嵌入式虛擬儀器模擬通道的遠(yuǎn)程重構(gòu)技術(shù)

1、嵌入式虛擬儀器模擬通道的遠(yuǎn)程重構(gòu)摘要：本文提出了一種基于Internet和ISP技術(shù)的嵌入式虛擬儀器模擬通道的 遠(yuǎn)程重構(gòu)方案。該方案對(duì)于便攜虛擬儀器平臺(tái)的遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)具有重要參考價(jià)值。 關(guān)鍵詞：虛擬儀器在系統(tǒng)可編程嵌入式重構(gòu)模擬通道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 .引言虛擬儀器是一種新型的儀器概念，它將計(jì)算機(jī)的硬件資源，儀器測(cè)控硬 件和測(cè)試軟件相結(jié)合，通過(guò)用戶(hù)開(kāi)發(fā)功能模塊，從而在通用測(cè)試平臺(tái)上實(shí)現(xiàn) 專(zhuān)用儀器功能。傳統(tǒng)虛擬儀器基于計(jì)算機(jī)硬件，硬件體積大，成本很高，不便攜帶。隨 著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，我們提出了一種嵌入式虛擬儀器方案，它使用集高效 處理器內(nèi)核及各種

3、接口于一體的片上系統(tǒng)(SOC)和多任務(wù)的嵌入式操作系 統(tǒng)，使虛擬儀器通用平臺(tái)微型化成為可能。為了縮小體積、降低成本，嵌入式虛擬儀器平臺(tái)沒(méi)有傳統(tǒng)的PXI、VXI 等總線結(jié)構(gòu)，無(wú)法隨意更換儀器測(cè)控硬件。為了實(shí)現(xiàn)儀表測(cè)試平臺(tái)的通用化， 我們采用嵌入式Internet和ISP技術(shù)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)出模擬通道在線遠(yuǎn)程重構(gòu)技 術(shù)，可以很好的解決這一問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)嵌入式虛擬儀器的遠(yuǎn)程重構(gòu)和升級(jí)。模擬通道遠(yuǎn)程重構(gòu)原因及原理傳統(tǒng)的虛擬儀器用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)儀器儀表功能，具有很高的靈活性，但是 其模擬通道參數(shù)是固定不便的，當(dāng)組建的虛擬儀器測(cè)試對(duì)象或測(cè)試任務(wù)有較 大改變時(shí)，往往要更換測(cè)試硬件，以致加長(zhǎng)了儀表的開(kāi)發(fā)周期，重構(gòu)技術(shù)可

4、以解決這一問(wèn)題。但基于本地(現(xiàn)場(chǎng))的重構(gòu)技術(shù)要求使用者掌握測(cè)試儀器 的原理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、重構(gòu)步驟等知識(shí)，現(xiàn)場(chǎng)還要有pc機(jī)和專(zhuān)用編程電纜等設(shè) 備，使用起來(lái)不夠方便。為解決以上兩個(gè)問(wèn)題，我們提出模擬通道的遠(yuǎn)程重 構(gòu)概念。它是把Internet技術(shù)和重構(gòu)技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程地重構(gòu)出不 同參數(shù)的模擬通道，只需使用者具備很基本的儀器儀表知識(shí)就能構(gòu)建出可適 應(yīng)各種不同測(cè)試對(duì)象的儀器，是一種高效便利智能的儀表重構(gòu)手段。遠(yuǎn)程的含義有兩層，一是使用者可以方便地通過(guò)Internet在遠(yuǎn)程控制儀 器的重構(gòu)，二是重構(gòu)軟件是由專(zhuān)業(yè)儀器儀表開(kāi)發(fā)者提供的，它放在遠(yuǎn)程的服 務(wù)器上供使用者重構(gòu)時(shí)在線索取，具有一定的權(quán)威性。遠(yuǎn)

