AMAT 0010-09063
l温湿度显示仪的硬件设计
本仪表的硬件电路部分主要是有温、湿度通道独立电源电路，温、湿度采样电路，信号调节电路，模数转换电路，光电隔离电路，处理器采用AT89S52单片机，同时还有LED显示电路，通讯电路，键盘电路等构成，其结构图如图1所示。以下将对各部分的电路做相应的介绍。
1.1温度湿度变送器
非电量的温度湿度信号通过变送器形成4～20mA电量信号。本方案中采用了奥地利E+E公司的EE10-FT6的高性能温湿度综合变送器。
EE10一FT6产品特点：
(1)24VDC供电；
(2)温度量程：O～50℃；湿度量程：0～100％；
(3)温度精度：±0.1℃；湿度精度：1.0％；
(4)输入阻抗：≤500Ω；
(5)接线方式：三线(电源正端、温度输出线、湿度输出线)。
1.2隔离测量技术
常规温度湿度测量，往往将温度、湿度信号共地，利用一套测量电路即可。在本方案中，变送器的输出要先行接入温湿度显示仪(前端)，再串接于DDC
(直接数字控制器)后端构成变送器回路，变送器电源由DDC来提供，因此由变送器输出的两路共地信号在前端需要进行隔离测量，以消除对后端测量的影响。即两端串联并同时测量一对共地信号。对于模拟量隔离测量，笔者曾经考虑3套方案：
方案一"虚"隔离，即采用差分测量技术，将差分一端经过一适当电阻接地，这种方案成本最低，但是对于运放的要求十分苛刻，而且稳定性不高。
方案二采用线性光耦隔离，但线性光耦难以调试，离散性大，需要周边元器件多(运算放大器)，而且光耦前端仍需隔离电源，后端仍需模数转换器。
方案三采用两组独立测量电路，然后通过普通光耦与处理器接口，需要两套隔离电源，两组测量部分，成本稍高，但此种方案最可靠，调试方便，因而最终被采用，如图2所示。
l.34～20mA电流测量
采样电阻采用125Ω／0.1％精密电阻，这样，只需测量O.5～2.5V电压信号即可。
1.4放大器及模数转换器应用
本温湿度显示仪模拟信号变换采用TI公司的轨对轨运放TLC2252，该放大器最大的特点一是输出可达电源满幅，二是失调电压较小，0.5mV，价格较低，适合本仪表应用。
模数转换器(ADC)采用TI公司的ADS1286U，此芯片主要性能有：
(1)分辨率：12位；
(2)最高采样频率：20kHz；
(3)INL：±2LSB／max；
(4)DNL：±1LSB／max；
(5)接口方式：两线制
(6)参考电压：外接。
1.5分辨率及精度
本仪表需要满足的要求：分辨率方面，温度显示到O.01℃，湿度显示到0.1％；精度方面，要达到与自控系统的DDC测量值之间的绝对误差不得大于±0．03℃。这样的苛刻要求使得本仪表在软硬件方面都必须做的非常到位。
1.6数字滤波技术
为满足以上分辨率及精度的要求，除了在硬件上选择性价比高的元器件以及较高的PCB板技术外，在软件上做了较多的工作。因为温度湿度物理量是惯性环节，时间常数较大，量值不会产生突变，故滤波时间可以很长。本仪表中采用多次测量排序取中值然后再进行一阶惯性滤波的方法，数学表达式如下：
其中Xn-1为上次实际温湿度值；Xn-2本次经过排序取来的中值；Xn为当前的温湿度值；A为滤波时间常数，作为系数。
这样做的目的是防止某些测量突变，以及满足惯性物理量的测量，使得测量值不会频繁跳跃，可以满足需求。
1.7网络通信技术
本仪表采用RS485通信，通信规约为MODBUS-RTU，然后通过MODBUS-PROFIBUS网关与西门子DDC通信，波特率为38.4kb／s。总线采用轮询方式，后台机对各个房间温湿度进行采集，作为房间温度湿度集中监控的依据。
1.8精度校准及参数
本仪表出厂前均已校准，但考虑到长期运行后，元器件老化及环境温度的变化，可能会造成仪表出现精度偏差，故仪表上设有精度校准功能。校准时，需要一只标准4～20mA信号表，按照显示提示，分别将信号源调至各档位，然后由仪表自动校准，校准系数值存入非易失性存储器中。
本仪表具有现场手动调校功能，调节电位器旋钮可使得温度湿度在某个短量程范围内更加精准。
所有的参数设定都可通过网络或仪表按键进行操作，掉电不丢失。
2温湿度显示仪的软件设计
主要程序包括：温度测量子程序、湿度测量子程序、键盘扫描及实现子程序、校准子程序，其中测量子程序内嵌模数转换、数据处理、形成显示数据等；键盘扫描及实现子程序内嵌显示页面切换、参数设定、校准确认等；校准子程序内嵌双通道切换校准及校准数值存储等。中断服务程序包括：定时器中断(用于显示)子程序、通信中断子程序。主程序为依次循环执行，综合外部操作(键盘)，实现仪表多重功能；中断服务程序可以随时中断主程序的执行，两者互不影响。
本仪表中模数转换是关键，除了在硬件上保证信号的较好处理外，软件上的处理就显得很重要了，下面给出模数转换器ADS1286的访问程序，此芯片的DATASHEET上时序逻辑只是一个基本的过程，具体要得出可靠的数值，需要在调试中摸索，这个程序是笔者调试好的，效果不错。
说明：本中断服务程序为MODBUS从站响应程序，本仪表只用到MODBUS功能码中的03号及06号，即模拟量遥测及参数设定。
3结语
本仪表成功应用于上海市检测中心400个实验室中目前运行状况良好，与DDC间绝对误差不超过±O.03℃。
引言
