嵌入式虚拟仪器模拟通道的远程重构技术

1、嵌入式虚拟仪器模拟通道的远程重构摘要：本文提出了一种基于Internet和ISP技术的嵌入式虚拟仪器模拟通道的 远程重构方案。该方案对于便携虚拟仪器平台的远程实现具有重要参考价值。 关键词：虚拟仪器在系统可编程嵌入式重构模拟通道Abstract : A distant reconfigurationscheme on the anolog channel of embeddedvirtual instrumentis presented.This scheme is based on Internet andISP( In-System-Program) technology and valu

2、able for the remotely realization of the portable virtual instrument.Keywords :virtual instrument, ISP , embedded , reconfiguration , anolog channel0 .引言虚拟仪器是一种新型的仪器概念，它将计算机的硬件资源，仪器测控硬 件和测试软件相结合，通过用户开发功能模块，从而在通用测试平台上实现 专用仪器功能。传统虚拟仪器基于计算机硬件，硬件体积大，成本很高，不便携带。随 着嵌入式技术的发展，我们提出了一种嵌入式虚拟仪器方案，它使用集高效 处理器内核及各种

3、接口于一体的片上系统(SOC)和多任务的嵌入式操作系 统，使虚拟仪器通用平台微型化成为可能。为了缩小体积、降低成本，嵌入式虚拟仪器平台没有传统的PXI、VXI 等总线结构，无法随意更换仪器测控硬件。为了实现仪表测试平台的通用化， 我们采用嵌入式Internet和ISP技术相结合，开发出模拟通道在线远程重构技 术，可以很好的解决这一问题，实现嵌入式虚拟仪器的远程重构和升级。模拟通道远程重构原因及原理传统的虚拟仪器用软件来实现仪器仪表功能，具有很高的灵活性，但是 其模拟通道参数是固定不便的，当组建的虚拟仪器测试对象或测试任务有较 大改变时，往往要更换测试硬件，以致加长了仪表的开发周期，重构技术可

4、以解决这一问题。但基于本地(现场)的重构技术要求使用者掌握测试仪器 的原理、内部结构、重构步骤等知识，现场还要有pc机和专用编程电缆等设 备，使用起来不够方便。为解决以上两个问题，我们提出模拟通道的远程重 构概念。它是把Internet技术和重构技术相结合，通过网络远程地重构出不 同参数的模拟通道，只需使用者具备很基本的仪器仪表知识就能构建出可适 应各种不同测试对象的仪器，是一种高效便利智能的仪表重构手段。远程的含义有两层，一是使用者可以方便地通过Internet在远程控制仪 器的重构，二是重构软件是由专业仪器仪表开发者提供的，它放在远程的服 务器上供使用者重构时在线索取，具有一定的权威性。远

5、程重构的基本原理是使用者首先确定被测对象的类型，估计出模拟量 的主要特性，通过浏览器登陆提供重构服务的网站，选择一种待重构的仪器 仪表类型，服务器就会通过Internet把重构软件发送到你的嵌入式虚拟仪器 中，自动构建出你所选择仪器仪表的模拟通道。嵌入式虚拟仪器硬件设计为了做到仪器的可重构性及便携性，设计出的硬件必须是灵活而小巧的。 本系统硬件主要由以下几个部分组成：微处理器、存储器、显示器、网络接 口、可重构模拟通道。其中微处理器采用基于ARM内核体系结构的AT91系 列，存储器采用一片4M的flash ROM 和8M的SDRAM。显示采用LCD，网 络控制芯片采用rtl8019as，收发器

