Multisensor signal processing with CAN bus interface
Abstract
In this paper a flexible on-chip multisensor signal processing ASIC is proposed supporting a straightforward and economic configuration of smart microsystems. This ASIC admits the processing of sensor data and the data transfer via a field bus. The design on system level and the use of in-house hardware description language (HDL) coresand macrocells guarantees a wide range of applications.
Keywords: CAN bus interface; Multisensor signal processing; Smart rnicrosystems
1.Introduction
The development of smart microsystems with a signal processing and a field bus interface is an important task today. Such systems are a precondition for many applications where signals need to be processed near the sensor rather than transmitting a large amount of data to some central processing unit (e,g., in the field of environmental measuring methods, medical diagnosis and the automobile industry).
Therefore, a flexible on-chip multisensor ASIC with a field bus interface is proposed supporting a straightforward and cost-effective configuration of smart microsystems. The ASIC is part of a microsystem linking multisensors to a CAN
field bus and performs four main tasks:
1. Acquisition of analogue signals by multisensors
2. Conversion of the analogue signals into digital signals
3. Digital signal processing
4. Data communication via a field bus system
2.System concept
As shown in Fig. 1 the ASIC consists of different functional blocks. Such an approach allows already designed blocks (operational amplifier, A/D converter) and synthesizable cores for digital circuits (CAN core, host controller core,C core) to be reused. Furthermore, it enhances a clear and economic top-down design style. Any changes of the system can be done on the top level of the design process. The conception on system level eases the verification process considerably.
The interface components ensure the compatibility of the different blocks linked via an eight-bit wide data and address bus.
The analogue input signals are preprocessor and converted by the analogue components which are shown in the block diagram in Fig. 2.
Up to 16 sensors (either of identical or of different types) can be multiplexed and serially converted based on a chargebalancing principle [ 1,2]. This accounts for extreme precision at the cost of time, However, in industrial applications controlling temperature and pressure a data rate in the range of 2-500 samples per second is sufficient. For faster sensor applications conversion speed can be gained by decreasing the resolution. Therefore the resolution ( 8-16 bit) as well as the input sensitivity (a factor of 1-63) of the pro-amplifier can be adjusted by hard- or software [3].
The accuracy of the ASIC is influenced first of all by the precision of the A / D converter (ADC) and its resolution. For the digital components the accuracy is defined by the applied digital signal processing algorithms. Real-time applications such as image processing require extremely fast A / D conversion so that special high-speed converters have to be implemented.
Real-time applications such as image processing require extremely fast A / D conversion so that special high-speed converters have to be implemented.
The ADC and the pro-amplifier are initialized via a readwrite interface integrated on-chip. This interface allows a very comfortable communication with the analogue components.
There are two types of host controller cores available for this ASIC: a low-end and a high-end device. The low-end controller supports only storage and transmission of the converted sensor data as well as node initialization and responding to interrupts from the bus interface. The main advantage of this controller core is its small chip area, which is desirable especially for price-sensitive applications. For the high-end solution proposed in this paper a programmable controller core (microcontroller core) with arisc architecture was used (Fig. 3). In addition to the controller functions, signal processing capabilities (range monitoring, system error correction, etc.) are provided. The controller core is instruction compatible with the PIC 16C7x controller from MICROCHIP [4], which allows the use of commercial developer tools. This increases the number of potential users for this
system.
Modem power-safe functions have been implemented as well as a watchdog timer for reliable operation. The set of 35 commands allows a fast software engineering to be achieved.
The programme and the initialization data are stored in a serial external EEPROM linked to the host controller core via an C controller. The size of the EEPROM depends on the application wanted.
With an external digital signal processor (DSP) TMS320C50 from Texas Instruments complex classification algorithms (e.g., fuzzy logic) can be applied decentrally .Therefore the ASIC provides a dedicated interface.
The CAN bus interface (Fig. 4) complies with the CAN bus protocol. Despite the fact that the CAN bus was developed initially for the automotive industry, it now has a steadily increasing acceptance for applications in other branches.