5、程重構(gòu)的基本原理是使用者首先確定被測(cè)對(duì)象的類(lèi)型，估計(jì)出模擬量 的主要特性，通過(guò)瀏覽器登陸提供重構(gòu)服務(wù)的網(wǎng)站，選擇一種待重構(gòu)的儀器 儀表類(lèi)型，服務(wù)器就會(huì)通過(guò)Internet把重構(gòu)軟件發(fā)送到你的嵌入式虛擬儀器 中，自動(dòng)構(gòu)建出你所選擇儀器儀表的模擬通道。嵌入式虛擬儀器硬件設(shè)計(jì)為了做到儀器的可重構(gòu)性及便攜性，設(shè)計(jì)出的硬件必須是靈活而小巧的。 本系統(tǒng)硬件主要由以下幾個(gè)部分組成：微處理器、存儲(chǔ)器、顯示器、網(wǎng)絡(luò)接 口、可重構(gòu)模擬通道。其中微處理器采用基于ARM內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)的AT91系 列，存儲(chǔ)器采用一片4M的flash ROM 和8M的SDRAM。顯示采用LCD，網(wǎng) 絡(luò)控制芯片采用rtl8019as，收發(fā)器

6、為RJ45。為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)的增益可編程、濾 波器的帶寬可調(diào)整，模擬通道由具有在系統(tǒng)可編程能力的IspPAC10、 IspPAC80 芯片，以及12位的ADC和DAC構(gòu)成。其中IspPAC10內(nèi)含 有四個(gè) PAC塊，可以方便地實(shí)現(xiàn)放大、求和、積分、濾波功能，在這里作為傳感器 信號(hào)的放大或衰減及雙二階濾波器，它的增益和濾波參數(shù)是可編程 的;IspPAC80是高性能的可編程濾波器，這里作為A/D轉(zhuǎn)換器前端的模擬信 號(hào)調(diào)理。由IspPAC10與IspPAC80級(jí)聯(lián)可構(gòu)建出增益可在080dB，精密濾 波范圍在50750kHz的模擬通道。具有可重構(gòu)能力的模擬通道構(gòu)建是本系統(tǒng) 硬件的關(guān)鍵所在。硬件機(jī)構(gòu)框圖1所

7、示：編程信號(hào)模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)重構(gòu)信號(hào)圖1含遠(yuǎn)程重構(gòu)功能的硬件結(jié)構(gòu)框圖嵌入式虛擬儀器的軟件設(shè)計(jì)虛擬儀器是在通用的儀器平臺(tái)上，通過(guò)靈活的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能儀器 儀表。其軟件是直接在pc機(jī)上開(kāi)發(fā)完成的。嵌入式虛擬儀器的軟件也可以先 在pc機(jī)上開(kāi)發(fā)完成，然后移植到嵌入式儀器中，這是一種傳統(tǒng)的做法。但隨 著儀器功能的復(fù)雜，對(duì)開(kāi)發(fā)者的能力要求越來(lái)越高，開(kāi)發(fā)周期也越來(lái)越長(zhǎng)， 這種方法的弊端也日漸暴露。為了解決這個(gè)問(wèn)題，嵌入式虛擬儀器軟件可以 通過(guò)Internet下載并自動(dòng)加載運(yùn)行。嵌入式虛擬儀器的軟件設(shè)計(jì)不在儀器儀 表的功能軟件設(shè)計(jì)，而在傳統(tǒng)智能儀器的軟件的基礎(chǔ)上增加一個(gè)遠(yuǎn)程重構(gòu)模塊。其中，Web服務(wù)器模塊

8、的功能是向Internet上的瀏覽器提供網(wǎng)頁(yè)服務(wù)， 即可以有多個(gè)用戶(hù)共享本嵌入式虛擬儀器的監(jiān)控信息，還可以異步遠(yuǎn)控本嵌 入式虛擬儀器。Web瀏覽器模塊的功能是瀏覽相關(guān)服務(wù)器網(wǎng)頁(yè)，提供使用者 選擇待重構(gòu)的儀器儀表功能軟件。由于本嵌入式虛擬儀器是嵌入式系統(tǒng)，其 硬件資源是很寶貴的，在能完成任務(wù)前提下，有必要裁減掉普通Web服務(wù)器 和瀏覽器的某些模塊，形成嵌入式的Web服務(wù)器和瀏覽器。遠(yuǎn)程重構(gòu)模塊是 基于C/S模式的軟件模塊，它運(yùn)行于后臺(tái)，其功能是從Internet上接收重構(gòu) 信息，然后啟動(dòng)重構(gòu)模塊。它是一個(gè)基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)模型，采用三次握手 的可靠連接方式，以確保重構(gòu)信息能在以太網(wǎng)上準(zhǔn)確傳輸