智能传感器技术是一门正在蓬勃发展的现代传感器技术，是涉及微机械和微电子技术、计算机技术、网络与通信技术、信号处理技术、电路与系统、传感技术、神经网络技术、信息融合技术、小波变换理论、遗传理论、模糊理论等多种学科的综合技术。
智能传感器中智能功能如：数字信号输出、信息存储与记忆、逻辑判断、决策、自检、自校、自补偿都是以微处理器为基础的。基于微处理器的传感器从简单的数字化与信息处理已发展到了目前具有网络通信功能、神经网络、模糊理论、遗传理论、小波变换理论、多传感器信息融合等新理论新技术逐步完善的现代智能传感器。其微处理器硬件也经历了从单CPU结构到多CPU甚至DSP、ASIC与MCU相混合的结构。然而微处理器在可靠性、功耗、功能复用等多方面存在着与生俱来的一些不可克服的缺点与不足，阻碍了智能传感器的进一步发展。由系统IC向SOC(SystemonChIP)转变已成为历史发展的必然趋势。SOC用硬件实现了以往软件实现的功能。与一般MCU相比，它具有可靠性高、价格低、速度快、体积小、功能复用、保密性好等一系列优点。传统的S
OC设计是以超深亚微米IC设计技术为基础的，具有集成电路ASIC设计的复杂程度。随着SOC平台和EDA技术发展以及IP新经济模式的推动，在SOC应用设计上越来越多的从传统的硅片设计转到利用大规模可编程的FPGA芯片设计。基于FPGA的SOC设计其开发周期短、开发工具及语言标准化、设计和器件无关等特点，使得它与使用单片机一样容易。大量的FPGA成功应用的报道都是在图像处理、电力系统等领域。在传感器智能化领域上的应用仍处于开发研究阶段。传感器方面的少量应用也仅限于用它作为一个或几个独立功能模块，如：通信模块、自补偿模块等都不具有系统的作用与功能，不能真正地成为片上系统(SOC)。本文将提出集采集系统、补偿校正、数据处理、数据通信、任务调度、人机界面、IP功能复用等功能模块于一体的智能传感器SOC/IP设计及基于FPGA与ARM7微处理器芯片的实现方法。
SOC/IP概念与智能传感器SOC设计方法
SOC：SystemonChip指建立在单芯片上的系统。IP：IntellectualProperty自主知识产权。传统的智能传感器设计方法是以功能设计为基础的。而SOC设计方法以功能复用与搭建为基础，在芯片上用若干个宏模块来构建复杂系统。这些已经开发的宏模块就是通用的IP核。IP核的重用可以降低产品设计的复杂度，减少产品上市时间。
利用SOC/IP芯片能组成完整的智能传感器系统。智能传感器传感参数可能是多种多样的。但从功能模块组成来讲，它主要包括数据采集模块、补偿与校正模块、数据处理模块、数据网络通信模块、人机界面和任务管理与调度模块等功能单元。从而基于IP的智能传感器SOC设计过程为：首先正确建立智能传感器的通用模块模型；然后合理划分各摸块功能规范，制定各模块之间的接口协议与标准；再设计出一系列通用的IP核；最后把所需的通用IP核搭建整合在一起构成完整的智能传感器系统。
智能传感器IP核设计与SOC构建
智能传感器涉及到数据采集、信号处理(程控放大、线性化、信号滤波、信号补偿、人工神经网络、遗传理论、多传感器融合、模糊理论等)、数据通信、人机界面及任务调度等各种功能。在IP核设计与SOC构建中，为了简化工作，降低复杂度，我们选用基于FPGA的IP核及基于ARM7TDMI-SCPU的IP核两种SOC设计方式，其中FPGA的IP核主要完成数据采集与信号处理模块，基于ARM7的IP核完成数据通信、人机界面及任务调度工作。
数据采集
传统的传感器信号数字化大多采用的是VFC、串行A/D、并行A/D等方案。每一方案都可设计成相应的IP核。虽然已经有人用FPGA完成数据采集，但都是以特定应用的方式，而不是以通用的IP核方式设计的。我们介绍采用MAX125完成的并行A/D接口IP核设计。MAX1258通道14bit的并行A/D芯片。在FPGAA/DIP核设计中，提供给MAX125信号有启动转换及转换结束后的时序信号，读取转换结果并存储到FPGA芯片内部RAM中的数据信号。该A/DIP核我们已经开发成功，并获得了很好的使用。
信号处理
信号处理是智能传感器的主要内容之一。通常包含线性化、滤波、各类补偿、人工神经网络、模糊理论、遗传算法、多传感器融合等工作。在滤波中，除了常规的FFT、DFT之外，近几年还出现了小波变换。由于芯片速度上的优势，如何实现各信号处理IP核通用化设计，已成为相关信号处理算法IP核设计的关键。
如在线性化处理设计中，我们把各类传感器的线性化算法都设计到一个通用的线性化IP核中。在任务调用时再根据不同类型传感器线性化算法要求，组态选择出相应的算法IP核，供实际需要使用。
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philIPsLPC2106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LPC2106ARM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ARMIP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。
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。
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