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智能儀器儀表(耐電壓測試儀)的ISP技術(shù)與Internet接入

  • 發(fā)布日期:2010-07-17      瀏覽次數(shù):1560
    •  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(shù)和EMIT(Embedded Micro Internetworking Technology)技術(shù)在智 耐電壓測試儀能儀器儀表設(shè)計中的應(yīng)用。結(jié)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(shù)和Internet技術(shù)的智能儀表系統(tǒng)的解決方案。 耐電壓測試儀

        關(guān)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(shù) 耐電壓測試儀.網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 耐電壓測試儀和半導(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(In System  耐電壓測試儀Programmability 耐電壓測試儀)在系統(tǒng)可編程技術(shù)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(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 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(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公司在制造工藝上取得突破,推出了ispPAC(In System Pro.grammable Analog ICs),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。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(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

        Analog Device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(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?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: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(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(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(Inlectual Property)Core(如USB Core,PCI Core和DSP core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,Z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Foundation2.1i 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(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(IntegratedLoldie Analysis)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IP CORE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(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(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)1k Byte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Connect One公司的ichip561AD-s/P Internet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(iChip 561ADS/P)、iM-odem(iModem 50—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/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(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.figurable Logic)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(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(gòu)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(biāo)器件(如Xilinx的FPGA/CPLD)中,GoAhead Upgrade Server 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(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,智能儀器儀表系統(tǒng)的設(shè)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(shè)計和運行環(huán)境加速形成。ISP和EMIT技術(shù)正是推動和促進這一變化的基礎(chǔ),它們的實現(xiàn)為IST(Internet Sensor Technology網(wǎng)絡(luò)傳感器技術(shù)).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(luò)化交通監(jiān)管等的Internet化提供了技術(shù)保證。

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