智能仪器仪表的I S 技术与I n te r n et接入

智能仪器仪表的ISP技术与Internet接入摘要：本文讨论了ISP(InSystemProgrammabiljty)技术和EMIT(EmbeddedMicroInternetworkingTechnology)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。关键字：智能仪器仪表ISPEMITInternet1引言近年来，随着通通讯技术．网网络技术和半半导体技术的的飞速发展，智智能仪器仪表表系统的设计计步入了崭新新的时代。其其中，实现Intennet接入是当前前智能仪器仪仪表系统发展展的热点领域域和重要方向向。ISP(InSysteemProogrammmabiliity)在系统可编编程技术对于于实现智能仪仪器仪表系统统基于TCP／IP协议的Interrnet接入具有重重要的意义。所所谓“在系统可编程”是指对器件件、电路甚至至整个系统进进行现场升级级和功能重构构的能力。这这种重构可以以在实验开发发过程中，制制造过程中甚甚至是在交付付用户使用之之后在现场或或通过Inteernet进行。利用ISP技术术，能够使得得仪器仪表的的硬件系统不不再是纯粹的的固定结构，而而是具备某些些软件特性的的灵活结构，甚甚至可以在运行状态下下根据需要重重新配置功能能。由于模拟拟集成芯片制制造工艺的复复杂性，当前前ISP技术主要应应用在数字系系统设计中，如如美国Xilinnx公司的FPGA／CPLD等均支持ISP技术。1999年末，美国Lattiice公司率先在在制造工艺上上取得突破，推推出了ispPAAC(InSysteemProo．grammmableAnaloogICss)，将ISP技术引入到到了模拟系统统中，给智能能仪器仪表系系统的没计带带来了革命性性的变化。结合ISP技术术通过Interrnet将智能仪器器仪表系统接接入Interrnet，就可以方方便地实现对对仪器仪表的的远程监视、控控制、维护、升升级和工业自自动化。2

仪器器仪表系统基基于ISP技术的设计计思想通过充分利用当当前最先进的的ISP技术，我们们所设计的智智能仪器仪表表系统不仅要要具备系统级级现场可编程程的能力，而而且能够通过过Intemmet实现基于TCP／IP协议的系统统功能远程动动态重构、现现场升级和通通讯互访。一般来说，智智能仪器仪表表系统大都可可划分为3个模块：CPU、模拟系统统和数字逻辑辑系统等。这这里，我们结结合。AnaloogDevvice公司最新推推出的具有模模拟功能的ADuC22812MMCU，Philiips率先在业界界推出的支持持Interrnet接入的16位MCU，Lattiice公司最新推推出的ispPAAC和Xilinnx公司的FPGA／CPLD来具体讨论论实现ISP和Interrnet接入的智能能仪器仪表系系统的设计。3仪器仪表表系统的CPU与ISP技术CPU是智能仪仪器仪表系统统的灵魂。智智能仪器仪表表系统的整体体性能很大程程度上取决于于CPU的先进性和和灵活性。随着半导体技技术的发展，陆陆续出现了不不少增强型的的CPU。由于CPU的ISP技术对于实实现系统网络络化和远程监监控具有决定定性的意义，同同时由于8位MCU在当前智能仪器仪表表系统中应用用的广泛性，我我们主要结合合支持ISP技术的AnaloogDeviice公司的8位Mcu(AADuC8112)来讨论ISP技术的应用用。3．1

ADDuC8122的结构和性性能AnalogDevicce公司的ADuC8812由与8051兼容的内核核、存储器．．片内外围设设备、电源单单元和模拟单单元等部分构构成。与805l兼容的内核核额定上作频频率为12MHHz(最大16MHzz)，3个16位定时器／／计数器，功功能包括看门门狗定时器WDT、电源监视视器PSM以及高速ADC。至RAM捕获DMA控制器。片内有8K字的闪速／／电擦除程序序存储器，640字的闪速／／电擦除数据据存储器和256字节片内数数据RAM．支持16M字节外部数数据寻址空间间和64K字节外部程序寻址空间间，为多处理理器接口和I／O扩展提供了32条可编程的I／O总线，端口3有高电流驱驱动能力，同同时具有标准准的UART串行端口和和可配置的12C或SPI接口。模拟单元包括88通道、高速(200KKSPS)自校准12位ADC、片内40PPM／℃的电压基准准、两个12位电压输出DAC和片内温度度传感器等。可可灵活地构建建功能强人的的12位数据采集集系统。MCU内核和模模拟转换器二二者均有正常常、空闲和掉掉电工作模式式，提供了适适合于低功耗耗应用的灵活活的电源管理理方案。3．2