9、。重構(gòu)管理模塊是 本儀器軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，它的功能就是把重構(gòu)信號(hào)翻譯成可在線編程的電信 號(hào)。難點(diǎn)在于各類(lèi)文件格式的轉(zhuǎn)換和編程信號(hào)時(shí)序邏輯的準(zhǔn)確控制，這一點(diǎn) 將在稍后詳細(xì)介紹。遠(yuǎn)程重構(gòu)的實(shí)現(xiàn)重構(gòu)信號(hào)是從網(wǎng)絡(luò)上獲取的，那么如何高效、快速、安全地在網(wǎng)絡(luò)上獲 取重構(gòu)信號(hào)是很重要的。我們所需的重構(gòu)信息是關(guān)鍵信息，如果出現(xiàn)信息部 分丟失或被更改，會(huì)導(dǎo)致重構(gòu)后的儀器不符合用戶(hù)的要求，甚至可能會(huì)燒壞 整個(gè)儀器。權(quán)衡快速性和安全性，后者更為重要。而有些信息可能是輔助性 的（如虛擬的儀器儀表面板），這些信息只要保持基本的信息就可以了，這種 情況下快速性比安全性更重要。因此，我們采用兩種網(wǎng)絡(luò)連接模式，針對(duì)重 要的重構(gòu)

10、信息，用可靠數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議（TCP ），它是基于三次握手的可靠連接； 針對(duì)量大而的信息，采用用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP ），它雖然不是基于連接的傳 輸協(xié)議，但傳輸數(shù)據(jù)速度快，可靠性也基本滿(mǎn)足要求。遠(yuǎn)程信號(hào)獲取的任務(wù)完成后就開(kāi)始重構(gòu)任務(wù)。重構(gòu)信息暫時(shí)放在嵌入式 虛擬儀器的SDRAM中，微處理器會(huì)把它燒寫(xiě)到儀器的FlashRom 中，整個(gè)系 統(tǒng)重啟后自動(dòng)執(zhí)行FlashRom 中的程序，該程序的功能是將待重構(gòu)的ISP芯片 選通，然后產(chǎn)生編程電信號(hào)對(duì)儀器中ISP器件中的可配置存儲(chǔ)器進(jìn)行改寫(xiě)， 構(gòu)建出一種滿(mǎn)足用戶(hù)的儀器儀表功能；儀器儀表功能及虛擬面板程序也會(huì)得 到運(yùn)行。遠(yuǎn)程重構(gòu)流程如圖3所示：5.模擬通道的I

11、SP技術(shù)實(shí)現(xiàn)ISP （在系統(tǒng)可編程）技術(shù)是設(shè)計(jì)電路和系統(tǒng)的新理念。要實(shí)現(xiàn)模擬通道 的ISP技術(shù)一般需具備三個(gè)條件，那就是ISP模擬器件、ISP接口及編程電纜、 ISP編程信號(hào)。ISP模擬器件必須具備反復(fù)電路板上編程的能力。本系統(tǒng)采用 的是Lattice半導(dǎo)體公司的模擬可編程器件，其編程次數(shù)可達(dá)10000次,足夠滿(mǎn) 足儀器重構(gòu)的要求ISP編程電纜和接口在遠(yuǎn)程重構(gòu)下由以太網(wǎng)和專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的 接口來(lái)代替。每個(gè)ISP器件可以通過(guò)獨(dú)立的ISP接口分別編程，也可多個(gè)ISP 器件通過(guò)并行多路復(fù)用接口或串行菊花鏈接口編程。為了讓接口設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單而 實(shí)用，這里選擇最后一種接口方案，如圖4所示。圖4在系統(tǒng)編程接口其中SD