6、为RJ45。为了实现信号的增益可编程、滤 波器的带宽可调整，模拟通道由具有在系统可编程能力的IspPAC10、 IspPAC80 芯片，以及12位的ADC和DAC构成。其中IspPAC10内含 有四个 PAC块，可以方便地实现放大、求和、积分、滤波功能，在这里作为传感器 信号的放大或衰减及双二阶滤波器，它的增益和滤波参数是可编程 的;IspPAC80是高性能的可编程滤波器，这里作为A/D转换器前端的模拟信 号调理。由IspPAC10与IspPAC80级联可构建出增益可在080dB，精密滤 波范围在50750kHz的模拟通道。具有可重构能力的模拟通道构建是本系统 硬件的关键所在。硬件机构框图1所

7、示：编程信号模拟信号数字信号重构信号图1含远程重构功能的硬件结构框图嵌入式虚拟仪器的软件设计虚拟仪器是在通用的仪器平台上，通过灵活的软件来实现各种功能仪器 仪表。其软件是直接在pc机上开发完成的。嵌入式虚拟仪器的软件也可以先 在pc机上开发完成，然后移植到嵌入式仪器中，这是一种传统的做法。但随 着仪器功能的复杂，对开发者的能力要求越来越高，开发周期也越来越长， 这种方法的弊端也日渐暴露。为了解决这个问题，嵌入式虚拟仪器软件可以 通过Internet下载并自动加载运行。嵌入式虚拟仪器的软件设计不在仪器仪 表的功能软件设计，而在传统智能仪器的软件的基础上增加一个远程重构模块。其中，Web服务器模块

8、的功能是向Internet上的浏览器提供网页服务， 即可以有多个用户共享本嵌入式虚拟仪器的监控信息，还可以异步远控本嵌 入式虚拟仪器。Web浏览器模块的功能是浏览相关服务器网页，提供使用者 选择待重构的仪器仪表功能软件。由于本嵌入式虚拟仪器是嵌入式系统，其 硬件资源是很宝贵的，在能完成任务前提下，有必要裁减掉普通Web服务器 和浏览器的某些模块，形成嵌入式的Web服务器和浏览器。远程重构模块是 基于C/S模式的软件模块，它运行于后台，其功能是从Internet上接收重构 信息，然后启动重构模块。它是一个基于TCP/IP的网络模型，采用三次握手 的可靠连接方式，以确保重构信息能在以太网上准确传输

9、。重构管理模块是 本仪器软件设计的关键，它的功能就是把重构信号翻译成可在线编程的电信 号。难点在于各类文件格式的转换和编程信号时序逻辑的准确控制，这一点 将在稍后详细介绍。远程重构的实现重构信号是从网络上获取的，那么如何高效、快速、安全地在网络上获 取重构信号是很重要的。我们所需的重构信息是关键信息，如果出现信息部 分丢失或被更改，会导致重构后的仪器不符合用户的要求，甚至可能会烧坏 整个仪器。权衡快速性和安全性，后者更为重要。而有些信息可能是辅助性 的（如虚拟的仪器仪表面板），这些信息只要保持基本的信息就可以了，这种 情况下快速性比安全性更重要。因此，我们采用两种网络连接模式，针对重 要的重构

10、信息，用可靠数据传输协议（TCP ），它是基于三次握手的可靠连接； 针对量大而的信息，采用用户数据报协议（UDP ），它虽然不是基于连接的传 输协议，但传输数据速度快，可靠性也基本满足要求。远程信号获取的任务完成后就开始重构任务。重构信息暂时放在嵌入式 虚拟仪器的SDRAM中，微处理器会把它烧写到仪器的FlashRom 中，整个系 统重启后自动执行FlashRom 中的程序，该程序的功能是将待重构的ISP芯片 选通，然后产生编程电信号对仪器中ISP器件中的可配置存储器进行改写， 构建出一种满足用户的仪器仪表功能；仪器仪表功能及虚拟面板程序也会得 到运行。远程重构流程如图3所示：5.模拟通道的I