ADDuC8122的ISP在系统编程程ADuC8122通过标准UART串行接口实实现程序代码码的下载(在系统编程)，用户在ADuC8812串行下载模模式下可以将将程序代码通通过Pc机的串口下下载到芯片程程序存储器中中。在ADuC8112之后，AnaloogDeviice公司又推出出了支持ISP技术的16位和24位精度的模模拟McuADDuC8166及ADuC8824等系列产品品。4模拟系统的的设计与lSP技术在Lattlcce公司1999年末率先推推出高性能的的系统可编程程模拟电路ispPAAC之前，模拟拟系统的设计计往往需要用用大量标准分分离器件来搭搭建。ispPAAC的出现，使使得高集成度的精确确模拟设计现现在能够通过过一小块单片片ispPA芯片来实现现，从根本上上简化和加速速了模拟电路路的设计、集集成和配置，避避免了采用传传统的ASIC芯片时的成本高、设计计周期长的缺缺点，给传统统的模拟系统统开发带来了了革命性的变变化，其性能能类似于数字字系统中的FPGA。目前ispPAAC系列产品包包括ispPAAC10、ispPAAC20和ispPAAC80等3种。下面结合isppPAC来讨论ISP技术在模拟拟系统设计中中的应用。4．1

isspPAC：的体系结结构利用ISP技技术，Lattiice公司的ispPAAC产品支持3维可编程能能力：ProgrrammabbleFuunctioons(Ammplifiicatioon．Conveersionn，Filteering))，ProgrrammabbleChharacttefisttics(GGain，Bandwwidth，Offseet，Thressholdss)和ProgrrammabbleInntercoonnectt(RecoonfiguumbleArchiitectuures)。即除了芯芯片内部物理理级的互连线线可编程外，其其内每一个单单元(Celll)的功能和特特性都是可编编程的。从而而芯片在保持持印刷电路板板上的焊接状状态不变的情情况下，就可可以很容易地地实现对芯片片的快速编程程、擦除和模模拟电路功能能及特性的重重新配置。ispPAC器器件的基本功功能单元是具有特殊殊结构的PACelll，如仪器放放大器、运算算放大器，滤滤波器等模拟拟电路单元，由由若干PACelll组成模拟功功能模块PACbllocks，整个芯片片由若干个PACbllocks构成。不需需要电阻、电电容等外围部部件，就可以以实现诸如PreciisionFFilterring、Summming／Diffeerenciing、Gain／Attennuatioon和COnveersionn等基基本模模拟功能，同同时还可以将将这些基本模模拟功能进行灵活的组组合配置，设设计出更复杂杂的模拟系统统。如利用ispPPAC80，用户可以以在几秒钟内内在一小片Ic上配置出数数万种不同的的五阶精度滤滤波器。4．2

isspPAC的开发环境境和1SP在系统编程程latticee公司ispPAAC开发系统PAC－Desigger软件为没计计者提供了图图形风格的用用户界面，软软件提供了模模拟库和电路路宏生成器，并并内置了模拟拟和验证工具具，可以在对芯片编编程前对所设设计的模拟电电路进行仿真真，生成各种种曲线报告，因因而大大简化化了设计实验验，节省了开开发时间。ispPAC通通过Lattiice公司的ispDOONWlOAADcabble下载电缆实实现ISP在系统编程程，瞬间即可可完成器件的的重配置和重重编程。5数字逻辑系系统的设计与与ISP技术数字逻辑系统设设计的变革是是从1984年Xilinnx公司发明现现场可编程门门阵列(FPGAA)开始的，90年代Lattttice公司又发明明了复杂在系系统可编程逻逻辑器件(CPLDD)。目前，FPGGA／CPLD能够实现从从几千门的接接口逻辑电路路到数百万门门的庞大数字字逻辑系统的的设计，结合合IP(InntelleectuallPropperty))Core((如USBCCore，PCICCore和DSPccore等)和功能强大大的EDA软件可以构构建出非常复复杂的数字电电子系统。xc9500系列是Xilinnx公司采用创创新的FastffLASH技术制造的CPLD产品，最高高可完成l万门的数字字逻辑系统的的设汁，目前前有5V、3.3V和2.5V

3个版本工作作电压，具有有特殊的系统统内编程(ISP)能力，编程程／擦除的次次数较其他公公司的CPLD高l至2个数量级。XC95000系列器件通通过标准的4脚JTAG协议实现在在系统内编程程，它的扩展展IEEE—1149..1边界扫描指指令集允许器器件编程模式式扩展和实现现系统内诊断断。利用Xilinnx公司提供的Founddationn2．1iFPPGA／CPLD开发系统和Xcheccker串行编程电电缆可方便地地实现数字逻逻辑系统的开开发和ISP在系统编程程。FPGA／CPLD和嵌入式微微控制器(如8051)结合使用可可以更灵活地地实现ISP在系统编程程。FPGA／CPPLD技术，发展展异常迅速，Xilinnx公司在2000年初推出了了成熟的ChipSScopeIILA(InntegraatedLooldieAnalyysis)技术，把逻逻辑分析仪的的功能集成在在了FPGA芯片内，大大大简化了数数字逻辑系统统的调试工作作，还将逐渐渐将A／D和D／A等集成在单单片FPGA／CPLD内。随着IPCOORE和VHDI。硬件描述述语言等的使使用，数字逻逻辑系统的设设计思想和方方法也发生了了革命性的变变化。6结合IISP和EMIT技术实现仪仪器仪表系统统的Interrnet接入伴随着网络技术术的飞速发展展，Intemmet技术正在逐逐渐向工业控控制和智能仪仪器仪表系统统设计领域渗渗透。实现智智能仪器仪表表系统基于Intemmet的通讯能力力以及对设计计好的智能仪仪器仪表系统统进行远程升升级，功能重重置和系统维维护，是硬件件设计的发展展方向。6.1

