智能傳感�(intelligent sensor)是具有信息處理功能的傳感器。智能傳感器帶有微處理機,具有采�、處�、交換信息的能力,是傳感器集成化與微處理機相�(jié)合的�(chǎn)�。一般智能機器人的感覺系�(tǒng)由多個傳感器集合而成,采集的信息需要計算機進行處理,而使用智能傳感器就可將信息分散處理,從而降低成�。與一般傳感器相比,智能傳感器具有以下三個優(yōu)點:通過軟件技�(shù)可實�(xiàn)高精度的信息采集,而且成本�;具有一定的編程自動化能�;功能多樣化�
智能傳感器主要由傳感�、微處理器及其相�(guān)電路組成。傳感器將被測的物理量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號,送到信號�(diào)理電路中,進行濾波、放�、模-�(shù)�(zhuǎn)換后,送到微計算機�。計算機是智能傳感器的核�,它不但可以對傳感器測量數(shù)�(jù)進行計算、存�、數(shù)�(jù)處理,還可以通過反饋回路對傳感器進行�(diào)節(jié)。由于計算機充分�(fā)揮各種軟件的功能,可以完成硬件難以完成的任�(wù),從而大大降低傳感器制造的難度,提高傳感器的性能,降低成本�
如果從結(jié)�(gòu)上劃�,智能傳感器可以分為集成式、混合式和模塊式。集成智能傳感器是將一個或多個敏感器件與微處理器、信號處理電路集成在同一硅片上,集成集成度高,體積小,但目前的技�(shù)水平還很難實�(xiàn);將傳感器和微處理器、信號處理電路做在不同芯片上,則�(gòu)成混合式智能傳感器,目前這類�(jié)�(gòu)較多;初級的智能傳感器也可以由許多互相獨立的模塊組成,如將微計算�、信號調(diào)理電路模�、數(shù)�(jù)電路模塊、顯示電路模塊和傳感器裝配在同一殼結(jié)�(gòu)�(nèi)則組成模塊式智能傳感器�
智能傳感器技�(shù)是一門正在蓬勃�(fā)展的�(xiàn)代傳感器技�(shù),是涉及微機械和微電子技�(shù)、計算機技�(shù)、網(wǎng)�(luò)與通信技�(shù)、信號處理技�(shù)、電路與系統(tǒng)、傳感技�(shù)、神�(jīng)�(wǎng)�(luò)技�(shù)、信息融合技�(shù)、小波變換理�、遺傳理�、模糊理論等多種�(xué)科的綜合技�(shù)�
智能傳感器中智能功能如:�(shù)字信號輸出、信息存儲與記憶、邏輯判�、決�、自�、自�、自補償都是以微處理器為基礎(chǔ)�?;谖⑻幚砥鞯膫鞲衅鲝暮唵蔚�?shù)字化與信息處理已�(fā)展到了目前具有網(wǎng)�(luò)通信功能、神�(jīng)�(wǎng)�(luò)、模糊理論、遺傳理論、小波變換理�、多傳感器信息融合等新理論新技�(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�(jié)�(gòu)到多CPU甚至DSP、ASIC與MCU相混合的�(jié)�(gòu)。然而微處理器在可靠�、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�,阻礙了智能傳感器的進一步發(fā)�。由系統(tǒng)IC向SOC(System on ChIP)�(zhuǎn)變已成為歷史�(fā)展的必然趨勢。SOC用硬件實�(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�、體積小、功能復(fù)�、保密性好等一系列�(yōu)點。傳�(tǒng)的S OC�(shè)計是以超深亞微米IC�(shè)計技�(shù)為基�(chǔ)�,具有集成電路ASIC�(shè)計的�(fù)雜程度。隨著SOC平臺和EDA 技�(shù)�(fā)展以及IP新經(jīng)濟模式的推動,在SOC�(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�(guī)??删幊痰腇PGA 芯片�(shè)�?;贔PGA 的SOC�(shè)計其開發(fā)周期�、開�(fā)工具及語言�(biāo)�(zhǔn)化、設(shè)計和器件無關(guān)等特�,使得它與使用單片機一樣容�。大量的FPGA 成功�(yīng)用的報道都是在圖像處�、電力系�(tǒng)等領(lǐng)�。在傳感器智能化�(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�,如:通信模塊、自補償模塊等都不具有系�(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�(tǒng)、補償校�、數(shù)�(jù)處理、數(shù)�(jù)通信、任�(wù)�(diào)�、人機界�、IP功能�(fù)用等功能模塊于一體的智能傳感器SOC/IP�(shè)計及基于FPGA與ARM7微處理器芯片的實�(xiàn)方法�
SOC/IP概念與智能傳感器SOC�(shè)計方�
SOC:System on Chip指建立在單芯片上的系�(tǒng)。IP� Intellectual Property 自主知識�(chǎn)�(quán)。傳�(tǒng)的智能傳感器�(shè)計方法是以功能設(shè)計為基礎(chǔ)�。而SOC�(shè)計方法以功能�(fù)用與搭建為基�(chǔ),在芯片上用若干個宏模塊來構(gòu)建復(fù)雜系�(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�(chǎn)品設(shè)計的�(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�(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�,它主要包括�(shù)�(jù)采集模塊、補償與校正模塊、數(shù)�(jù)處理模塊、數(shù)�(jù)�(wǎng)�(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�(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�(guī)范,制定各模塊之間的接口�(xié)議與�(biāo)�(zhǔn);再�(shè)計出一系列通用的IP�;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�(tǒng)�
智能傳感器IP核設(shè)計與SOC�(gòu)�
智能傳感器涉及到�(shù)�(jù)采集、信號處�(程控放大、線性化、信號濾泀信號補�、人工神�(jīng)�(wǎng)�(luò)、遺傳理�、多傳感器融�、模糊理論等) 、數(shù)�(jù)通信、人機界面及任務(wù)�(diào)度等各種功能。在IP核設(shè)計與SOC�(gòu)建中,為了簡化工�,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�(shè)計方式,其中FPGA的IP核主要完成數(shù)�(jù)采集與信號處理模�,基于ARM7 的IP核完成數(shù)�(jù)通信、人機界面及任務(wù)�(diào)度工��
�(shù)�(jù)采集
傳統(tǒng)的傳感器信號�(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�(shè)計成相應(yīng)的IP�。雖然已�(jīng)有人用FPGA完成�(shù)�(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)�。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�(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�(nèi)部RAM中的�(shù)�(jù)信號。該A/D IP核我們已�(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�、各類補�、人工神�(jīng)�(wǎng)�(luò)、模糊理�、遺傳算�、多傳感器融合等工作。在濾波�,除了常�(guī)的FFT、DFT之外,近幾年還出�(xiàn)了小波變換。由于芯片速度上的�(yōu)�,如何實�(xiàn)各信號處理IP核通用化設(shè)�,已成為相關(guān)信號處理算法IP核設(shè)計的�(guān)��
如在線性化處理�(shè)計中,我們把各類傳感器的線性化算法都設(shè)計到一個通用的線性化IP核中。在任務(wù)�(diào)用時再根�(jù)不同類型傳感器線性化算法要求,組�(tài)選擇出相�(yīng)的算法IP核,供實際需要使用�
�(shù)�(jù)通信
�(shè)置數(shù)�(jù)通信接口主要是考慮芯片還可以同外部CPU或網(wǎng)�(luò)�(gòu)成更加復(fù)雜的測控系統(tǒng)。為了方便芯片的�(shè)�,節(jié)省芯片資源,我們選用基于ARM7的philIPs LPC2106 芯片進行通信IP核設(shè)�。它可以將一系列不同的通信接口(如: CAN、以太網(wǎng)、TCP/IP、RS232/485、I2C、SPI) 以及不同的通信�(guī)程用一個通用的微處理器實�(xiàn)。通過與上位機與各類網(wǎng)�(luò)的聯(lián)接,實現(xiàn)�(yuǎn)程遙�、網(wǎng)�(luò)�(yuǎn)程智能測量節(jié)點等功能。通信IP核設(shè)計主要任�(wù)是通信�(guī)約算法設(shè)�。而大多數(shù)接口因為基于ARM7的微處理器都能提�,所以就不需要做太多的工��
人機界面與任�(wù)�(diào)�
人機界面與任�(wù)�(diào)度IP核也用ARM7微處理器�(shè)�。人機界面主要設(shè)計鍵盤接口及LCD/LED/CRT等顯示接�。利用ARM7強大的GPIO功能是不難加以實�(xiàn)��
任務(wù)�(diào)度IP主要包括�(shù)�(jù)采集�(diào)度、信號處理調(diào)�、數(shù)�(jù)通信�(diào)度及人機界面�(diào)度等工作。我們采用以源碼公開的嵌入式操作 系統(tǒng)μC/OS-�2.52版為基礎(chǔ),將它移植到LPC2106 ARM微處理器中。在μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上開�(fā)各種�(yīng)用軟�,完成智能傳感器所需要的各類任務(wù)�(diào)度與組態(tài)工作�
�(yīng)用舉�
有了基本的IP�(nèi)�,我們就可以根據(jù)需要通過對IP核的組態(tài)(在嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ的�(diào)度下)�(gòu)成各類所需的智能傳感器系統(tǒng)。圖1 所示是用于熱電偶溫度測溫的智能傳感器的SOC�(shè)計實�。所有算法IP模塊都加載到ALTERA公司的APEX20K的多芯片F(xiàn)PGA �,完成溫度信號采�、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(shù)�(jù)線和控制�、微處理器接口的�(shù)�(jù)線和控制�、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�、人機接口功能及任務(wù)�(diào)度功能。通信IP包括I2C總線、RS232/RS485總線、CAN總線、TCP/IP�(xié)�、以�(tài)�(wǎng)��
�1 基于IP的智能傳感器的SOC�(shè)�
�2 是基于以上系�(tǒng)芯片�(gòu)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(jīng)完成。FPGA 的片上芯片經(jīng)硬件仿真測試,其A/D采樣、線性化算法、冷端溫度補�、多傳感器融合等功能與算法都已通過實驗驗證。MCU的SOC�48MHz 系統(tǒng)時鐘的運行下,通過了通信、人機界�、實時日歷時�、任�(wù)�(diào)度管理等功能的實驗,驗證了該�(shè)計的可行��
�2 基于SOC芯片�(gòu)成的熱電偶智能傳感器的組成框�
�(jié)束語
本文通過實例介紹了智能傳感器IP/SOC�(shè)計的方法。在�(shè)計通用智能傳感器IP核的基礎(chǔ)�,通過IP�(fù)用,只需改變或重新設(shè)置數(shù)�(jù)與任�(wù)�(diào)用模塊就能設(shè)計出�(yīng)用于其他各類智能傳感器的SOC系統(tǒng)�
由于SOC開發(fā)及EDA�(shè)計工具的限制,以FPGA與MCU為基�(chǔ),以實際系統(tǒng)�(yīng)用為切入點,進行智能傳感器的SOC/IP�(shè)計是符合�(dāng)前SOC�(shè)計和我國實際情況的研究方�。為了提高智能傳感器SOC/IP的設(shè)計能�,必須特別注意以下幾個方面的總結(jié)工作� ①EDA工具:包括開�(fā)工具、設(shè)計工�、分析工具以及驗證工具。②HDL語言工具:要充分利用HDL 語言�(jié)�(gòu)好的特點,采用自頂向下的模塊化設(shè)�,強�(diào)詳細(xì)的配置和接口�(biāo)�(zhǔn)�。③IP資源,一方面指充分利用現(xiàn)有通用IP的資源及資源�(biāo)�(zhǔn),如接口、規(guī)�、可測試性等,以及世界上市場份額占有率的ARM公司的IP核資�。另外一方面指智能傳感器本身IP核的總結(jié)與提高�
FPGA的可�(xiàn)場編程特點使基于SOC/IP的智能傳感器�(shè)計更加靈�,各IP模塊并行處理的特點使以往用單一CPU無法實現(xiàn)�,如需要高速數(shù)�(jù)處理的傳感器校正算法、補償算�、神�(jīng)�(wǎng)�(luò)傳感算法、模糊傳感算�、多傳感器融合等�(fù)雜算法得以實�(xiàn)??蛇M一步提高測量精度、測量范圍與測量�(nèi)�。同時,用硬件實�(xiàn)以往軟件的功�,能解決干擾引起的程序死機問�,極大地提高了智能傳感器系統(tǒng)的可靠��
大多�(shù)模擬測量系統(tǒng)的系�(tǒng)架構(gòu)都相對比較直接。這種架構(gòu)的核心通常是主機處理器,用于控制并檢索來自一個或多� ADC 的數(shù)�(jù)。在信號鏈一端向 ADC 饋送數(shù)�(jù)的是主機控制的傳感器。對上述系統(tǒng)進行分析,并明確在不影響性能的情況下需進行哪些�(yōu)�,其實對我們來說可做的事情并不�。要確定功能塊中需要集成哪些功能并不容�,很難直接控制傳感器前端。此�,我們通常要根�(jù)一系列其他要求�(yù)先確定主機處理器,這主要是由存儲器大小、CPU 速度等軟件要求決定的� 對負(fù)�(zé)系統(tǒng)后端的模擬設(shè)計人員而言,通常只能� ADC 進行�(yōu)�。不�,這時�(shù)字接口基本已�(jīng)不能變更�,這主要也是由主機處理器的要求決定�。當(dāng)然,目前非常多的主機處理器都能實�(xiàn)極高的性能且具備靈活的集成 ADC 功能,眾多此類微控制� (MCU) 都能理想地滿足各種應(yīng)用需�。不�,需要再次強�(diào)的是 MCU 的選用是由多種要求決定的,而模擬功能只是其中的一部分� 除了花費大量時間開發(fā)昂貴� ASIC、承�(dān)高風(fēng)險之�,還有沒有別的辦法呢?辦法�(dāng)然是有的。若不將模擬功能與主機處理器相集成,那么將數(shù)字智能集成至 ADC 中又未嘗不可�?這就能實�(xiàn)“更智能化”的�(shè)�,既能充分滿足傳感器前端的模擬性能要求,又具備與系�(tǒng)主機處理器接口相連的足夠靈活�。這樣做還有更多好��
� 1 闡述了這一理念及上述各種方��
� 1. 智能 ADC �(shù)�(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)� 小智慧有大作用毫無疑問,這不是一種新的概�,不過卻�(jīng)常被忽視。只要可�,我們就�(yīng)采用智能 ADC �(shù)�(jù)采集系統(tǒng),其�(fā)揮的系統(tǒng)級影響大大超過此前介紹的范疇。一般說來,�(shè)計人員考慮的問題包括智能處理器解決方案的物理大小或占用面積,當(dāng)然價位也是非常重要的因素。價格通常是大多數(shù)高銷量應(yīng)用的限制因素,這使�(shè)計人員不得不采取效率較低�、會影響集成度的獨立解決方案� 智能 ADC 系統(tǒng)架構(gòu)的優(yōu)勢在�,數(shù)字和模擬�(shè)計都能實�(xiàn)極大的靈活�,這同時也為軟件開�(fā)提供了極高的靈活性。智� ADC 解決方案的集� CPU 和數(shù)字外�(shè)實現(xiàn)了更簡單� A/D 控制和數(shù)�(jù)處理功能。ADC 不僅具有全面可編程性,而且無須與主� CPU 互動就能實現(xiàn)空中控制。