原標題：基于APEX20K和ARM7 TDMI－S微處理器實現通用智能傳感器IP核的設計

基于APEX20K和ARM7 TDMI-S微處理器實現通用智能傳感器IP核的設計是一個復雜但具有前瞻性的項目。以下是對該設計的詳細分析：

一、設計背景與意義

智能傳感器技術是一門涉及多學科的綜合技術，包括微機械和微電子技術、計算機技術、網絡與通信技術、信號處理技術等多種領域。隨著技術的不斷發展，智能傳感器已經具備了數字信號輸出、信息存儲與記憶、邏輯判斷、決策、自檢、自校、自補償等智能功能，這些功能都是以微處理器為基礎的。然而，傳統的微處理器在可靠性、功耗、功能復用等方面存在不足，阻礙了智能傳感器的進一步發展。因此，基于SOC（System on Chip，單芯片系統）和IP（Intellectual Property，自主知識產權）核的設計方法應運而生，成為智能傳感器設計的新趨勢。

二、設計原理與架構

1. SOC設計原理：

• SOC用硬件實現了以往軟件實現的功能，具有可靠性高、價格低、速度快、體積小、功能復用、保密性好等一系列優點。

• 基于FPGA的SOC設計具有開發周期短、開發工具及語言標準化、設計和器件無關等特點，使得設計與使用單片機一樣容易。

2. 智能傳感器SOC架構：

• 智能傳感器SOC設計以功能復用與搭建為基礎，在芯片上用若干個宏模塊來構建復雜系統。這些已經開發的宏模塊就是通用的IP核。

• IP核的重用可以降低產品設計的復雜度，減少產品上市時間。

• 智能傳感器傳感參數多種多樣，但從功能模塊組成來講，它主要包括數據采集模塊、補償與校正模塊、數據處理模塊、數據網絡通信模塊、人機界面和任務管理與調度模塊等功能單元。

3. 設計實現方法：

• 在IP核設計與SOC構建中，為了簡化工作，降低復雜度，選用基于FPGA的IP核及基于ARM7 TDMI-S CPU的IP核兩種SOC設計方式。

• FPGA的IP核主要完成數據采集與信號處理模塊，基于ARM7的IP核完成數據通信、人機界面及任務調度工作。

三、設計細節與實現

1. 數據采集與信號處理模塊：

• 采用MAX125完成的并行A/D接口IP核設計，MAX125是8通道14bit的并行A/D芯片。

• 在FPGA A/D IP核設計中，提供給MAX125啟動轉換及轉換結束后的時序信號，讀取轉換結果并存儲到FPGA芯片內部RAM中。

• 信號處理包括線性化、濾波、各類補償、人工神經網絡、模糊理論、遺傳算法、多傳感器融合等工作。

2. 數據通信模塊：

• 選用基于ARM7的Philips LPC2106芯片進行通信IP核設計，它可以將一系列不同的通信接口（如CAN、以太網、TCP/IP、RS232/485、I2C、SPI）以及不同的通信規程用一個通用的微處理器實現。

• 通信IP核設計的主要任務是通信規約算法設計。

3. 人機界面與任務調度模塊：

• 人機界面主要設計鍵盤接口及LCD/LED/CRT等顯示接口，利用ARM7強大的GPIO功能實現。

• 任務調度IP主要包括數據采集調度、信號處理調度、數據通信調度及人機界面調度等工作。采用源碼公開的嵌入式操作系統μC/OS-Ⅱ為基礎，將它移植到LPC2106 ARM微處理器中，在μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系統基礎上開發各種應用軟件。

四、設計實例與驗證

1. 設計實例：

• 用于熱電偶溫度測溫的智能傳感器的SOC設計實例。所有算法IP模塊都加載到ALTERA公司的APEX20K的多芯片FPGA上，完成溫度信號采集、A/D變換、低端補償、線性化、程控放大等功能。

• 微處理器選用具有ARM IP核的Philips公司的LPC2106芯片，完成通信功能、實時時鐘功能、人機接口功能及任務調度功能。

2. 驗證與測試：

• FPGA的片上芯片經硬件仿真測試，其A/D采樣、線性化算法、冷端溫度補償、多傳感器融合等功能與算法都已通過實驗驗證。

• MCU的SOC在48MHz系統時鐘的運行下，通過了通信、人機界面、實時日歷時鐘、任務調度管理等功能的實驗，驗證了該設計的可行性。

綜上所述，基于APEX20K和ARM7 TDMI-S微處理器實現通用智能傳感器IP核的設計是一個具有前瞻性和實用性的項目。通過采用SOC和IP核的設計方法，可以克服傳統微處理器的不足，提高智能傳感器的性能和可靠性。同時，該設計也為智能傳感器的進一步發展和應用提供了新的思路和方法。