智能儀器儀表的I S 技術(shù)與I n te r n et接入

智能儀器儀表的ISP技術(shù)與Internet接入摘要：本文討論了ISP(InSystemProgrammabiljty)技術(shù)和EMIT(EmbeddedMicroInternetworkingTechnology)技術(shù)在智能儀器儀表設(shè)計中的應(yīng)用。結(jié)合Lattice公司最新推出的ispPAC、AnalogDevice公司最新推出的模擬MCU、Philips公司最新推出的具備Internet互連能力的MCU和Xilinx公司的FPGA／CPLD等提出了基于ISP技術(shù)和Internet技術(shù)的智能儀表系統(tǒng)的解決方案。

關(guān)鍵字：智能儀器儀表ISPEMITInternet1引言近年來，隨著通訊技術(shù)．網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，智能儀器儀表系統(tǒng)的設(shè)計步入了嶄新的時代。其中，實現(xiàn)Intenet接入是當(dāng)前智能儀器儀表系統(tǒng)發(fā)展的熱點領(lǐng)域和重要方向。ISP(InSystemProgrammability)在系統(tǒng)可編程技術(shù)對于實現(xiàn)智能儀器儀表系統(tǒng)基于TCP／IP協(xié)議的Internet接入具有重要的意義。所謂“在系統(tǒng)可編程”是指對器件、電路甚至整個系統(tǒng)進行現(xiàn)場升級和功能重構(gòu)的能力。這種重構(gòu)可以在實驗開發(fā)過程中，制造過程中甚至是在交付用戶使用之后在現(xiàn)場或通過Internet進行。利用ISP技術(shù)，能夠使得儀器儀表的硬件系統(tǒng)不再是純粹的固定結(jié)構(gòu)，而是具備某些軟件特性的靈活結(jié)構(gòu)，甚至可以在運行狀態(tài)下根據(jù)需要重新配置功能。由于模擬集成芯片制造工藝的復(fù)雜性，當(dāng)前ISP技術(shù)主要應(yīng)用在數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中，如美國Xilinx公司的FPGA／CPLD等均支持ISP技術(shù)。1999年末，美國Lattice公司率先在制造工藝上取得突破，推出了ispPAC(InSystemPro．grammableAnalogICs)，將ISP技術(shù)引入到了模擬系統(tǒng)中，給智能儀器儀表系統(tǒng)的沒計帶來了革命性的變化。結(jié)合ISP技術(shù)通過Internet將智能儀器儀表系統(tǒng)接入Internet，就可以方便地實現(xiàn)對儀器儀表的遠(yuǎn)程監(jiān)視、控制、維護、升級和工業(yè)自動化。2

儀器儀表系統(tǒng)基于ISP技術(shù)的設(shè)計思想通過充分利用當(dāng)前最先進的ISP技術(shù)，我們所設(shè)計的智能儀器儀表系統(tǒng)不僅要具備系統(tǒng)級現(xiàn)場可編程的能力，而且能夠通過Intemet實現(xiàn)基于TCP／IP協(xié)議的系統(tǒng)功能遠(yuǎn)程動態(tài)重構(gòu)、現(xiàn)場升級和通訊互訪。一般來說，智能儀器儀表系統(tǒng)大都可劃分為3個模塊：CPU、模擬系統(tǒng)和數(shù)字邏輯系統(tǒng)等。這里，我們結(jié)合。AnalogDevice公司最新推出的具有模擬功能的ADuC2812MCU，Philips率先在業(yè)界推出的支持Internet接入的16位MCU，Lattice公司最新推出的ispPAC和Xilinx公司的FPGA／CPLD來具體討論實現(xiàn)ISP和Internet接入的智能儀器儀表系統(tǒng)的設(shè)計。3儀器儀表系統(tǒng)的CPU與ISP技術(shù)CPU是智能儀器儀表系統(tǒng)的靈魂。智能儀器儀表系統(tǒng)的整體性能很大程度上取決于CPU的先進性和靈活性。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，陸續(xù)出現(xiàn)了不少增強型的CPU。由于CPU的ISP技術(shù)對于實現(xiàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化和遠(yuǎn)程監(jiān)控具有決定性的意義，同時由于8位MCU在當(dāng)前智能儀器儀表系統(tǒng)中應(yīng)用的廣泛性，我們主要結(jié)合支持ISP技術(shù)的AnalogDevice公司的8位Mcu(ADuC812)來討論ISP技術(shù)的應(yīng)用。3．1

