摘要：本文討論 耐電壓測試儀了ISP（In System Programmabiljty） 耐電壓測試儀技術和EMIT（Embedded Micro Internetworking Technology）技術在智 耐電壓測試儀能儀器儀表設計中的應用。結合 耐電壓測試儀Lattice公司推出的ispPAC、AnalogDevice公司推出的模擬MCU、 耐電壓測試儀Philips公司Z 耐電壓測試儀新推出的具備Internet互連能力的MCU和Xilinx公司的FPGA／CPLD等提出了基于ISP技術和Internet技術的智能儀表系統(tǒng)的解決方案。 耐電壓測試儀
關鍵詞：智能儀器儀表ISP EMIT Internet 耐電壓測試儀
1 引言 耐電壓測試儀
近年來， 耐電壓測試儀隨著通訊技術 耐電壓測試儀．網(wǎng)絡技術 耐電壓測試儀和半導體技術的飛速發(fā)展，智能儀器儀表系統(tǒng)的設計步入了嶄新的時代。其中，實現(xiàn)Intenet接入是當前智能儀器儀表系統(tǒng)發(fā)展的熱點領域和重要方向。
ISP（In System 耐電壓測試儀Programmability 耐電壓測試儀）在系統(tǒng)可編程技術對于實現(xiàn)智能儀器 耐電壓測試儀儀表系統(tǒng)基 耐電壓測試儀于TCP 耐電壓測試儀／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 耐電壓測試儀個系統(tǒng)進行現(xiàn)場升級和功能重 耐電壓測試儀構的能力。這種重構可以在實驗開發(fā)過程中，制造過程中甚至是在交付用 耐電壓測試儀戶使用之后在現(xiàn)場或通過Internet進行。
利用ISP技術，能夠使得儀器儀表的硬件系統(tǒng)不再是純粹的固定結構，而是具備某些軟件特性的靈活結構，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雜性，當前ISP技術主要應用在數(shù)字系統(tǒng)設計中，如美國Xilinx公司的FPGA／CPLD等均支持ISP技術。1999年末，美國Lattice公司在制造工藝上取得突破，推出了ispPAC（In System Pro．grammable Analog ICs），將ISP技術引入到了模擬系統(tǒng)中，給智能儀器儀表系統(tǒng)的沒計帶來了革命性的變化。
結合ISP技術通過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技術的設計思想
通過充分利用當前的ISP技術，我們所設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)功能遠程動態(tài)重構、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，我們結合。Analog Device公司推出的具有模擬功能的ADuC2812 MCU，Philips在業(yè)界推出的支持Internet接入的16位MCU，Lattice公司推出的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)的設計。
3儀器儀表系統(tǒng)的CPU與ISP技術
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。
隨著半導體技術的發(fā)展，陸續(xù)出現(xiàn)了不少增強型的CPU。由于CPU的ISP技術對于實現(xiàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡化和遠程監(jiān)控具有決定性的意義，同時由于8位MCU在當前智能儀器儀表系統(tǒng)中應用的廣泛性，我們主要結合支持ISP技術的AnalogDevice公司的8位Mcu（ADuC812）來討論ISP技術的應用。
3．1 ADuC812的結構和性能
Analog Device公司的ADuC812由與8051兼容的內(nèi)核、存儲器．片內(nèi)外圍設備、電源單元和模擬單元等部分構成。與805l兼容的內(nèi)核額定上作頻率為12MHz（Z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)外部程序尋址空間，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有高電流驅動能力，同時具有標準的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12位ADC、片內(nèi)40PPM／℃的電壓基準、兩個12位電壓輸出DAC和片內(nèi)溫度傳感器等?？伸`活地構建功能強人的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通過標準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)的設計與lSP技術
在Lattlce公司1999年末推出高性能的系統(tǒng)可編程模擬電路ispPAC之前，模擬系統(tǒng)的設計往往需要用大量標準分離器件來搭建。ispPAC的出現(xiàn)，使得高集成度的模擬設計現(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計、集成和配置，避免了采用傳統(tǒng)的ASIC芯片時的成本高、設計周期長的缺點，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。
下面結合ispPAC來討論ISP技術在模擬系統(tǒng)設計中的應用。
4．1 ispPAC：的體系結構
利用ISP技術，Lattice公司的ispPAC產(chǎn)品支持3維可編程能力：Programmable Functions（Amplification．Conversion，F(xiàn)iltering），Programmable charactefistics（Gain，Bandwidth，Offset，Thresholds）和Programmable Interconnect（Reconfigumble Architectures）。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構的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，設計出更復雜的模擬系統(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，因而大大簡化了設計實驗，節(jié)省了開發(fā)時間。
ispPAC通過Lattice公司的ispDONWlOAD cable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)的設計與ISP技術
數(shù)字邏輯系統(tǒng)設計的變革是從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)明了復雜在系統(tǒng)可編程邏輯器件（CPLD）。
目前，F(xiàn)PGA／CPLD能夠實現(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)的設計，結合IP（Inlectual Property）Core（如USB Core，PCI Core和DSP core等）和功能強大的EDA軟件可以構建出非常復雜的數(shù)字電子系統(tǒng)。