EEMlT技术与智能能仪器仪表系系统的Interrnet接入emWare公司创立了ETI(eeXtenddTheInterrnet)扩展Interrnet联盟，井提提出了EMIT嵌入式微型型英特网互连连技术，它是是一种将单片片机等嵌入式式设备接入Interrnet的技术，利用该技术，能能够将8位和16位单片机系系统接入Interrnet，实现基于Interrnet的远程数据据采集、智能能控制、上传传／下载数据据文件等功能能。EMIT技术包包括以下核心心技术：emMicroo：是驻留在在嵌入式系统统中的微型网网络服务器。emMiccro集成到嵌入入式系统中，使使得网络上的的客户机能够够控制和监视视嵌入式系统统以及从中收收集数据。emMiccro针对微控制制器有限的资资源进行了优优化，只占用用系统很小的的内存(1K字节)资源和处理理器资源。emNet：是是使嵌入式系系统和轻量级级网络(如RS-4885、IR、RF和电力线等)进行连接的的网络协议。同同时，emNet使得集成emMiccro的嵌入式系系统能够和嵌嵌入式微控制制器网关emGatteway进行有效的的通讯。emGatewway(嵌入式微控控制器网关)：是轻型设设备网络如RS-2332、RS-4885，cAN、IIc、xlO、RF等和大型高高性能网络如如Intraanet和Inteernet等之间连接接的桥梁。它它是一个功能能强大的客户户机，用于管管理多个嵌入入式系统、标标准的Interrnet通信互连以以及支持网络络浏览器。鉴于当前的智智能仪器仪表表系统大多都都是基于8位或16位Mcu的，而EMIT仅占用系统1kByyte的存储资源源，因而该项项技术不管是是对于老仪器器仪表系统的的改造，还是是构建新的仪仪器仪表系统统都具有很强强的现实意义义和发展前景景。目前已有有众多软硬件件厂商加入ETI联盟，大大大推动了EMIT技术的发展展。6．2融合ISSP和EMIT技术的MCu和Interrnet外围芯片目前，美国coonnecttone公司、emWarre公司、TAS．KING公司和国内内的P&S公司等均提提供基于Interrnet的Devicce-Nettworkiing的软件、固固件(Firmmware))和硬件产品.应用内编程(IISP／IAP)，能让设计计者在应用程程序运行过程程中改变代码码。将XA-G449和ConneectOnne公司的ichipp561ADD-s／PIntternett外围芯片结结合在一起，就就可以实现通通过Interrnet远程升级固固件和重构系系统。Philipss公司目前推推出的支持Interrnet连接的Mcu还有89C5llRx2系列51LPc系列(包括87LPCC762、87LPCC764和87LPcc767等)等。ConnecttOne公司的iChipp(iChiip5611ADS／P)、iM－odem((iModeem50—204x－02)和．P&S公司的WebChhiP都是基于EMIT技术，实现现嵌入式系统统InteRRN接入的MCU／MPU外围芯片。6．3利用IIntemeet技术实现硬硬件功能远程程动态重构的的FPGA／CPLDXilinx公司和GoAheead软件公司合合作，率先实实现了XilinnxFPGGA／CPLD在装配到现现场后，可以以通过Interrnet对其进行远远程更新和动动态重构。利利用GoAheead公司的FielddUpgraader技术和Xiliinx公司的IRL(IIntemeetRecoon．figurrableLogicc)Inteernet在系统逻辑辑重配置技术术，Xilinnx公司FPGA／CPLD的配置文件件能够通过Interrnet、Intraanet或VPN((VirtuualPrrivateeNetwwork)自动地下载载到现场的FPGA／CPLD系统，实现现动态功能重重构和升级维维护。GoAheadd的解决方案案包括3个部分：GoAheeadDeeviceStudiioTM、GoAheeadUppgradeeAgenntTM和GoAheeadUppgradeeServver。GoAheaddDeviiceSttudio是用于配置GoAheeadUppgradeeAgennt的开发环境境，配置完毕毕后，GoAheeadUppgradeeAgennt就嵌入在了了目标器件(如Xilinnx的FPGA／CPLD)中，GoAheeadUppgradeeServver安装在监控控中心的服务务器上，用于于创造和发布布系统功能重重构的更新文文件。就当前的技术发发展状况来看看，数字系统统(CPU、FPGA／CPLD等)已基本上可可实现器件级级Interrnet接入以及基基于Interrnet的远程硬件件功能重构和和系统升级。但但模拟系统，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。随着半导体技术术、网络技术术、通讯技术术和软件技术的飞速发发展，智能仪仪器仪表系统统的设计思想想和方法发生