ADuC812的結(jié)構(gòu)和性能AnalogDevice公司的ADuC812由與8051兼容的內(nèi)核、存儲器．片內(nèi)外圍設(shè)備、電源單元和模擬單元等部分構(gòu)成。與805l兼容的內(nèi)核額定上作頻率為12MHz(最大16MHz)，3個16位定時器／計數(shù)器，功能包括看門狗定時器WDT、電源監(jiān)視器PSM以及高速ADC。至RAM捕獲DMA控制器。片內(nèi)有8K字的閃速／電擦除程序存儲器，640字的閃速／電擦除數(shù)據(jù)存儲器和256字節(jié)片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM．支持16M字節(jié)外部數(shù)據(jù)尋址空間和64K字節(jié)外部程序?qū)ぶ房臻g，為多處理器接口和I／O擴展提供了32條可編程的I／O總線，端口3有高電流驅(qū)動能力，同時具有標(biāo)準(zhǔn)的UART串行端口和可配置的12C或SPI接口。模擬單元包括8通道、高速(200KSPS)自校準(zhǔn)12位ADC、片內(nèi)40PPM／℃的電壓基準(zhǔn)、兩個12位電壓輸出DAC和片內(nèi)溫度傳感器等?？伸`活地構(gòu)建功能強人的12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。MCU內(nèi)核和模擬轉(zhuǎn)換器二者均有正常、空閑和掉電工作模式，提供了適合于低功耗應(yīng)用的靈活的電源管理方案。3．2

ADuC812的ISP在系統(tǒng)編程ADuC812通過標(biāo)準(zhǔn)UART串行接口實現(xiàn)程序代碼的下載(在系統(tǒng)編程)，用戶在ADuC812串行下載模式下可以將程序代碼通過Pc機的串口下載到芯片程序存儲器中。在ADuC812之后，AnalogDevice公司又推出了支持ISP技術(shù)的16位和24位精度的模擬McuADuC816及ADuC824等系列產(chǎn)品。4模擬系統(tǒng)的設(shè)計與lSP技術(shù)在Lattlce公司1999年末率先推出高性能的系統(tǒng)可編程模擬電路ispPAC之前，模擬系統(tǒng)的設(shè)計往往需要用大量標(biāo)準(zhǔn)分離器件來搭建。ispPAC的出現(xiàn)，使得高集成度的精確模擬設(shè)計現(xiàn)在能夠通過一小塊單片ispPA芯片來實現(xiàn)，從根本上簡化和加速了模擬電路的設(shè)計、集成和配置，避免了采用傳統(tǒng)的ASIC芯片時的成本高、設(shè)計周期長的缺點，給傳統(tǒng)的模擬系統(tǒng)開發(fā)帶來了革命性的變化，其性能類似于數(shù)字系統(tǒng)中的FPGA。目前ispPAC系列產(chǎn)品包括ispPAC10、ispPAC20和ispPAC80等3種。下面結(jié)合ispPAC來討論ISP技術(shù)在模擬系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用。4．1

ispPAC：的體系結(jié)構(gòu)利用ISP技術(shù)，Lattice公司的ispPAC產(chǎn)品支持3維可編程能力：ProgrammableFunctions(Amplification．Conversion，F(xiàn)iltering)，ProgrammableCharactefistics(Gain，Bandwidth，Offset，Thresholds)和ProgrammableInterconnect(ReconfigumbleArchitectures)。即除了芯片內(nèi)部物理級的互連線可編程外，其內(nèi)每一個單元(Cell)的功能和特性都是可編程的。從而芯片在保持印刷電路板上的焊接狀態(tài)不變的情況下，就可以很容易地實現(xiàn)對芯片的快速編程、擦除和模擬電路功能及特性的重新配置。ispPAC器件的基本功能單元是具有特殊結(jié)構(gòu)的PACell，如儀器放大器、運算放大器，濾波器等模擬電路單元，由若干PACell組成模擬功能模塊PACblocks，整個芯片由若干個PACblocks構(gòu)成。不需要電阻、電容等外圍部件，就可以實現(xiàn)諸如PrecisionFiltering、Summing／Differencing、Gain／Attenuation和COnversion等基基本模擬功能，同時還可以將這些基本模擬功能進行靈活的組合配置，設(shè)計出更復(fù)雜的模擬系統(tǒng)。如利用ispPAC80，用戶可以在幾秒鐘內(nèi)在一小片Ic上配置出數(shù)萬種不同的五階精度濾波器。4．2

