智能仪器仪表的I S P技术与I n te r n et接入
摘要 本文讨论了ISP(In System Programmabiljty)技术和EMIT(Embedded Micro Internetworking Technology)技术在智能仪器仪表设计中的应用。结合Lattice公司最新推出的ispPAC、AnalogDevice公司最新推出的模拟MCU、Philips公司最新推出的具备Internet互连能力的MCU和Xilinx公司的FPGA／CPLD等提出了基于ISP技术和Internet技术的智能仪表系统的解决方案。
关键词智能仪器仪表ISP EMIT Internet
1 引言
近年来，随着通讯技术．网络技术和半导体技术的飞速发展，智能仪器仪表系统的设计步入了崭新的时代。其中，实现Intenet接入是当前智能仪器仪表系统发展的热点领域和重要方向。
ISP(In System Programmability)在系统可编程技术对于实现智能仪器仪表系统基于TCP／IP协议的Internet接入具有重要的意义。所谓“在系统可编程”是指对器件、电路甚至整个系统进行现场升级和功能重构的能力。这种重构可以在实验开发过程中，制造过程中甚至是在交付用户使用之后在现场或通过Internet进行。
利用ISP技术，能够使得仪器仪表的硬件系统不再是纯粹的固定结构，而是具备某些软件特性的灵活结构，甚至可以在运行状态下根据需要重新配置功能。由于模拟集成芯片制造工艺的复杂性，当前ISP技术主要应用在数字系统设计中，如美国Xilinx公司的FPGA／CPLD等均支持ISP技术。1999年末，美国Lattice公司率先在制造工艺上取得突破，推出了ispPAC(In System Pro．grammable Analog ICs)，将ISP技术引入到了模拟系统中，给智能仪器仪表系统的没计带来了革命性的变化。
结合ISP技术通过Internet将智能仪器仪表系统接入Internet，就可以方便地实现对仪器仪表的远程监视、控制、维护、升级和工业自动化。
2 仪器仪表系统基于ISP技术的设计思想
通过充分利用当前最先进的ISP技术，我们所设计的智能仪器仪表系统不仅要具备系统级现场可编程的能力，而且能够通过Intemet实现基于TCP／IP协议的系统功能远程动态重构、现场升级和通讯互访。
一般来说，智能仪器仪表系统大都可划分为3个模块：CPU、模拟系统和数字逻辑系统等。这里，我们结合。Analog Device公司最新推出的具有模拟功能的ADuC2812 MCU，Philips率先在业界推出的支持Internet接入的16位MCU，Lattice公司最新推出的ispPAC和Xilinx公司的FPGA／CPLD来具体讨论实现ISP和Internet接入的智能仪器仪表系统的设计。
3仪器仪表系统的CPU与ISP技术
CPU是智能仪器仪表系统的灵魂。智能仪器仪表系统的整体性能很大程度上取决于CPU的先进性和灵活性。
随着半导体技术的发展，陆续出现了不少增强型的CPU。由于CPU的ISP技术对于实现系统网络化和远程监控具有决定性的意义，同时由于8位MCU在当前智能仪器仪表系统中应用的广泛性，我们主要结合支持ISP技术的AnalogDevice公司的8位Mcu(ADuC812)来讨论ISP技术的应用。
3．1 ADuC812的结构和性能
Analog Device公司的ADuC812由与8051兼容的内核、存储器．片内外围设备、电源单元和模拟单元等部分构成。与805l兼容的内核额定上作频率为12MHz(最大16MHz)，3个16位定时器／计数器，功能包括看门狗定时器WDT、电源监视器PSM以及高速ADC。至RAM捕获DMA控制器。片内有8K字的闪速／电擦除程序存储器，640字的闪速／电擦除数据存储器和256字节片内数据RAM．支持16M字节外部数据寻址空间和64K字节外部程序寻址空间，为多处理器接口和I／O扩展提供了32条可编程的I／O总线，端口3有高电流驱动能力，同时具有标准的UART串行端口和可配置的12C或SPI接口。
模拟单元包括8通道、高速(200KSPS)自校准12位ADC、片内40PPM／℃的电压基准、两个12位电压输出DAC和片内温度传感器等。可灵活地构建功能强人的12位数据采集系统。
MCU内核和模拟转换器二者均有正常、空闲和掉电工作模式，提供了适合于低功耗应用的灵活的电源管理方案。
3．2 ADuC812的ISP在系统编程
ADuC812通过标准UART串行接口实现程序代码的下载(在系统编程)，用户在ADuC812串行下载模式下可以将程序代码通过Pc机的串口下载到芯片程序存储器中。
在ADuC812之后，AnalogDevice公司又推出了支持ISP技术的16位和24位精度的模拟McuADuC816及ADuC824等系列产品。
4 模拟系统的设计与lSP技术
在Lattlce公司1999年末率先推出高性能的系统可编程模拟电路ispPAC之前，模拟系统的设计往往需要用大量标准分离器件来搭建。ispPAC的出现，使得高集成度的精确模拟设计现在能够通过一小块单片ispPA芯片来实现，从根本上简化和加速了模拟电路的设计、集成和配置，避免了采用传统的ASIC芯片时的成本高、设计周期长的缺点，给传统的模拟系统开发带来了革命性的变化，其性能类似于数字系统中的FPGA。