According to the CAN specification 2.0B, the data are processed in the CAN bus interface. The most important features of the CAN bus interface are:
1)Multi-master ability [ 5 ]
2)Implementation of the basic CAN specification
3)Integrated 64 times; 8 RAM as a message buffer
4)Programmable data rate up to 1 Mbit s - ~ [6]
5)Receiving and transmitting of both identifier formats
A powerful error management detects transceiving errors and reacts to them. This bus interface has been designed as a standalone bus control
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CAN总线接口的多信号处理
摘要
本文提出了一种灵活的多传感器信号处理ASIC芯片,该芯片是用来支持一种简单而且经济的智能微型系统配置。该ASIC接受对传感器数据的处理，这些数据通过现场总线进行传输。系统级设计和内部使用硬件描述语言（HDL）的内核和宏单元确保了宽广的应用范围。
关键词：CAN总线接口；多传感器信号处理；智能微型系统
- 引言
结合信号处理和现场总线接口的智能微型系统的发展是今天的一项重要任务。许多应用的信号需要在靠近传感器的地方被处理而不是发送大量的信号到中央处理单元。这样的系统对于这些应用是一个前提条件（例如，在环境测量方法，医疗诊断和汽车工业领域）。
因此，为了支持一个简单的和具有成本效益配置的智能微型系统，提出了一种灵活的具有现场总线接口的多传感器ASIC芯片。ASIC是微型系统的一个部分，连接多传感器和CAN总线，它执行四个主要任务：
- 通过多传感器采集模拟信号
- 将模拟信号转换为数字信号
- 数字信号处理
- 通过现场总线系统进行数字通信
- 系统概念
如图1所示，ASIC由不同的功能模块组成。这种方法使得为数字电路（CAN芯片、主机控制芯片、而设计的模块（运算放大器、A/D转换器）和综合芯片能被重复使用。此外，它增强了一种清晰、经济的自上而下的设计风格。系统的任何改动都可以在顶层的设计过程中完成。系统级的概念相当程度上简化了验证过程。
图2：模拟分量
接口组件确保了通过八位位宽的数据和地址总线连接的不同模块的兼容性。模拟输入信号，在图2中的方框图所示的模拟元件中被预处理和转换[1,2]。多达16个传感器（相同或不同类型的），可以被多路复用还，能电荷平衡原理的基础上连续转换。这在花费的时间上需要极高的精度，然而，在工业应用中，将温度和压力的数据控制在每秒2-500个采样值范围内是足够的。对于更快的传感器应用的转换速度来说可以通过降低分辨率来获得。因此，分辨率（8-16位）以及输入灵敏度（用1-63表示的因素）的功放可以通过硬件或软件调整[3]。
首先影响ASIC精度的是A/D转换器（ADC）的精度和分辨率。对于数字元件件来说，它的精度由所应用的数字信号处理算法定义。
实时应用，比如图像处理，需要非常快速的转换，不得不开发出特殊的高速转换器。
ADC与功率放大器通过读写接口集成芯片来实现初始化。这个接口使得与模拟组件之间有一个舒适的交流。
这种ASIC有两种类型的主机控制器内核可供选择：一个低端配置另一个高端配置。低端控制器只支持转换后的传感器数据的存储和传输以及节点的初始化和来自总线接口中断的响应。该控制器核心的主要优点是它的芯片面积较小，这是可取的，特别是对价格敏感的应用来说。对于高端配置，本文提出了一种使用RISC结构的可编程控制器的核心（微型控制器核心）的解决方案（图3）。除了控制器的功能之外，还提供信号处理功能（范围监控，系统的纠错等）。控制器的核心是来自允许商业开发工具使用的MICROCHIP的PIC [ 4 ] 16c7x控制器兼容指令。这增加了这个系统的潜在用户数量。
图3：可编程控制器的核心
现代电源安全功能已经实现，为了可靠运行还有一个看门狗定时器。总共35个命令的集合使得一个快速的软件工程成为可能。程序和初始化数据都存储在一个外部串行EEPROM通过一个C控制器与主控制器芯片相连。EEPROM的大小取决于应用要求。
