以功能復(fù)用與搭建為基礎(chǔ),在芯片上用若干個宏模塊來構(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)計的復(fù)雜度,減少產(chǎn)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(jù)采集模塊、補償與校正模塊、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(shè)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(gòu)成完整的智能傳感器系統(tǒng)。

智能傳感器ip核設(shè)計與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、人機界面及任務(wù)調(diào)度等各種功能。在ip核設(shè)計與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、人機界面及任務(wù)調(diào)度工作。

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)計的。我們介紹采用max125完成的并行a/d接口ip核設(shè)計。max125 8通道14bit的并行a/d芯片。在fpga a/d ip核設(shè)計中,提供給max125信號有啟動轉(zhuǎn)換及轉(zhuǎn)換結(jié)束后的時序信號,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。

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,如何實現(xiàn)各信號處理ip核通用化設(shè)計,已成為相關(guān)信號處理算法ip核設(shè)計的關(guān)鍵。

如在線性化處理設(shè)計中,我們把各類傳感器的線性化算法都設(shè)計到

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