目前ispPAC系列产品包括ispPAC10、ispPAC20和ispPAC80等3种。
下面结合ispPAC来讨论ISP技术在模拟系统设计中的应用。
4．1 ispPAC：的体系结构
利用ISP技术，Lattice公司的ispPAC产品支持3维可编程能力：Programmable Functions(Amplification．Conversion，Filtering)，Programmable Charactefistics(Gain，Bandwidth，Offset，Thresholds)和Programmable Interconnect(Reconfigumble Architectures)。即除了芯片内部物理级的互连线可编程外，其内每一个单元(Cell)的功能和特性都是可编程的。从而芯片在保持印刷电路板上的焊接状态不变的情况下，就可以很容易地实现对芯片的快速编程、擦除和模拟电路功能及特性的重新配置。
ispPAC器件的基本功能单元是具有特殊结构的PACell，如仪器放大器、运算放大器，滤波器等模拟电路单元，由若干PACell组成模拟功能模块PACblocks，整个芯片由若干个PACblocks构成。不需要电阻、电容等外围部件，就可以实现诸如PrecisionFiltering、Summing／Differencing、Gain／Attenuation和COnversion等基基本模拟功能，同时还可以将这些基本模拟功能进行灵活的组合配置，设计出更复杂的模拟系统。
如利用ispPAC80，用户可以在几秒钟内在一小片Ic上配置出数万种不同的五阶精度滤波器。
4．2 ispPAC的开发环境和1SP在系统编程
lattice公司ispPAC开发系统PAC－Desiger软件为没计者提供了图形风格的用户界面，软件提供了模拟库和电路宏生成器，并内置了模拟和验证工具，可以在对芯片编程前对所设计的模拟电路进行仿真，生成各种曲线报告，因而大大简化了设计实验，节省了开发时间。
ispPAC通过Lattice公司的ispDONWlOAD cable下载电缆实现ISP在系统编程，瞬间即可完成器件的重配置和重编程。
5 数字逻辑系统的设计与ISP技术
数字逻辑系统设计的变革是从1984年Xilinx公司发明现场可编程门阵列(FPGA)开始的，90年代Latttice公司又发明了复杂在系统可编程逻辑器件(CPLD)。
目前，FPGA／CPLD能够实现从几千门的接口逻辑电路到数百万门的庞大数字逻辑系统的设计，结合IP(Intellectual Property)Core(如USB Core，PCI Core和DSP core等)和功能强大的EDA软件可以构建出非常复杂的数字电子系统。
xc9500系列是Xilinx公司采用创新的FastfLASH技术制造的CPLD产品，最高可完成l万门的数字逻辑系统的设汁，目前有5V、3.3V和2.5V 3个版本工作电压，具有特殊的系统内编程(ISP)能力，编程／擦除的次数较其他公司的CPLD高l至2个数量级。XC9500系列器件通过标准的4脚JTAG协议实现在系统内编程，它的扩展IEEE—1149.1边界扫描指令集允许器件编程模式扩展和实现系统内诊断。
利用Xilinx公司提供的Foundation2．1i FPGA／CPLD开发系统和Xchecker串行编程电缆可方便地实现数字逻辑系统的开发和ISP在系统编程。FPGA／CPLD和嵌入式微控制器(如8051)结合使用可以更灵活地实现ISP在系统编程。
FPGA／CPLD技术，发展异常迅速，Xilinx公司在2000年初推出了成熟的ChipScopeILA(IntegratedLoldie Analysis)技术，把逻辑分析仪的功能集成在了FPGA芯片内，大大简化了数字逻辑系统的调试工作，还将逐渐将A／D和D／A等集成在单片FPGA／CPLD内。随着IP CORE和VHDI。硬件描述语言等的使用，数字逻辑系统的设计思想和方法也发生了革命性的变化。
6 结合ISP和EMIT技术实现仪器仪表系统的Internet接入伴随着网络技术的飞速发展，Intemet技术正在逐渐向工业控制和智能仪器仪表系统设计领域渗透。实现智能仪器仪表系统基于Intemet的通讯能力以及对设计好的智能仪器仪表系统进行远程升级，功能重置和系统维护，是硬件设计的发展方向。
6 .1 EMlT技术与智能仪器仪表系统的Internet接入
emWare公司创立了ETI(eXtend The Internet)扩展Internet联盟，井提出了EMIT嵌入式微型英特网互连技术，它是一种将单片机等嵌入式设备接入Internet的技术，利用该技术，能够将8位和16位单片机系统接入Internet，实现基于Internet的远程数据采集、智能控制、上传／下载数据文件等功能。
EMIT技术包括以下核心技术
emMicro：是驻留在嵌入式系统中的微型网络服务器。emMicro集成到嵌入式系统中，使得网络上的客户机能够控制和监视嵌入式系统以及从中收集数据。emMicro针对微控制器有限的资源进行了优化，只占用系统很小的内存(1K字节)资源和处理器资源。
emNet：是使嵌入式系统和轻量级网络(如RS-485、IR、RF和电力线等)进行连接的网络协议。同时，emNet使得集成emMicro的嵌入式系统能够和嵌入式微控制器网关emGateway进行有效的通讯。
