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基于LonWorks的在系統編程技術(shù)的論文
摘要：LonWorks技術(shù)的應用使得在系統編程的內涵得以更充分的體現。本文在概要介紹ISP以及LonWorks技術(shù)的基礎上，詳細說(shuō)明采用基于Neuron芯片的控制節點(diǎn)實(shí)現對CPLD進(jìn)行在系統編程的具體方法。
關(guān)鍵詞：Neuron 控制節點(diǎn) 在系統編程（ISP） CPLD
引言
在系統編程ISP（In System Programming）是指在用戶(hù)設計的目標系統或印刷電路板上為重新配置邏輯，或實(shí)現新的功能而對器件進(jìn)行編程或反復編程。隨著(zhù)EDA工具的普及和ISP器件的日益成熟，ISP技術(shù)也得到了越來(lái)越廣泛的應用。ISP技術(shù)的應用使得硬件設計軟件化，其顯著(zhù)優(yōu)勢體現在：簡(jiǎn)化生產(chǎn)流程；利用同一硬件結構實(shí)現多種系統功能，使之成多功能硬件；在不特殊電路板資源的情況下進(jìn)行電路板級測試；邊界掃描測試；通過(guò)Modem和ISP編程接口實(shí)現對系統的遠程維護和升級。
對ISP器件的編程可通過(guò)PC機進(jìn)行，利用1條編程電路（或稱(chēng)下載電纜）將準確定時(shí)的編程信號提供給該器件。但是，(收集整理)這種方法不能使各種器件的數據下載脫離EDA工具獨立進(jìn)行，真正意義上的在系統可編程難以實(shí)現。對于ISP器件的編程也可以通過(guò)微處理器的控制程序實(shí)現，這就為基于Neuron芯片的LON網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)提供了應用空間。
Lon(Local Operating Networks)總線(xiàn)是美國Echelon公司1991年推出的局部操作網(wǎng)絡(luò )，目前已廣泛應用于測控網(wǎng)絡(luò )中。LonWorks現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在控制系統引入了網(wǎng)絡(luò )的概念。在該技術(shù)的基礎上，可以方便地實(shí)現分布式的網(wǎng)絡(luò )控制系統，并使得控制系統更高效、更靈活、更易于維護和擴展。利用分布的智能控制節點(diǎn)進(jìn)行在系統編程無(wú)需編程電纜，而且能夠充分地利用系統資源，簡(jiǎn)化編程操作，大大拓展了在系統編程技術(shù)的應用范圍。
1 基于Neuron芯片的控制節點(diǎn)
1.1 Neuron芯片簡(jiǎn)介
Neuron芯片的LonWorks節點(diǎn)的核心部分，它既能管理通道，同時(shí)具有輸入/輸出以及控制等能力。該芯片主要包括Neuron 3120和3150兩大系列。二者的區別是3150芯片中無(wú)部ROM，但擁有訪(fǎng)問(wèn)外部存儲器的接口，尋址空間可達64KB，可用于開(kāi)發(fā)更為復雜的應用系統，Noeuron芯片內部固化了完整的LonTalk通信協(xié)議，確保節點(diǎn)間的可靠通信和互操作。芯片內部有3個(gè)8位CPU協(xié)調工作，實(shí)現Lon節點(diǎn)的通信和控制功能；11個(gè)編程I/O口；5個(gè)網(wǎng)絡(luò )通信端口提供3種工作方式；單端方式、差分方式和專(zhuān)用方式。
1.2 控制節點(diǎn)的硬件結構
Lon網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)有2種類(lèi)型：基于Neuron芯片的節點(diǎn)（Neuron芯片是唯一的處理器）和基于主機的節點(diǎn)（主處理器可以是微控制器、PC機等）。一個(gè)典型的現場(chǎng)總線(xiàn)控制節點(diǎn)的基本結構如圖1所示，主要包含以下幾個(gè)部分功能塊；應用CPU、I/O處理單元、通信處理器、收發(fā)器和電源。無(wú)論哪種類(lèi)型的節點(diǎn)都有1片Neuron芯片用于通信和/或控制、1個(gè)I/O接口用于連接1個(gè)或多個(gè)I/O設備，另外還有1個(gè)收發(fā)器負責將節點(diǎn)連接上網(wǎng)。
本設計中控制節點(diǎn)的基本結構如圖2所法。該節點(diǎn)主要包括Neuron芯片、128KB Flash存儲器、10MHz晶振、FTT-10A收發(fā)器以及I/O接口、驅動(dòng)、CPLD。Neuron芯片外部擴展了Flash存儲器，用于存儲固件和用戶(hù)應用程序。其中固件通過(guò)編程器下載，而應用程序的下載可以使用編程器，還可以使用網(wǎng)絡(luò )管理工具經(jīng)Lon網(wǎng)絡(luò )下載，這樣，CPLD的重新配置就能夠通過(guò)Lon網(wǎng)絡(luò )方便快捷地進(jìn)行。5根在系統編程控制的ispEN、MODE、SDI、SCLK以太SDO占用Neuron芯片的5個(gè)I/O口。Neuron芯片I/O口本身的驅動(dòng)能力是不夠的，需要使用74HC367或74HC244增強信號驅動(dòng)能力，并使用適當的阻容網(wǎng)絡(luò )給信號線(xiàn)濾波，增強抗干擾能力。