拥有了外部数字信号处理器（DSP），来自德克萨斯仪器复杂的分类算法（如模糊逻辑）的芯片TMS320C50可以分散应用。因此，ASIC提供一个专用的接口。
图4：CAN接口模块
CAN总线接口（图4）符合CAN总线的通信协议。尽管这是一个事实，即CAN总线的开发最初是为了汽车行业，但是它现在在其他分支上应用的接受度正在稳定增加。
根据CAN2.0B规范，数据在CAN总线接口被处理。CAN总线接口的最重要的几个特点是：
- 具有多种功能[ 5 ]
- 基本CAN规范的实现
- 整体的64times;8RAM区，作为消息缓冲区
- 可编程数据速率高达1Mbit 每秒[ 6 ]
- 接收和发送两种格式的识别
一个强大的错误管理体系能够检测接收和发送错误并且能对它们进行反应。该总线接口已被设计为一个独立的总线控制器[ 7 ]。因此，一个主机控制器在任何情况下都是必要的。主机控制器接口部分兼容飞利浦的PCA82C200控制器。因此，一个比较是可能发生的。
此外，为存储过程和程序的存储单元（ROMs和RAMs）已经实现。
- 模拟、综合及测试结果
低端控制器芯片、CAN总线接口、C控制器和接口组件已用Verilog-HDL硬件描述语言描述，并且编程控制器芯片在VHDL语言中作为行为模型。芯片的功能已在行为，原理图和布局的水平上被模拟。所有的模型都是完全可综合的，这样一个最终的布局才能使用自动设计工具生成。
对于TMS320C50用VHDL和Verilog HDL描述的系统都已经存在。努力一下，将处理器模型包含在整个模拟器内是可能的。在不久的将来，一个综合的内核可供使用。这意味着，在ASIC芯片的DSP内核的整合将成为可能。
系统的模拟组件已被包括在一个混合模式仿真中。其结果是正确的操作的数字和模拟组件已被验证。
在这个ASIC芯片上，已经安装了一个256times;14的ROM，一个256times;16的RAM，一个64times;8的RAM，一个32times;8的RAM以及一个8times;13的堆栈区。内存和只读存储器的布局是使用一个内部生成器自动创建的。
该多传感器芯片ASIC的设计已经完成（图5）。规划的大小为5mmtimes;6.1mm还有14500个开关。目前ASIC芯片正在使用IMS多芯片（MPC）服务在1.0 micro;md 两金属层技术中制造。ASIC将消耗约30 mA的电流。
- 结论
ASIC是对分散智能系统的一个灵活的解决方案。这种灵活性可以通过使用不同的内核和系统级设计的途径达到。使用可编程的主机控制器的内核可以实现一个用户友好的系统。
作者简介
Steffen Rietz在1997年于德累斯顿理工大学获得微电子硕士学位。自1995以来，他一直在弗劳恩霍夫微电子电路与系统研究所工作。此时他正作为一名对ASIC设计和现场总线的应用怀有兴趣的研究生。
Bernd Schneider在1974年于列宁格勒电工研究所获得电气工程硕士学位。他在1974加入了ZMD德累斯顿设计中心，在那里他参与在半导体技术和集成电路的发展中的故障分析。自1992以来，他一直弗劳恩霍夫微电子电路与系统研究所工作，设计数字器件尤其是与现场总线相关的应用。
Steffen Bender在1989年于德累斯顿理工大学获得信息工程硕士学位。从1989到1991，他曾在ZMD德累斯顿设计中心在软件开发和电路设计的领域工作。自1992以来，他一直在设计混合信号电路，并对“开关电容”电路有特殊的兴趣。
Wolf-Joachim Fischer在德累斯顿理工大学分别于1973年获得电气工程硕士学位，在1976年获得博士学位。他在1973加入ZMD德累斯顿设计中心，在那里他参与了ASIC和存储器电路设计。自1991以来，他一直是弗劳恩霍夫微电子电路和系统研究所部门主管。他同时是德累斯顿技术大学微系统教授。他的研究兴趣是智能微系统信号处理。Fischer博士是IEEE会员。
Hagen Grgirzreceived在1995年于德累斯顿理工大学获得信息工程硕士学位。自1995以来，他一直作为研究生在弗劳恩霍夫微电子电路和系统所工作。他的研究兴趣包括控制器的应用，以及用硬件描述语言的硬件仿真。
Andreas Heinig 在1995年于德累斯顿理工大学获得信息工程硕士学位。从那时起他一直作为研究生在弗劳恩霍夫微电子电路与系统研究所工作。他的研究兴趣包括控制器的应用，ASIC设计和硬件加密法。
工业CAN总线技术在低轨卫星上的应用
Klaus Janschek, Annerose Braune
德累斯顿理工大学信息工程系
德国D-01062德累斯顿大学自动化研究所
摘要