11、SP技术实现ISP （在系统可编程）技术是设计电路和系统的新理念。要实现模拟通道 的ISP技术一般需具备三个条件，那就是ISP模拟器件、ISP接口及编程电缆、 ISP编程信号。ISP模拟器件必须具备反复电路板上编程的能力。本系统采用 的是Lattice半导体公司的模拟可编程器件，其编程次数可达10000次,足够满 足仪器重构的要求ISP编程电缆和接口在远程重构下由以太网和专门设计的 接口来代替。每个ISP器件可以通过独立的ISP接口分别编程，也可多个ISP 器件通过并行多路复用接口或串行菊花链接口编程。为了让接口设计简单而 实用，这里选择最后一种接口方案，如图4所示。图4在系统编程接口其中SD

12、O （数据串行输出）、SDI （数据串行输入）、Mode （模式选择）、SCLK （串行时钟）、ispEN （4个信号的使能信号）是5个基本编程信号。ISP编程信号由微处理器的5个I/O产生，事先要把这些I/O 口定义成与 5线的ISP接口相对应，定义I/O 口后，要编写读、写这些I/O 口的程序。读 写这些口时应保证各ISP编程信号之间的定时关系。6.服务器端重构软件的设计服务器端的重构软件设计主要包括各个ISP模拟器件的熔丝图文件 (JEDEC 文件)和虚拟仪器的设计。在模拟可编程芯片开发系统 (PAC-Designer )中通过原理图设计仿真后，可生成熔丝图文件。以构建一个简单的数字温度

13、计为例，设其测量范围为0100 0C，灵敏度为5mV/。C, AD转换器的模拟电压输入范围05V。则放大倍数K = Jm=T * Sw*：m = I。，增益n = 20lg10 = 20 ( dB ),其中Vm为AD转换器的模拟 100*5*10 -3 v电压输入最大值5V , Tm为可测温度最大值，S为温度计的灵敏度。任务就是 设计一个在低频段(假设温度变化的最大频率为20kHz )增益为20dB的二阶 低通滤波器。经分析二阶低通滤波器的传递函数T ( s )=匕匕广2 + 2*-，可知用ispPAC10的两个PAC块可以实现，如图5nn所示。Cfi图5两个PAC块组成的二阶低通滤波器(s)

14、k k (2g )2 / C C两个PAC块级联后的传递函数为02=12 11%f1 f2 ，由T(s)2 g k k (2gm)2in1S 2 +m S 1221Cf 1Cf 1Cf 2(s ) = ,2以可得阻尼系数& =：f，固有频率w = (2g )/.；C C 。V (s)2 V Cf 1n m f1 f2取& = 1.;2，w =2X 兀 X20X1000，g =2 R A/V 通过计算得C =22.33pF,Cf广45.41pF。二阶低通滤波器的仿真结果如图6所示。图6二阶低通滤波器的幅频/相频特性完成设计输入和仿真操作后，导出jed （熔丝图）或者svf （串行向量格 式）的文

15、件。这个文件传给嵌入式仪表以后，经过格式转化和运行产生编程 信号。虚拟仪器（包括功能和面板）可以由服务器端的LabVIEW设计，完成后 作为一个软件包的形式下载到嵌入式仪表中运行。虚拟仪器与嵌入式硬件之 间的接口由硬件驱动程序来实现。问题是嵌入式仪器的硬件是不确定的，没 法从服务器下载一个通用的驱动程序。随着虚拟机（Virtual Machine）技术 的不断成熟，可以在由不同硬件构成的嵌入式系统中嵌入一个虚拟机，让虚 拟机模拟（仿真）一些通用的硬件接口。基于这些接口编写一个通用的驱动 程序就可以驱动虚拟仪器的运行了。7.结束语嵌入式虚拟仪器不仅仅是一种新的仪器，它还是一种新的仪器设计理念， 它通过远程重构来实现。模拟通道的远程重构只是其中的一方面。除此之外， 数字通道的重构也是一个重要的方面。互联网的健壮性、安全性是远程重构 的关键，但随着IPV