ispPAC的開發(fā)環(huán)境和1SP在系統(tǒng)編程lattice公司ispPAC開發(fā)系統(tǒng)PAC－Desiger軟件為沒計者提供了圖形風(fēng)格的用戶界面，軟件提供了模擬庫和電路宏生成器，并內(nèi)置了模擬和驗證工具，可以在對芯片編程前對所設(shè)計的模擬電路進行仿真，生成各種曲線報告，因而大大簡化了設(shè)計實驗，節(jié)省了開發(fā)時間。ispPAC通過Lattice公司的ispDONWlOADcable下載電纜實現(xiàn)ISP在系統(tǒng)編程，瞬間即可完成器件的重配置和重編程。5數(shù)字邏輯系統(tǒng)的設(shè)計與ISP技術(shù)數(shù)字邏輯系統(tǒng)設(shè)計的變革是從1984年Xilinx公司發(fā)明現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)開始的，90年代Latttice公司又發(fā)明了復(fù)雜在系統(tǒng)可編程邏輯器件(CPLD)。目前，F(xiàn)PGA／CPLD能夠?qū)崿F(xiàn)從幾千門的接口邏輯電路到數(shù)百萬門的龐大數(shù)字邏輯系統(tǒng)的設(shè)計，結(jié)合IP(IntellectualProperty)Core(如USBCore，PCICore和DSPcore等)和功能強大的EDA軟件可以構(gòu)建出非常復(fù)雜的數(shù)字電子系統(tǒng)。xc9500系列是Xilinx公司采用創(chuàng)新的FastfLASH技術(shù)制造的CPLD產(chǎn)品，最高可完成l萬門的數(shù)字邏輯系統(tǒng)的設(shè)汁，目前有5V、3.3V和2.5V

3個版本工作電壓，具有特殊的系統(tǒng)內(nèi)編程(ISP)能力，編程／擦除的次數(shù)較其他公司的CPLD高l至2個數(shù)量級。XC9500系列器件通過標(biāo)準(zhǔn)的4腳JTAG協(xié)議實現(xiàn)在系統(tǒng)內(nèi)編程，它的擴展IEEE—1149.1邊界掃描指令集允許器件編程模式擴展和實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)診斷。利用Xilinx公司提供的Foundation2．1iFPGA／CPLD開發(fā)系統(tǒng)和Xchecker串行編程電纜可方便地實現(xiàn)數(shù)字邏輯系統(tǒng)的開發(fā)和ISP在系統(tǒng)編程。FPGA／CPLD和嵌入式微控制器(如8051)結(jié)合使用可以更靈活地實現(xiàn)ISP在系統(tǒng)編程。FPGA／CPLD技術(shù)，發(fā)展異常迅速，Xilinx公司在2000年初推出了成熟的ChipScopeILA(IntegratedLoldieAnalysis)技術(shù)，把邏輯分析儀的功能集成在了FPGA芯片內(nèi)，大大簡化了數(shù)字邏輯系統(tǒng)的調(diào)試工作，還將逐漸將A／D和D／A等集成在單片F(xiàn)PGA／CPLD內(nèi)。隨著IPCORE和VHDI。硬件描述語言等的使用，數(shù)字邏輯系統(tǒng)的設(shè)計思想和方法也發(fā)生了革命性的變化。6結(jié)合ISP和EMIT技術(shù)實現(xiàn)儀器儀表系統(tǒng)的Internet接入伴隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，Intemet技術(shù)正在逐漸向工業(yè)控制和智能儀器儀表系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域滲透。實現(xiàn)智能儀器儀表系統(tǒng)基于Intemet的通訊能力以及對設(shè)計好的智能儀器儀表系統(tǒng)進行遠(yuǎn)程升級，功能重置和系統(tǒng)維護，是硬件設(shè)計的發(fā)展方向。6.1

