智能仪器仪表ISP技术的试验研究

冯秋雯

论文摘要：ISP(InSystemProgrammability)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。本文讨论了ISP(InSystemProgrammabiljty)技术在智能仪器仪表设计中的应用。

关键词：智能仪器仪表ISP技术

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。

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(InSystemPro．grammableAnalogICs)，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。

一、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。AnalogDevice公司最新推出的具有模拟功能的ADuC2812MCU，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。

二、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。

1、ADuC812的结构和性能

AnalogDevice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。

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。

三、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。

利用ISP技术，Lattice公司的ispPAC产品支持3维可编程能力：ProgrammableFunctions(Amplification．Conversion，Filtering)，ProgrammableCharactefistics(Gain，Bandwidth，Offset，Thresholds)和ProgrammableInterconnect(ReconfigumbleArchitectures)。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。

四、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(IntellectualProperty)Core(如USBCore，PCICore和DSPcore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Foundation2．1iFPGA／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(IntegratedLoldieAnalysis)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IPCORE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。

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。