在低轨卫星星载自动化领域利用CAN总线降低成本的潜力已经得到研究。由于它来源于汽车应用，所以CAN总线是一个非常有潜力的候选者，无论是在功能上，性能上，环境的鲁棒性上还是成本上。由于它的多功能性，它甚至还有效的支持功能冗余。本文分析了CAN总线相较于其他工业现场总线的典型特征并且讨论了在结合了通信和地球观测参考任务上的功能表现。使用了一个模拟工具，它能分析和优化总线仲裁系统。
1.引言
低轨道卫星（LEO）卫星在移动通信领域和包括交通，环境监测在内的地球观测领域发挥着越来越大的作用。这些低轨卫星是建立在严格的商业限制下的。在星载自动化领域可观的成本降低潜力通过实施功能冗余来减少设备的整体数量以及星载设备上成熟的工业技术的使用建立的。星载自动化的功能冗余需要合适的总线技术能在有最大自由度可重新配置的不同设备之间进行高效的实时交流。由于其来自于汽车应用，在功能，性能，环境鲁棒性，实时性以及成本方面，CAN总线技术是一个非常有前途的候选者。本文调查了CAN总线技术在结合通信和涉及到道路交通监控的地球观测任务中的适用性。底层的星载数据控制和处理系统已经在这种情况下处理标准平台和复杂的负载数据，这些数据来源于一个无线数据采集装置和一个地球观测相机。
2.工业现场总线系统
3种国际上的现场总线在上述描述的任务中进行比较：Profibus DP,局部操作网络(LON)和区域控制网络(CAN).表1显示了一些结果。原则上，所有的3种现场总线满足近地卫星应用的要求，只不过在细节上有所不同。PROFIBUS DP的主从总线访问方法要求一个冗余总线主机。LON主要用于建筑服务自动化和支持，因此在分布式网络中很多网络和路由功能的总线达到了100m（在我们的例子中不需要）。CAN 总线特殊的优势是在汽车工业中为了在环境中的鲁棒性和可靠的应用的设计。
表一：几种工业现场总线的比较
3.CAN技术在卫星上的适用性分析
3.1标准性和可用性
由于在汽车工业上的使用，存在很多具有成本效益和不同特点的CAN控制器。CAN控制器，在汽车的发动机区直接控制，很大程度上满足近地卫星关于温度范围和环境鲁棒性的要求。因此，它们已经非常适用于太空应用。使用CMOS技术，低轨道辐射的鲁棒性也能在很大程度上满足。新的发展例如包含CAN控制器的集成传感器可以直接作为导航传感器。
工业现场总线技术一个相当大的优势是其广泛传播的国际标准化。根据OS1参考模型（见图1），CAN的结构包含2层：数据链层和物理层。CAN的1,2层都是国际标准。因此，在我们的应用中，将层2定义为接口。在此基础上，几乎所有的商业软件开发环境（固件）都有良好测试的CAN软件组件，它为板载软件开发降低成本提供了巨大的潜力。
3.2数据处理
一个CAN报文发送到64位非结构化的用户数据（见图2）。这使得发送装置或处理系统的数据可以携带一个或几个信息。数据块必须是64位为一个单元的结构。没有为结构化数据和块数据提供的服务。CAN可以支持在最长为40m的总线上进行最大比特率为1 Mbit/s的传输。假设使用70% 的总线容量，将允许的最大用户数据为400 Kbit/s，这满足了大部分小卫星平台在数据上的要求。
图2：CAN的数据帧
3.3 多主总线接入
因为必要的总线冗余，主控的刚性主从协议访问程序不适用于一个自主的卫星应用，CAN使用多主、优先级为主的总线，该总线用改进的CSMA/CD访问方法访问。所有的节点都是作为主线来进行操作。当总线空闲时，任何节点都可以开始传输帧。如果两个或多个节点同时开始发送帧，总线访问冲突使用11位基于竞争的仲裁标识符来解决。仲裁的机制保证了没有任何信息和时间被遗失。具有最高优先级的帧的发送器接收总线访问。这样的协议已经意识到内在的灵活的通信结构和广播能力。因为较低的优先级失去仲裁的帧，将在总线空闲时自动重发。由此产生的时间延迟取决于其他更高优先级的帧。因此，最高优先级的帧是唯一一个可预测的时间延迟。节点可以被添加到可以CAN网络上，而不需要任何的软件或硬件的变化。
3.4 错误检测，隔离和恢复
CAN的优势导致了它在自动领域的应用及在错误检测和隔离、恢复方面的高要求。损坏的帧将在任何发送节点和任何名义上的操作接收节点被检测到。这样的帧将被中止，再根据执行恢复程序重新传送。CAN节点可以从永久性故障中区分短扰动。一个节点可以有几种不同的访问权限的错误状态。不幸的是，如果完全错误，没有更多的发送节点不会在第二层被自动检测到，因此用户定义的服务是必要的。
4. 一种参考板载结构的实时行为分析
第3段显示一些关键方面，特别是关于CAN的实时行为（见图3）。因此，对实时特性我们进行了一些算法测试分析。
测试的基础是一个参考板载配置（节点，英寸，循环时间的
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