EMlT技術(shù)與智能儀器儀表系統(tǒng)的Internet接入emWare公司創(chuàng)立了ETI(eXtendTheInternet)擴展Internet聯(lián)盟，井提出了EMIT嵌入式微型英特網(wǎng)互連技術(shù)，它是一種將單片機等嵌入式設(shè)備接入Internet的技術(shù)，利用該技術(shù)，能夠?qū)?位和16位單片機系統(tǒng)接入Internet，實現(xiàn)基于Internet的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、智能控制、上傳／下載數(shù)據(jù)文件等功能。EMIT技術(shù)包括以下核心技術(shù)：emMicro：是駐留在嵌入式系統(tǒng)中的微型網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。emMicro集成到嵌入式系統(tǒng)中，使得網(wǎng)絡(luò)上的客戶機能夠控制和監(jiān)視嵌入式系統(tǒng)以及從中收集數(shù)據(jù)。emMicro針對微控制器有限的資源進行了優(yōu)化，只占用系統(tǒng)很小的內(nèi)存(1K字節(jié))資源和處理器資源。emNet：是使嵌入式系統(tǒng)和輕量級網(wǎng)絡(luò)(如RS-485、IR、RF和電力線等)進行連接的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。同時，emNet使得集成emMicro的嵌入式系統(tǒng)能夠和嵌入式微控制器網(wǎng)關(guān)emGateway進行有效的通訊。emGateway(嵌入式微控制器網(wǎng)關(guān))：是輕型設(shè)備網(wǎng)絡(luò)如RS-232、RS-485，cAN、IIc、xlO、RF等和大型高性能網(wǎng)絡(luò)如Intranet和Internet等之間連接的橋梁。它是一個功能強大的客戶機，用于管理多個嵌入式系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)的Internet通信互連以及支持網(wǎng)絡(luò)瀏覽器。鑒于當(dāng)前的智能儀器儀表系統(tǒng)大多都是基于8位或16位Mcu的，而EMIT僅占用系統(tǒng)1kByte的存儲資源，因而該項技術(shù)不管是對于老儀器儀表系統(tǒng)的改造，還是構(gòu)建新的儀器儀表系統(tǒng)都具有很強的現(xiàn)實意義和發(fā)展前景。目前已有眾多軟硬件廠商加入ETI聯(lián)盟，大大推動了EMIT技術(shù)的發(fā)展。6．2融合ISP和EMIT技術(shù)的MCu和Internet外圍芯片目前，美國connectone公司、emWare公司、TAS．KING公司和國內(nèi)的P&S公司等均提供基于Internet的Device-Networking的軟件、固件(Firmware)和硬件產(chǎn)品.應(yīng)用內(nèi)編程(ISP／IAP)，能讓設(shè)計者在應(yīng)用程序運行過程中改變代碼。將XA-G49和ConnectOne公司的ichip561AD-s／PInternet外圍芯片結(jié)合在一起，就可以實現(xiàn)通過Internet遠(yuǎn)程升級固件和重構(gòu)系統(tǒng)。Philips公司目前推出的支持Internet連接的Mcu還有89C5lRx2系列51LPc系列(包括87LPC762、87LPC764和87LPc767等)等。ConnectOne公司的iChip(iChip561ADS／P)、iM－odem(iModem50—204x－02)和．P&S公司的WebChiP都是基于EMIT技術(shù)，實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)InteRN接入的MCU／MPU外圍芯片。6．3利用Intemet技術(shù)實現(xiàn)硬件功能遠(yuǎn)程動態(tài)重構(gòu)的FPGA／CPLDXilinx公司和GoAhead軟件公司合作，率先實現(xiàn)了XilinxFPGA／CPLD在裝配到現(xiàn)場后，可以通過Internet對其進行遠(yuǎn)程更新和動態(tài)重構(gòu)。利用GoAhead公司的FieldUpgrader技術(shù)和Xilinx公司的IRL(IntemetRecon．figurableLogic)Internet在系統(tǒng)邏輯重配置技術(shù)，Xilinx公司FPGA／CPLD的配置文件能夠通過Internet、Intranet或VPN(VirtualPrivateNetwork)自動地下載到現(xiàn)場的FPGA／CPLD系統(tǒng)，實現(xiàn)動態(tài)功能重構(gòu)和升級維護。GoAhead的解決方案包括3個部分：GoAheadDeviceStudioTM、GoAheadUpgradeAgentTM和GoAheadUpgradeServer。GoAheadDeviceStudio是用于配置GoAheadUpgradeAgent的開發(fā)環(huán)境，配置完畢后，GoAheadUpgradeAgent就嵌入在了目標(biāo)器件(如Xilinx的FPGA／CPLD)中，GoAheadUpgradeServer安裝在監(jiān)控中心的服務(wù)器上，用于創(chuàng)造和發(fā)布系統(tǒng)功能重構(gòu)的更新文件。就當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r來看，數(shù)字系統(tǒng)(CPU、FPGA／CPLD等)已基本上可實現(xiàn)器件級Internet接入以及基于Internet的遠(yuǎn)程硬件功能重構(gòu)和系統(tǒng)升級。但模擬系統(tǒng)，如Lattice公司最近推出的ispPAC系列產(chǎn)品則剛剛具有ISP在系統(tǒng)可編程反復(fù)重配置能力，尚不具備Internet遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)能力，相信不久的將來，即可在該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)革命性的突破，從而真正實現(xiàn)整個智能儀器儀表系統(tǒng)基于Internet的器件級遠(yuǎn)程監(jiān)控、維護和通訊。隨著半導(dǎo)體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通訊技術(shù)和軟件技術(shù)的飛速發(fā)展，智能儀器儀表系