天津大学精密仪器与光电子工程学院 栗大超 宋光德
在Ｌａｔｔｉｃｅ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闻器件来搭建。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ｉｓｐＰＡＣ芯片来实现，从根本上简化和加速了模拟电路的设计、集成电路和配置，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。
一、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（ＡｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎＦｉｌｔｅｒｉｎｇ），Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ（ＧａｉｎＢａｎｄｗｉｄｔｈＯｆｆｓｅｔＴｈｒｅｓｈｏｌｄｓ）和Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ（Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ 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，就中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器件基本功能单元是具有特殊结构的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Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｇｉｌｔｅｒｉｎｇ、ＳｕｍｍｉｎｇＤｉｆｆｅｒｅｎｃｉｎｇ、ＧａｉｎＡｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ和Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ等基本模拟功能，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。
二、ｉｓｐＰＡＣ公司的开发环境的ＩＳＰ在系统编程
Ｌａｔｔｉｃｅ公司ｉｓｐＰＡＣ的开发系统ＰＡＣ－Ｄｅｓｉｇｅｒ软件为设计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院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。
三、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Ｌａｔｔｉｃｅ公司又发明了复杂在系统可编程逻辑器件（ＣＰＬＤ）。
目前，ＦＰＧＡＣＰＬＤ能够实现从几千门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ＤＥＤＡ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１万门的数字逻辑系统的设计，目前有５Ｖ、３．３Ｖ和２．５Ｖ３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１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Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ２．１ｉＦＰＧＡＣＰＬＤ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。
ＦＰＧＡＣＰＬＤ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。
ＦＰＧＡＣＰＬＤ技术，发展异常迅速，Ｘｉｌｉｎｘ公司在２０００年初推出了成熟的ＣｈｉｐＳｃｏｐｅＩＬＡ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｌｏｇｉｃ 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ＡＤ和ＤＡ等集成在单片ＦＰＧＡＣＰＬＤ内。随着ＩＰ ＣＯＲＥ和ＶＨＤＬ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。
四、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，Ｉｎｔｅｒｎｅｔ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Ｉｎｔｅｒｎｅｔ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、功能智囊团和系统维护，是硬件设计的发展方向。
１．ＥＭＩＴ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，并提出了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集成电路到嵌入式系统中，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ＥｍＮｅｔ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、Ｘ１０、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，用于管理体制多个嵌入式系统、标准的Ｉｎｔｅｒｎｅｔ通信互连以及支持网络浏览器。
监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１ＫＢｙｔｅｓ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奶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。
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、ＴＡＳＫＩＮＧ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。
Ｐｈｉｌｉｐｓ公司基于ＥＭＩＴ技术推出的ＸＡ－Ｇ４９是为提高Ｃ语言效率及多任务性能而设计的１６位扩展结构（ＸＡ）、实现Ｉｎｔｅｒｎｅｔ接入的微控制器，支持系统内应用内编程（ＩＳＰＩＡＰ），能让设计者在应用程序运行过程中改变代码。将ＸＡ－Ｇ４９和ＣｏｎｎｅｃｔＯｎｅ公司的ｉＣｈｉｐ５６１ＡＤ－ＳＰ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ外围芯片结合在一起，就职可以实现通过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８９Ｃ５１Ｒｘ２系列、５１ＬＰＣ系列（包括８７ＬＰＣ７６２、８７ＬＰＣ７６４和８７ＬＰＣ７６７等）等。
ＣｏｎｎｅｃｔＯｎｅ公司的ｉＣｈｉｐ（ｉＣｈｉｐ５６１ＡＤ ＳＰ）、ｉＭｏｄｅｍｉＭｏｄｅｍ ５０－２０４ｘ－０２和Ｐ＆Ｓ公司的ＷｅｂＣｈｉｐ都是基于ＥＭＩＴ技术、实现嵌入式系统Ｉｎｔｅｒｎｅｔ接入的ＭＣＵＭＰＵ外围芯片。
３．利用Ｉｎｔｅｒｎｅｔ技术实现硬件功能远程动态重构的ＦＰＧＡＣＰＬＤ
Ｘｉｌｉｎｘ公司和ＧｏＡｈｅａｄ软件公司合作，率先实现了Ｘｉｌｉｎｘ ＦＰＧＡＣＰＬＤ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（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ＲｅｃｏｎＦｉｇｕｒａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ）Ｉｎｔｅｒｎｅｔ在系统逻辑重配置技术，Ｘｉｌｉｎｘ公司ＦＰＧＡＣＰＬＤ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ＦＰＧＡＣＰＬＤ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 ＳｅｒｖｅｒＴＭ。
ＧｏＡｈｅａｄ Ｄｅｖｉｃｅ ＳｔｕｄｉｏＴＭ是用于配置ＧｏＡｈｅａｄ Ｕｐｇｒａｄｅ ＡｇｅｎｔＴＭ的开发环境，配置完毕后，ＧｏＡｈｅａｄ Ｕｐｇｒａｄｅ ＡｇｅｎｔＴＭ就嵌入在了目标器件（如Ｘｉｌｉｎｘ的ＦＰＧＡＣＰＬＤ）中，用于创造和发布系统功能重构的更新文件。
就当前的技术发展善来看，数字系统（ＣＰＵ、ＦＰＧＡＣＰＬＤ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Ｌａｔｔｉｅｃ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的器件级远程临近，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ＩＰ Ｃｏｒｅ和基于Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的ＥＤＡ（如Ｘｉｌｉｎｘ的基于ＷＷＷ的ＷＥＢＰＡＣＫ ＣＰＬＤ开发系统）等的飞速发展下修正使以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技术正是推动和修正进这一变化的基础，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。
----《通信世界报》
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