12、O （數(shù)據(jù)串行輸出）、SDI （數(shù)據(jù)串行輸入）、Mode （模式選擇）、SCLK （串行時(shí)鐘）、ispEN （4個(gè)信號(hào)的使能信號(hào)）是5個(gè)基本編程信號(hào)。ISP編程信號(hào)由微處理器的5個(gè)I/O產(chǎn)生，事先要把這些I/O 口定義成與 5線的ISP接口相對(duì)應(yīng)，定義I/O 口后，要編寫(xiě)讀、寫(xiě)這些I/O 口的程序。讀 寫(xiě)這些口時(shí)應(yīng)保證各ISP編程信號(hào)之間的定時(shí)關(guān)系。6.服務(wù)器端重構(gòu)軟件的設(shè)計(jì)服務(wù)器端的重構(gòu)軟件設(shè)計(jì)主要包括各個(gè)ISP模擬器件的熔絲圖文件 (JEDEC 文件)和虛擬儀器的設(shè)計(jì)。在模擬可編程芯片開(kāi)發(fā)系統(tǒng) (PAC-Designer )中通過(guò)原理圖設(shè)計(jì)仿真后，可生成熔絲圖文件。以構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)字溫度

13、計(jì)為例，設(shè)其測(cè)量范圍為0100 0C，靈敏度為5mV/。C, AD轉(zhuǎn)換器的模擬電壓輸入范圍05V。則放大倍數(shù)K = Jm=T * Sw*：m = I。，增益n = 20lg10 = 20 ( dB ),其中Vm為AD轉(zhuǎn)換器的模擬 100*5*10 -3 v電壓輸入最大值5V , Tm為可測(cè)溫度最大值，S為溫度計(jì)的靈敏度。任務(wù)就是 設(shè)計(jì)一個(gè)在低頻段(假設(shè)溫度變化的最大頻率為20kHz )增益為20dB的二階 低通濾波器。經(jīng)分析二階低通濾波器的傳遞函數(shù)T ( s )=匕匕廣2 + 2*-，可知用ispPAC10的兩個(gè)PAC塊可以實(shí)現(xiàn)，如圖5nn所示。Cfi圖5兩個(gè)PAC塊組成的二階低通濾波器(s)

14、k k (2g )2 / C C兩個(gè)PAC塊級(jí)聯(lián)后的傳遞函數(shù)為02=12 11%f1 f2 ，由T(s)2 g k k (2gm)2in1S 2 +m S 1221Cf 1Cf 1Cf 2(s ) = ,2以可得阻尼系數(shù)& =：f，固有頻率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 通過(guò)計(jì)算得C =22.33pF,Cf廣45.41pF。二階低通濾波器的仿真結(jié)果如圖6所示。圖6二階低通濾波器的幅頻/相頻特性完成設(shè)計(jì)輸入和仿真操作后，導(dǎo)出jed （熔絲圖）或者svf （串行向量格 式）的文

15、件。這個(gè)文件傳給嵌入式儀表以后，經(jīng)過(guò)格式轉(zhuǎn)化和運(yùn)行產(chǎn)生編程 信號(hào)。虛擬儀器（包括功能和面板）可以由服務(wù)器端的LabVIEW設(shè)計(jì)，完成后 作為一個(gè)軟件包的形式下載到嵌入式儀表中運(yùn)行。虛擬儀器與嵌入式硬件之 間的接口由硬件驅(qū)動(dòng)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。問(wèn)題是嵌入式儀器的硬件是不確定的，沒(méi) 法從服務(wù)器下載一個(gè)通用的驅(qū)動(dòng)程序。隨著虛擬機(jī)（Virtual Machine）技術(shù) 的不斷成熟，可以在由不同硬件構(gòu)成的嵌入式系統(tǒng)中嵌入一個(gè)虛擬機(jī)，讓虛 擬機(jī)模擬（仿真）一些通用的硬件接口。基于這些接口編寫(xiě)一個(gè)通用的驅(qū)動(dòng) 程序就可以驅(qū)動(dòng)虛擬儀器的運(yùn)行了。7.結(jié)束語(yǔ)嵌入式虛擬儀器不僅僅是一種新的儀器，它還是一種新的儀器設(shè)計(jì)理念， 它通過(guò)遠(yuǎn)程重構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。模擬通道的遠(yuǎn)程重構(gòu)只是其中的一方面。除此之外， 數(shù)字通道的重構(gòu)也是一個(gè)重要的方面?；ヂ?lián)網(wǎng)的健壯性、安全性是遠(yuǎn)程重構(gòu) 的關(guān)鍵，但隨著IPV