2 在系統編程的軟件實(shí)現
2.1 以L(fǎng)attic公司的ispLSI這種CPLD器件為例，器件內需要編程的E2COMS單元陣列如圖2所示。
E2COMS元件按行和列排成陣列。地址移位寄存器指明當前的編程行數，而數據移位寄存器裝載將要寫(xiě)入該行的數據。數據移位寄存器分為低段數據寄存器高段數據
寄存器，低段與高段的數據分別裝入。編程時(shí)先將欲寫(xiě)放某行的數據串行移入數據移位寄存器，并將地址移位寄存器中與該行對應的位置置1（其余位置置0），讓該行被選中，在編程脈沖的作用下將水平移位寄存器中數據寫(xiě)入該行。然后將地址移位寄存器移動(dòng)1位，使陣列的下行被選中并將水平寄存器中裝入下一行的編程數據，依此類(lèi)推。
JEDEC（熔絲圖）文件是電子器件工程聯(lián)合會(huì )所制定的文件器件編程信息的標準格式計算機文件，編程信息用ASCII碼表示。Lattice公司定義了一種專(zhuān)用用于ISP操作的數據格式，即ISP數據流文件（ispSTREAM），原來(lái)的一個(gè)ASCII碼只用1bit表示，大大減小了數據文件的存儲空間。因此，執行在系統編程之前，首先使用ispCODE軟件來(lái)實(shí)現這一數據轉換，形成易于與Neuron C語(yǔ)言源代碼相融合的ispSTREAM文件。
2.2 Neuron C編程語(yǔ)言
Neuron C是專(zhuān)門(mén)為Neuron芯片設計的編程語(yǔ)言，它從ANSI C中派生出來(lái)的，并進(jìn)一步擴展了用以支持由Neuron芯片中的固件提供的各種運行特性。Neuron C語(yǔ)言編程效率高，可讀性強。該語(yǔ)言加入通信、事件調度、分布數據對象和I/O功能，是開(kāi)發(fā)LonWorks應用的有力工具。
為實(shí)現Neruon芯片與I/O設備之間的通信，Neuron芯片的11個(gè)I/O引腳可定義為34種I/O對象，用戶(hù)可根據實(shí)際應用的需要合理選擇在應用程序中定義不同的I/O對象，然后用io_in()或io_out()等函數實(shí)現對I/O對象的數據讀寫(xiě)操作，即實(shí)現Neuron芯片與I/O設備之間的通信。在本設計中，用作編程信號的I/O口定義為“直接I/O對象”中的“比特I/O對象”。比特輸入是以TTL電平兼容的邏輯信號，輸出是CMOS電平，可以驅動(dòng)外接的與CMOS以及TTL兼容的邏輯電路。
2.3 軟件實(shí)現
根據CPLD器件的內部結構及其在系統編程原理，控制程序的任務(wù)是從存儲器中讀出熔絲圖數據據，然后將其轉換為串行數據流，寫(xiě)入CPLD中。編程的過(guò)程由5個(gè)編程信號控制，它們由事先定義好的I/O口產(chǎn)生，然后編制讀寫(xiě)這些I/O口的程序。ISP編程過(guò)程就是軟件對這些口讀寫(xiě)的過(guò)程。編程的關(guān)鍵在于提供準確定時(shí)的ISP編程信號，必須保證各ISP編程信號之間的時(shí)序關(guān)系。
Neuron C程序總體結構如圖4所示。Neuron C源程序首先定義變量、函數以及I/O口的使用情況，然后編寫(xiě)when()語(yǔ)句調度程序。當需要執行ISP操作時(shí)，調用相關(guān)程序。圖4中，ispSTREAM文件頭包括CPLD器件類(lèi)型、CPLD器件塊擦除和行編程的脈沖寬度等參數。
Neuron C關(guān)鍵字允許直接將部分應用代碼加到指定的存儲段。本設計中用far關(guān)鍵字將ispSTREAM文件存儲在RAMFAR區域。此外，在編程軟件執行期間，由于指令的執行時(shí)間相對較長(cháng)，大多數硬件定時(shí)要求（通常較短）都有自動(dòng)地得到滿(mǎn)足。但編程脈沖總體擦除脈沖卻分別長(cháng)達40ms和200ms，而板上沒(méi)有硬件定時(shí)器，只要靠軟件延時(shí)來(lái)實(shí)現。
在NodeBuilder開(kāi)發(fā)環(huán)境下，執行build命令后，將工作目錄下的devicename.NEI文件輸出，裝載到編程器中，編程器將應用程序和固件下載到Flash存儲器中。
結束語(yǔ)
實(shí)際運行證明，通過(guò)Neuron芯片對CPLD進(jìn)行ISP操作之后，CPLD實(shí)現了預定的功能。
目前，Lon網(wǎng)絡(luò )控制技術(shù)在航空/航天、樓宇控制、運輸設備等多種領(lǐng)域的應用日益成熟，而且由于該技術(shù)具有高性能、低成本的網(wǎng)絡(luò )接口產(chǎn)品，并且易于開(kāi)發(fā)低成本的網(wǎng)關(guān)，實(shí)現Lon網(wǎng)與以太網(wǎng)有機的結合。因此，在本實(shí)驗的基礎上，可以嘗試由主機通過(guò)遠程服務(wù)將ISP器件的編程數據文件下載到Lon網(wǎng)的節點(diǎn)中，并由底層的現場(chǎng)設備執行在系統編程操作。這樣，在系統編程技術(shù)的內涵及其優(yōu)越性得以充分的體現，同時(shí)該技術(shù)的應用空間向系統的底層和遠程擴展，真正的在系統可編程時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。
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