emGateway(嵌入式微控制器网关)：是轻型设备网络如RS-232、RS-485，cAN、IIc、xlO、RF等和大型高性能网络如Intranet和Internet等之间连接的桥梁。它是一个功能强大的客户机，用于管理多个嵌入式系统、标准的Internet通信互连以及支持网络浏览器。
鉴于当前的智能仪器仪表系统大多都是基于8位或16位Mcu的，而EMIT仅占用系统1k Byte的存储资源，因而该项技术不管是对于老仪器仪表系统的改造，还是构建新的仪器仪表系统都具有很强的现实意义和发展前景。目前已有众多软硬件厂商加入ETI联盟，大大推动了EMIT技术的发展。
6．2融合ISP和EMIT技术的MCu和Internet外围芯片
目前，美国connectone公司、emWare公司、TAS．KING公司和国内的P&S公司等均提供基于Internet的Device-Networking的软件、固件(Firmware)和硬件产品.
应用内编程(ISP／IAP)，能让设计者在应用程序运行过程中改变代码。将XA-G49和Connect One公司的ichip561AD-s／P Internet外围芯片结合在一起，就可以实现通过Internet远程升级固件和重构系统。
Philips公司目前推出的支持Internet连接的Mcu还有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技术，实现嵌入式系统InteRN接入的MCU／MPU外围芯片。
6．3 利用Intemet技术实现硬件功能远程动态重构的FPGA／CPLD
Xilinx公司和GoAhead软件公司合作，率先实现了Xilinx FPGA／CPLD在装配到现场后，可以通过Internet对其进行远程更新和动态重构。利用GoAhead公司的FieldUpgrader技术和Xilinx公司的IRL(IntemetRecon．figurable Logic)Internet在系统逻辑重配置技术，Xilinx公司FPGA／CPLD的配置文件能够通过Internet、Intranet或VPN(Virtual Private Network)自动地下载到现场的FPGA／CPLD系统，实现动态功能重构和升级维护。
GoAhead的解决方案包括3个部分：GoAhead Device StudioTM、GoAhead Upgrade AgentTM和GoAhead Upgrade Server。
GoAhead Device Studio是用于配置GoAhead Upgrade Agent 的开发环境，配置完毕后，GoAhead Upgrade Agent就嵌入在了目标器件(如Xilinx的FPGA／CPLD)中，GoAhead Upgrade Server 安装在监控中心的服务器上，用于创造和发布系统功能重构的更新文件。
就当前的技术发展状况来看，数字系统(CPU、FPGA／CPLD等)已基本上可实现器件级Internet接入以及基于Internet的远程硬件功能重构和系统升级。但模拟系统，如Lattice公司最近推出的ispPAC系列产品则刚刚具有ISP在系统可编程反复重配置能力，尚不具备Internet远程联网能力，相信不久的将来，即可在该领域实现革命性的突破，从而真正实现整个智能仪器仪表系统基于Internet的器件级远程监控、维护和通讯。
随着半导体技术、网络技术、通讯技术和软件技术的飞速发展，智能仪器仪表系统的设计思想和方法发生了革命性的变化，很多因素如IPCore和基于Internet的EDA(如xilinx的基于www的WEBPACK CPLD开发系统)等的飞速发展正促使以Internet为中心的智能仪器仪表的设计和运行环境加速形成。ISP和EMIT技术正是推动和促进这一变化的基础，它们的实现为IST(Internet Sensor Technology网络传感器技术)．HVAC(家庭环境自动控制)、IA(Information Appliance信息家电)、环境自动监测、智能小区管理、网络化交通监管等的Internet化提供了技术保证。
参考文献
1 Xilinx In—System Programming Using an Embedded Microcontroller．America：Xilinx．Inc，1999．6
2 ispPAC 1 0／20／80 In-System Programmable Analog Circuit．America：Lattice Semiconductor Corporation，1999．11
3 Micro Converter Multichannel 12-Bit ADC with Embedded FLASH MCU ADuC812．America：Analog Device lnc．，1999. 5
4 吕京建，肖海桥．单片机世界．北京：中国单片机公共实验室(BOL)，1999．4
5 杨晖，张风言．大规模可编程逻辑器件与数字系统设计.北京：北京航空航天大学出版社，1999．1
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