此外,智能 ADC 還能作為模擬的預(yù)處理�,不僅能捕獲已轉(zhuǎn)換的�(shù)�?jǐn)?shù)�(jù),而且還能在向系統(tǒng)主機傳遞�(shù)�(jù)之前對數(shù)�(jù)進行處理。這使求數(shù)�(jù)平均值乃至更�(fù)雜的�(shù)�(jù)過濾等功能都得以簡化� 為了說明上述功能減輕主機�(fù)�,我們不妨考慮外部 16 � ADC 采用 3 � SPI 接口通信的簡單例�。主機不僅要配置 ADC,等待每次轉(zhuǎn)換完�,而且還要檢索每� 16 位結(jié)�,并處理得出平均值。即便在 ADC 與主機處理器集成的情況下,能�(yōu)化的也只是數(shù)�(jù)通信。主機仍要處理數(shù)�(jù)、計算平均�,并提供所� ADC 控制和配置功�� 我們不妨將這種簡單而低效的系統(tǒng)與智� ADC 系統(tǒng)相比�,智能系�(tǒng)采用相同的主機功�,但主機只需從“智能� ADC 中檢索數(shù)�(jù)。所� ADC 控制功能和預(yù)處理的數(shù)�(jù)以及平均值計算都由智� ADC 完成,從而解放了主機,使其能從事更的功能,并使最終應(yīng)用受�� 智能化程度更高的 MCU 是解決之� 超低功� MSP430F2013 MCU 就是此類智能� ADC 的一個典范。所有的 ADC 控制和數(shù)�(jù)處理均無需主機完成,從而不僅提高了靈活性,而且還加強了整個系�(tǒng)的效�。這乍看起來似乎對降低成本、提高存儲器容量以及 CPU 吞吐量等方面沒什么大�,但是我們需考慮�,有的任�(wù)每秒必須要處理數(shù)十次、上百次,乃至上千次。因�,智� ADC 所能實�(xiàn)的優(yōu)勢是極為明顯�,但如果�(shè)計人員在系統(tǒng)�(shè)計過程中只考慮采用簡單 ADC 的話,那么就會讓主機不得不處理大量的�(shù)�(jù)采集工作,造成無謂的消�� 智能程度更高� ADC 所帶來的優(yōu)勢和功能�(yuǎn)�(yuǎn)超出� A/D �(zhuǎn)換及�(shù)�(jù)處理的范疇。在更高的層面上,MSP430F2013 � 2KB 片上閃存存儲器可存儲校準(zhǔn)�(shù)�(jù),以及針對溫度變化的傳感器補差表,補償傳感器采樣信息的不�。此外,閃存� 128B RAM 還能存儲�(shù)�(jù)日志和多采樣緩沖。系�(tǒng)主機可用剩余的可用存儲器存儲其他各種�(shù)�(jù)� 至主機或 LED 指示�、開�(guān)或外部數(shù)字時鐘等其他系統(tǒng)元素的接口具有多�(dá) 10 個通用 I/O 連接,因此顯著實�(xiàn)了簡�。可處理 SPI � I2C �(xié)議的�(nèi)置通信接口可提供簡單而優(yōu)化的可定制主機數(shù)�(jù)端口� MSP430 超低功耗架�(gòu)的關(guān)鍵優(yōu)勢之一也進一步擴展到了系�(tǒng)模擬�(lǐng)�,能實現(xiàn)非常靈活且易于管理的電源架構(gòu),從而充分滿足電流需�。由于處理器從亞微安培待機電流的喚醒時間不到 1 微秒,因此該解決方案有助于我們大幅降低平均系�(tǒng)功耗要��
� 2 顯示了有�(guān)系統(tǒng)如何利用主機和智能ADC的概��
� 2. 智能 ADC 的系�(tǒng)架構(gòu) �(jié)論性的�(shè)� 如果您下次設(shè)計混合信號應(yīng)用時要采用外� ADC,那么不妨考慮一下各種選�。采用簡單的外部模數(shù)�(zhuǎn)換器可能并不是的解決方案,特別是�(dāng)采用智能 ADC 較為合適時更是如�� “智能傳感器接口”能�?qū)?16 � CPU � 16 � ADC 的處理能力完美結(jié)合在一�,從而大幅簡化了�(shè)計工�,尤其是在解決方案體積較小時�(yōu)勢更為顯�,而且其成本基本相�(dāng)于專用模�(shù)�(zhuǎn)換器解決方案,有時甚至還會更�。這種�(shù)�(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)的優(yōu)勢還能擴展到其他�(shè)計領(lǐng)�,如降低功�、提高系�(tǒng)可升級性以及實�(xiàn)最終設(shè)備的差異化創(chuàng)新等�
� 言
�(lán)牙技�(shù)是一種無線數(shù)�(jù)與數(shù)字通信的開放性規(guī)范。它以低成本、近距離無線連接為基�(chǔ),為固定與移動設(shè)備建立了一種完整的通信方式和技�(shù)。藍(lán)牙技�(shù)的實�(zhì)是建立通用無線接口及其控制軟件的標(biāo)�(zhǔn),使移動通信與計算機�(wǎng)�(luò)之間能實�(xiàn)無縫連接,由�,為不同廠家生產(chǎn)的便攜式�(shè)備提供了近距�(10m~100m)范圍�(nèi)的互操作通道�
在工�(yè)控制系統(tǒng)和許多應(yīng)用領(lǐng)�,隨著電子技�(shù)的發(fā)�,目前控制器和傳感器已經(jīng)實現(xiàn)了智能化。在一般的傳感器或測試儀表中,大量使用CPU 控制下的�(shù)字化技�(shù),因�,許多控制系�(tǒng)或傳感器系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了數(shù)字化傳輸。如果在�(shù)字化的控制系�(tǒng)和傳感器中嵌入藍(lán)牙技�(shù),則可以實現(xiàn)系統(tǒng)�(shù)�(jù)和控制命令的無線傳輸,這對于許多應(yīng)用領(lǐng)域都是十分重要的�
本文通過對藍(lán)牙協(xié)議棧�(jié)�(gòu)的討論,提出一個嵌入式SoC 器件�(jié)�(gòu)。這個嵌入式SoC器件是一種具有藍(lán)牙通信功能的SoC 器件;SoC 中的CPU 對用戶開放,用戶可以使用這種�(jié)�(gòu)的SoC 器件實現(xiàn)智能傳感器或控制器單��
1 �(lán)牙協(xié)議棧
�(lán)牙技�(shù)�(guī)�1.0 版本作了如下�(guī)定�
?�?�(lán)牙工作在全球通用�2.4GHz ISM(Industrial ,Scientific and Medical)免付�、免申請的無線電頻段�
?�?采用快速確�(rèn)和跳頻技�(shù),以確保鏈路的穩(wěn)��
?�?采用二進制�(diào)�(FM)技�(shù)的跳頻收�(fā)�,抑制干擾和防止衰落�
?�?采用前向糾錯(FEC)技�(shù),抑制長距離鏈路的隨機噪聲�
?�?�(shù)�(jù)傳輸速率�1Mb/s �
?�?采用時分雙工傳輸,其基帶�(xié)議是電路交換和分組交換的�(jié)合�
?�?一個跳頻頻率發(fā)送一個同步分�,每個分組占用一個時�,也可擴展到5個時隙�
?�?支持一個異步數(shù)�(jù)通道,或3個并�(fā)的同步語音通道,或一個同時傳送異步數(shù)�(jù)和同步語音的通道。每一個語音通道支持64Kbps 的同步話�。異步通道支持速率�721Kbps 、反向應(yīng)答速率�57.6Kbps 的非對稱連接,或者是432.6bps 的對稱連接�
目前,工作在2.4GHz 頻段上的無線局域網(wǎng)技�(shù)中,除了�(lán)牙技�(shù)�,還有IEEE802.11、HomeRF 和紅外技�(shù)。總的來�,IEEE802.11 比較適合于辦公室無線�(wǎng)�(luò),HomeRF 適用于家庭中的移動數(shù)�(jù)、語音設(shè)備等與主機之間的通信,而藍(lán)牙技�(shù)則可以應(yīng)用于任何允許無線方式替代線纜的場合�
在實際應(yīng)用中,藍(lán)牙技�(shù)的應(yīng)用一般采用嵌入式技�(shù)。在�(yīng)用系�(tǒng)中嵌入藍(lán)牙協(xié)議棧,可為系�(tǒng)提供一個透明的無線網(wǎng)�(luò)通信��
�(lán)牙技�(shù)�(xié)議棧的設(shè)計只有符合藍(lán)牙技�(shù)�(guī)范的要求,才能實�(xiàn)不同廠家�(chǎn)品的無縫對接。藍(lán)牙技�(shù)�(guī)�(specification)包括�(xié)�(protocol)和應(yīng)用規(guī)�(profile)兩個部�。完整的�(lán)牙協(xié)議棧如圖1 所示�
�(xié)議規(guī)范中定義了各功能元素的工作方�,提供了�(lán)牙技�(shù)實現(xiàn)中功能元素間的橫向體系結(jié)�(gòu)。應(yīng)用規(guī)范則介紹了實�(xiàn)特定�(yīng)用模�,描述了各層�(xié)議間的協(xié)同機制,從而提供了技�(shù)實現(xiàn)的縱向體系結(jié)�(gòu)�
�(lán)牙協(xié)議包括核心協(xié)議層、替代電纜協(xié)議層、電話控制協(xié)議層和選用協(xié)議層�
?�?核心�(xié)�。核心協(xié)議包括基帶協(xié)�、鏈路管理協(xié)�(LMP)、邏輯鏈路控制和適配�(xié)�(L2CAP)、服�(wù)�(fā)�(xiàn)�(xié)�(SDP)�
� 替代電纜�(xié)�。替代電纜協(xié)議包括串行電路仿真協(xié)�(RFCOMM),用于實�(xiàn)�(shù)�(jù)的轉(zhuǎn)��
?�?電話替代�(xié)�。本�(xié)議包括二元電話控制規(guī)�(TCS Binary)與AT-命令(AT-command)。用于提供音頻通信的處理規(guī)范和相應(yīng)的控制命��
?�?選用�(xié)�。選用協(xié)議與用戶的應(yīng)用有�(guān),包括點到點�(xié)�(PPP)、用戶數(shù)�(jù)�/傳輸控制�(xié)�/互聯(lián)�(wǎng)�(xié)�(UDP 和TCP/IP)、目�(biāo)交換�(xié)�(OBEX)、無線應(yīng)用協(xié)�(WAP)、無線應(yīng)用環(huán)�(WAE)、vCard 、vCal 、紅外移動通信(IrMC)。選用協(xié)議層的具體內(nèi)容由�(yīng)用系�(tǒng)根據(jù)需要選��
除了以上�(xié)議層外,�(lán)牙協(xié)議棧中還�(yīng)包括二個接口:一個是主機控制接口(HCI),用來為基帶控制�、鏈路控制器以及訪問硬件狀�(tài)和控制寄存器等提供了命令接口;另一個是與基帶處理部分直接相連的音頻接口,用以傳遞音頻數(shù)�(jù)�
在藍(lán)牙協(xié)議棧�,HCI 以上部分通常用軟件實�(xiàn),包括邏輯鏈路控制和適配�(xié)議L2CAP、串行仿真RFCOMM 、鏈路管理協(xié)�(LMP )、電話替代協(xié)議和選用�(xié)�;而HCI以下部分則用硬件實現(xiàn),包括基帶協(xié)議和鏈路管理�(xié)�(LMP),這部分也叫作�(lán)牙協(xié)議體系結(jié)�(gòu)中的底層硬件模塊�
2 �(lán)牙核心協(xié)議棧硬件電路�(jié)�(gòu)
底層模塊是藍(lán)牙技�(shù)的核心模塊,主要由射�(RF)單元電路、基帶層(base band)電路和鏈路管理層(LMP,Link Manger Protocol)電路組成�
(1)射頻(RF)單元
RF單元電路為藍(lán)牙技�(shù)提供了通信中的物理�,也叫作�(lán)牙收�(fā)器。通過2.4GHz 的微�,實�(xiàn)�(shù)�(jù)流的過濾和傳�。藍(lán)牙協(xié)議提供了有關(guān)�(lán)牙收�(fā)器的各項技�(shù)指標(biāo)�
(2)基帶層電�
基帶層提供了基帶�(shù)字信號處理硬�,其功能是提供鏈路控�,因此也叫作基帶及鏈路控制層電路。通過基帶層電�,可以建立藍(lán)牙通信�(wǎng)�(luò)中的物理鏈路,從而形成微微網(wǎng)(piconet)?;鶐又杏袃煞N物理鏈路,一種是面向連接的同步鏈�(SCO),另一種是異步無連接鏈路(ACL)。此外,基帶層還可為語音和數(shù)�(jù)分組提供不同水平的前向糾�(FEC)或循�(huán)冗余度校�(CRC)處理,并可對�(shù)�(jù)進行加密。同�,基帶層電路還為不同類型的數(shù)�(jù)(包括傳輸信息�(shù)�(jù)、鏈路管理和控制信息)提供特定的信��
(3)鏈路管理�(LMP)電路
鏈路管理層電路也叫作鏈路管理器電�,功能是提供鏈路管理通信�(xié)�。鏈路管理協(xié)議用來對鏈路進行�(shè)置和控制,并�(fù)�(zé)建立和撤銷各�(lán)牙設(shè)備間的連接、功率控制以及認(rèn)證和加密,同時還控制�(lán)牙設(shè)備的工作狀�(tài)(保持hold 、休眠park 、呼吸sniff 和活動active )。鏈路管理層的主要功能由軟件完成,鏈路管理器電路提供運行于藍(lán)牙設(shè)備的處理器中的軟�。鏈路管理器之間的通信�(xié)議稱為鏈路管理協(xié)�(LMP)�
�(lán)牙技�(shù)整體框架以HCI(Host Controller Interface)為界,區(qū)分為硬件模塊以及上層軟件�(xié)議兩部分�
�(lán)牙技�(shù)�(biāo)�(zhǔn)�,選擇了USB、UART 或是RS232 作為硬件模塊與主機間的接�。當(dāng)�(lán)牙模塊以USB、UART或RS232中的任何一個接口與主機連接�,HCI 接口上層的通信�(xié)議由主機�(fù)�(zé)處理,而HCI 接口下層的通信�(xié)議則由模塊內(nèi)的基帶層芯片與RF 芯片�(fù)�(zé)�
根據(jù)�(lán)牙標(biāo)�(zhǔn),藍(lán)牙系�(tǒng)的基本組成包括天�、收�(fā)器、基帶控制器。由此可�,在天線、RF收法器和基帶控制器的支持下,�(lán)牙系�(tǒng)的組成可以十分靈�,即可實�(xiàn)多種不同的實�(xiàn)方案�
嵌入式藍(lán)牙系�(tǒng)是將RF和基帶部分集成在一塊芯片上,單芯片�(lán)牙硬件模塊結(jié)�(gòu)如圖2所示。在嵌入式藍(lán)牙器件中,硬件結(jié)�(gòu)可分為鏈路管理器、鏈路控制器與RF模塊3部分,負(fù)�(zé)處理LMP層、基帶層與RF層的�(xié)�。鏈路管理器�(nèi)包含處理�(CPU)、內(nèi)存等組件。鏈路管理器與基帶層芯片合稱為鏈路控制器。RF模塊�(nèi)含RF射頻�(fā)射組件,與主機相連接的接口位于鏈路控制器��
在嵌入式方案中,�(lán)牙協(xié)議的上層軟件�(xié)議也全部固化在芯片中,芯片通過USB或UART接口與應(yīng)用系�(tǒng)相連接。由于片�(nèi)嵌入了CPU,所�,嵌入式�(lán)牙系�(tǒng)實際上是一個智能終�,適合于任何具有CPU器件的系�(tǒng)。例如,智能傳感器中,只要增加一個單芯片�(lán)牙器件,就可以組成一個以�(lán)牙為通信方式的傳感器�
由圖2可知,它由微處理�(CPU)、無線收�(fā)�(RF)、基帶控制器(BB)、閃�(Flash程序存儲�)、通用異步收發(fā)器UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter)、通用串行接口USB(Universal Serial Bus)及藍(lán)牙測試模塊組成。其中藍(lán)牙基帶控制器是藍(lán)牙硬件模塊的�(guān)鍵模�。其主要功能是在微處理器控制�,實�(xiàn)�(lán)牙基帶部分的所有實時處理功能,包括�(fù)�(zé)對接收的bit流進行符號定時提取和恢�(fù);分組頭及凈荷的循環(huán)冗余度校�(CRC),分組頭及凈荷的前向糾錯碼FEC處理,加密和解密處理等,且能提供從基帶控制器到其它芯片的接口�。CPU一般采用RISC�(jié)�(gòu)的嵌入式微處理器,如ARM7TDMI微處理器,才能滿足對�(lán)牙核心協(xié)議的高速處理和大量�(shù)�(jù)bit流的處理。Flash存儲器用于存放基帶和鏈路管理層中的所有協(xié)議軟件。SRAM作為CPU 的運行空�,在工作時把Flash中的軟件�(diào)入SRAM中處�。射頻收�(fā)器負(fù)�(zé)接收或發(fā)送高頻的通信信號。UART和USB接口提供到HCI的主機控制器接口傳輸層的物理連接,是上層�(xié)議與�(lán)牙硬件模塊進行通信的通道。藍(lán)牙測試模塊主要提供無線層和基帶層的認(rèn)證和一致性規(guī)�,同時還管理�(chǎn)品的生產(chǎn)和售后的測試,為可選模塊�
3 嵌入�(lán)牙協(xié)議棧的SoC�(jié)�(gòu)�(shè)�
根據(jù)上述�(lán)牙協(xié)議棧硬件�(jié)�(gòu)可以看出,如果使用SoC �(jié)�(gòu)�(shè)計藍(lán)牙協(xié)議棧,則可以實現(xiàn)嵌入�(lán)牙通信模塊,同時向用戶開放�(nèi)部CPU的目��
在設(shè)計嵌入藍(lán)牙協(xié)議的SoC �(jié)�(gòu)時,需要考慮如下問題�
� �(shù)�(jù)處理能力與速度。數(shù)�(jù)處理能力主要體現(xiàn)在兩個方面:一個是�(shù)�(jù)緩沖存儲器的�(guī)�,另一個是對數(shù)�(jù)處理算法支持的程�。數(shù)�(jù)處理速度是一個重要的問題。數(shù)�(jù)處理速度不僅與系�(tǒng)時鐘頻率有關(guān),還與CPU 和內(nèi)部總線的�(jié)�(gòu)直接相關(guān)�
?�?通信操作與系�(tǒng)運行的關(guān)�。在嵌入了藍(lán)牙通信棧的SoC 中,通信是系�(tǒng)的一個功�,SoC 還需要實�(xiàn)系統(tǒng)的其它功�。由于CPU 串行�(jié)�(gòu)的特點,�(dāng)系統(tǒng)需要同時啟用通信功能和其它重要功能時(例如實施系統(tǒng)的數(shù)�(jù)采集操作�),就需要使用適�(dāng)?shù)姆椒ㄟM行協(xié)�(diào)。實際上這也就是嵌入式藍(lán)牙SoC 器件的系�(tǒng)實時性問��
� 器件的功率損�。功率損耗是SoC �(shè)計中的一個重要問�。除了采用相�(yīng)的技�(shù)實現(xiàn)功率損耗問題外,還必須通過系統(tǒng)�(jié)�(gòu)�(shè)計降低系�(tǒng)的功率損�。對于對功率損耗有特殊要求的系�(tǒng),低功耗設(shè)計更是必不可少的�(nèi)��
由上述三個要求可�,在嵌入式藍(lán)牙SoC�,如果數(shù)�(jù)處理量比較大,則需要考慮�(shù)�(jù)處理的速度問題。用戶系�(tǒng)CPU屬于串行工作方式,因此,在大�(shù)�(jù)量的通信過程�,如何完成系�(tǒng)的其它功能,是SoC�(jié)�(gòu)�(shè)計的一個重要方�。例如,使用�(lán)牙技�(shù)傳輸圖像�,其中的通信系統(tǒng)必須保持連續(xù)工作狀�(tài),同�,還需要SoC中設(shè)計大量的Flash存儲�。由于傳輸圖像必須進行壓縮和解壓縮,所以,在保持通信連續(xù)和圖像的壓縮/解壓縮這兩種不同的操作�,就必須進行充分�(xié)�(diào),采用硬件并行處理的技�(shù)。這種情況�,CPU就僅僅是一個操作控制器�,用來啟動或終止某個操�。由此可�,應(yīng)�(dāng)針對不同類型的應(yīng)用場合設(shè)計相�(yīng)的SoC �(jié)�(gòu)�
對于智能傳感�,其基本功能如下�
?�?信號�(zhuǎn)�。這一部分電路的作用是把相�(yīng)的物理量�(zhuǎn)換為電壓信號,然后對其進行放大和濾波處�。處理的�(jié)果作為數(shù)�(jù)采集電路的輸入信��
?�?�(shù)�(jù)采集。數(shù)�(jù)采集電路的功能是把信號轉(zhuǎn)換電路輸出的模擬信號�(zhuǎn)換為�(shù)字信�(�(shù)�(jù)序列),然后把�(shù)字信號輸出給CPU,以便進行相應(yīng)的處��
� �(shù)�(jù)處理。智能傳感器中的�(shù)�(jù)處理功能一般并不統(tǒng)一。一般情況下,需要數(shù)字濾波即可。有些智能傳感器還需要對信號進行其它處理,例如信號幅度的判別、信號特征的提取、顯示處理等??傊?,根�(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)�,數(shù)�(jù)處理的要求不盡相��
?�?�(shù)�(jù)傳輸。在控制系統(tǒng)�,智能傳感器采集并整理好的數(shù)�(jù),需要傳輸給系統(tǒng)的核心控制器或其它控制單�。由于控制系�(tǒng)的特點,�(shù)�(jù)傳輸一般需要經(jīng)過一段空間距�,因此,需要使用專門的電路和方式實現(xiàn)�(shù)�(jù)傳輸。例如,對數(shù)�(jù)進行編碼處理�,利用電流環(huán)或RS232 等方式傳輸。在�(xiàn)有控制系�(tǒng)�,絕大多�(shù)情況下都采用有線傳輸方式實現(xiàn)傳感器與控制系統(tǒng)的連接�
對于智能傳感器來說,傳輸�(shù)�(jù)量一般并不是很大(例如壓力、溫度等傳感�),因�,滿足智能傳感器需要的嵌入式藍(lán)牙SoC 器件�,并不需要很大的存儲容量;但必須考慮�(lán)牙協(xié)議實�(xiàn)所必需的程序存儲空�。從�1 可以看出,藍(lán)牙協(xié)議棧的處理軟件會占用比較大的存儲�,因此,必須對其進行簡化。同時,為了保證控制系統(tǒng)安全可靠,還需要考慮使用用戶�(xié)議替代藍(lán)牙技�(shù)所定義的處理協(xié)議�
由以上分析可以得出結(jié)論:
?�?智能傳感器的�(shù)�(jù)傳輸量比較小,不需要進行壓縮或編碼處�,可以設(shè)置在1K字節(jié)以下�
?�?為了保證控制系統(tǒng)的安全可靠性,需要把上層處理�(xié)議變?yōu)橛脩魧訁f(xié)�,由用戶自行編寫�
為了�(shè)計滿足智能傳感器的嵌入式�(lán)牙SoC�(jié)�(gòu),對�(lán)牙協(xié)議棧進行了簡化處理,只使用藍(lán)牙協(xié)議中的核心協(xié)議和替代電纜�(xié)�。SoC 中的�(lán)牙協(xié)議棧由軟件和硬件兩部分組�。核心協(xié)議中的基帶協(xié)議由硬件實現(xiàn),而鏈路管理和其它部分則使用軟件實�(xiàn)。所有有�(guān)�(xié)議的軟件存放在ROM �,用戶使用通信棧時可直接調(diào)用。需要指出的�,通信棧的�(shè)計為一個整�,因此調(diào)用時也必須整體調(diào)用。換句話說就�,把通信棧看成是一個完整的子程序模塊加以調(diào)��
根據(jù)上述�(jié)論,提出一種具有開放使用戶�(xié)議的嵌入式藍(lán)牙SoC 模塊�(jié)�(gòu),如�3 所��
�3中,RF收發(fā)�、基帶控制器和藍(lán)牙協(xié)議ROM共同組成�(lán)牙協(xié)議棧。藍(lán)牙協(xié)議棧在CPU的控制下完成通信任務(wù)。簡化的嵌入式藍(lán)牙協(xié)議棧�(jié)�(gòu)如圖4 所�。其中用戶應(yīng)用協(xié)議由用戶自行�(shè)�,以確保通信的安全性和可靠��
另外,對�(lán)牙協(xié)議棧中的LMP進行了相�(yīng)的簡�。在智能傳感器的�(yīng)用中,通信鏈路一般比較簡�,因�,LMP不需要對鏈路進行�(fù)雜的處理。本�(shè)計中,LMP的主要功能由軟件完成。當(dāng)需要使用藍(lán)牙通信�(fā)送數(shù)�(jù)或接收數(shù)�(jù)�,用戶程序只需�(diào)用LMP軟件模塊即可。LMP�(xié)議由兩部分組成:
?�?軟件。通過CPU對鏈路進行�(shè)置和控制,實�(xiàn)�(lán)牙設(shè)備連接、功率控制以及認(rèn)證和加密,同時還控制�(lán)牙設(shè)備控制器電路�
?�?硬件。LMP控制器電路在LMP軟件的操作下,控制藍(lán)牙設(shè)備的工作狀�(tài)(保持hold、休眠park、呼吸sniff 和活動active)�
�3中的CPU通過開放總線模塊向用戶開�,用戶程序保存在用戶程序存儲器中。數(shù)�(jù)存儲器采用Flash 存儲電路,用來保存藍(lán)牙通信中的�(fā)送和接收�(shù)�(jù);同�,作為傳感器�(shù)�(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)�(jù)存儲�。數(shù)�(jù)存儲器的使用分配由用戶決�,傳感器的設(shè)計者可通過用戶程序?qū)�?shù)�(jù)存儲器進行分塊控制使用,通過用戶程序�(shè)置相�(yīng)的發(fā)送或接收�(shù)�(jù)存儲深度和起始地址,以及數(shù)�(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)�(jù)存儲深度�
�3中開放總線模塊提供了一個向用戶開放的總�,使用戶可以充分利用CPU、存儲器的資�。此外,�3中的通用通信接口和測試電路向用戶提供了局部連接和測試輸入輸出通道�
從以上模塊設(shè)計的�(jié)果可以看�,這種�(jié)�(gòu)的智能傳感器具有完整的藍(lán)牙通信功能,同�,為用戶提供了應(yīng)用處理的靈活�。例如,LMP中的�(rèn)證和加密方法與算法完全由用戶自行決定,從而提供了用戶系統(tǒng)的安全性和可靠�。另�,由于通用串行通信接口和測試電路的存在,為用戶系統(tǒng)提供了硬件測試的硬件支持�
根據(jù)�3和上述分�,可以得到用于智能傳感器的嵌入式�(lán)牙SoC器件的電路結(jié)�(gòu),如�5 所��
通信棧模塊調(diào)用操作流程如�6 所示�
�(jié) �
把藍(lán)牙協(xié)議棧嵌入到智能傳感器�,將為控制系�(tǒng)提供十分靈活的組成方�;同�,通過采用相應(yīng)的安全措�,可以提高系�(tǒng)的安全性和可靠��
本文通過對藍(lán)牙協(xié)議棧和智能傳感器工作特征的分�,設(shè)計了智能傳感器中嵌入�(lán)牙協(xié)議棧的SoC�(jié)�(gòu)。為了滿足智能傳感器的應(yīng)�,嵌入式�(lán)牙SoC�,CPU、存儲器以及相應(yīng)的總線和外部電路�(yīng)向用戶開放。對于用戶而言,只要設(shè)計相�(yīng)的傳感器前置電路,即可形成具有藍(lán)牙通信功能的智能傳感器。由于藍(lán)牙通信�(xié)議的操作功能已經(jīng)保存在ROM中,所以用戶只需要調(diào)用相�(yīng)的軟件程序即可完成藍(lán)牙通信。同時,這種SoC中的�(lán)牙協(xié)議棧中有�(guān)�(rèn)證和加密的部分向用戶開放,具體的�(rèn)證、加密方法和算法可由用戶自行定義�
此外,本文對智能傳感器嵌入式�(lán)牙SoC 中藍(lán)牙協(xié)議棧進行了簡化處理�
電子自動化產(chǎn)�(yè)的迅速發(fā)展與進步促使傳感器技�(shù)、特別是集成智能傳感器技�(shù)日趨活躍�(fā)�,近年來隨著半導(dǎo)體技�(shù)的迅猛發(fā)�,國外一些著名的公司和高等院校正在大力開展有�(guān)集成智能傳感器的研制,國�(nèi)一些著名的高校和研究所以及公司也積極跟�,集成智能傳感器技�(shù)取得了令人矚目的�(fā)展。國�(chǎn)智能傳感器逐漸在智能傳感器�(lǐng)域邁開步�,西安中星測控生�(chǎn)的PT600系列傳感�,采用國際上一流傳感器芯體、變送器專用集成電路和配�,運用軍工產(chǎn)品的生產(chǎn)線和工藝,精度高,穩(wěn)定性好,成本低,采用高性能微控制器(MCU�,同時具備數(shù)字和模擬兩種輸出方式,同時針對用戶的特定需求(如組�(wǎng)式測�,自定義通訊�(xié)議),均可在原產(chǎn)品基�(chǔ)上進行二次開發(fā),周期極�,為用戶節(jié)省時�,提高效�。已廣泛�(yīng)用于航空、航�、石�、化工、礦�、機械、大�、地�(zhì)、水文等行業(yè)中測量各種氣體和流體的壓�、壓�、流量和流體的高度和重量