xc9500系列是Xilinx公司采用創(chuàng)新的FastfLASH技術制造的CPLD產(chǎn)品，Z高可完成l萬門的數(shù)字邏輯系統(tǒng)的設汁，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系列器件通過標準的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Foundation2．1i FPGA／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。
LD和嵌入式微控制器（如8051）結合使用可以更靈活地實現(xiàn)ISP在系統(tǒng)編程。
FPGA／CPLD技術，發(fā)展異常迅速，Xilinx公司在2000年初推出了成熟的ChipScopeILA（IntegratedLoldie Analysis）技術，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IP CORE和VHDI。硬件描述語言等的使用，數(shù)字邏輯系統(tǒng)的設計思想和方法也發(fā)生了革命性的變化。
6 結合ISP和EMIT技術實現(xiàn)儀器儀表系統(tǒng)的Internet接入
伴隨著網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展，Intemet技術正在逐漸向工業(yè)控制和智能儀器儀表系統(tǒng)設計領域滲透。實現(xiàn)智能儀器儀表系統(tǒng)基于Intemet的通訊能力以及對設計好的智能儀器儀表系統(tǒng)進行遠程升級，功能重置和系統(tǒng)維護，是硬件設計的發(fā)展方向。
6 .1 EMlT技術與智能儀器儀表系統(tǒng)的Internet接入
emWare公司創(chuàng)立了ETI（eXtend The Internet）擴展Internet聯(lián)盟，井提出了EMIT嵌入式微型英特網(wǎng)互連技術，它是一種將單片機等嵌入式設備接入Internet的技術，利用該技術，能夠將8位和16位單片機系統(tǒng)接入Internet，實現(xiàn)基于Internet的遠程數(shù)據(jù)采集、智能控制、上傳／下載數(shù)據(jù)文件等功能。
EMIT技術包括以下核心技術：
emMicro：是駐留在嵌入式系統(tǒng)中的微型網(wǎng)絡服務器。emMicro集成到嵌入式系統(tǒng)中，使得網(wǎng)絡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（如RS-485、IR、RF和電力線等）進行連接的網(wǎng)絡協(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emGateway進行有效的通訊。
emGateway（嵌入式微控制器網(wǎng)關）：是輕型設備網(wǎng)絡如RS-232、RS-485，cAN、IIc、xlO、RF等和大型高性能網(wǎng)絡如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)、標準的Internet通信互連以及支持網(wǎng)絡瀏覽器。
鑒于當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)1k Byte的存儲資源，因而該項技術不管是對于老儀器儀表系統(tǒng)的改造，還是構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技術的發(fā)展。
6．2融合ISP和EMIT技術的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.
應用內(nèi)編程（ISP／IAP），能讓設計者在應用程序運行過程中改變代碼。將XA-G49和Connect One公司的ichip561AD-s／P Internet外圍芯片結合在一起，就可以實現(xiàn)通過Internet遠程升級固件和重構系統(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（iChip 561ADS／P）、iM－odem（iModem 50—204x－02）和．P&S公司的WebChiP都是基于EMIT技術，實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)InteRN接入的MCU／MPU外圍芯片。
6．3 利用Intemet技術實現(xiàn)硬件功能遠程動態(tài)重構的FPGA／CPLD
Xilinx公司和GoAhead軟件公司合作，實現(xiàn)了Xilinx FPGA／CPLD在裝配到現(xiàn)場后，可以通過Internet對其進行遠程更新和動態(tài)重構。利用GoAhead公司的FieldUpgrader技術和Xilinx公司的IRL（IntemetRecon．figurable Logic）Internet在系統(tǒng)邏輯重配置技術，Xilinx公司FPGA／CPLD的配置文件能夠通過Internet、Intranet或VPN（Virtual Private Network）自動地下載到現(xiàn)場的FPGA／CPLD系統(tǒng)，實現(xiàn)動態(tài)功能重構和升級維護。
GoAhead的解決方案包括3個部分：GoAhead Device StudioTM、GoAhead Upgrade AgentTM和GoAhead Upgrade Server。
GoAhead Device Studio是用于配置GoAhead Upgrade Agent 的開發(fā)環(huán)境，配置完畢后，GoAhead Upgrade Agent就嵌入在了目標器件（如Xilinx的FPGA／CPLD）中，GoAhead Upgrade Server 安裝在監(jiān)控中心的服務器上，用于創(chuàng)造和發(fā)布系統(tǒng)功能重構的更新文件。
就當前的技術發(fā)展狀況來看，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的遠程硬件功能重構和系統(tǒng)升級。但模擬系統(tǒng)，如Lattice公司Z近推出的ispPAC系列產(chǎn)品則剛剛具有ISP在系統(tǒng)可編程反復重配置能力，尚不具備Internet遠程聯(lián)網(wǎng)能力，相信不久的將來，即可在該領域實現(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的器件級遠程監(jiān)控、維護和通訊。
隨著半導體技術、網(wǎng)絡技術、通訊技術和軟件技術的飛速發(fā)展，智能儀器儀表系統(tǒng)的設計思想和方法發(fā)生了革命性的變化，很多因素如IPCore和基于Internet的EDA（如xilinx的基于www的WEBPACK CPLD開發(fā)系統(tǒng)）等的飛速發(fā)展正促使以Internet為中心的智能儀器儀表的設計和運行環(huán)境加速形成。ISP和EMIT技術正是推動和促進這一變化的基礎，它們的實現(xiàn)為IST（Internet Sensor Technology網(wǎng)絡傳感器技術）．HVAC（家庭環(huán)境自動控制）、IA（Information Appliance信息家電）、環(huán)境自動監(jiān)測、智能小區(qū)管理、網(wǎng)絡化交通監(jiān)管等的Internet化提供了技術保證。
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