引言

在系统编程ISP（In Sys     te   m Prog     ram       mi   ng）是指在用户设计的目标系统或     印刷电路板   上为重新配置逻辑，或实现新的功能而对器件进行编程或反复编程。随着     EDA   工具的普及和ISP器件的日益成熟，ISP技术也得到了越来越广泛的应用。ISP技术的应用使得硬件设计软件化，其显著优势体现在：简化生产流程；利用同一硬件结构实现多种系统功能，使之成多功能硬件；在不特殊     电路板   资源的情况下进行电路板级     测试   ；边界扫描测试；通过Modem和ISP编程     接口   实现对系统的远程维护和升级。

对ISP器件的编程可通过PC机进行，利用1条编程电路（或称下载     电缆   ）将准确定时的编程信号提供给该器件。但是，这种方法不能使各种器件的数据下载脱离EDA工具独立进行，真正意义上的在系统可编程难以实现。对于ISP器件的编程也可以通过微处理器的控制程序实现，这就为基于Neuron芯片的LON网络节点提供了应用空间。

Lon（Local Opera     ti   ng Networks）总线是美国Echelon公司1991年推出的局部操作网络，目前已广泛应用于测控网络中。LonWorks现场总线技术在控制系统引入了网络的概念。在该技术的基础上，可以方便地实现分布式的网络控制系统，并使得控制系统更高效、更灵活、更易于维护和扩展。利用分布的智能控制节点进行在系统编程无需编程电缆，而且能够充分地利用系统资源，简化编程操作，大大拓展了在系统编程技术的应用范围。

1、 基于Neuron芯片的控制节点

1.1 Neuron芯片简介

Neuron芯片的LonWorks节点的核心部分，它既能管理通道，同时具有输入/输出以及控制等能力。该芯片主要包括Neuron 3120和3150两大系列。二者的区别是3150芯片中无部     ROM   ，但拥有访问外部     存储器   的接口，寻址空间可达64KB，可用于开发更为复杂的应用系统，Noeuron芯片内部固化了完整的LonTalk通信协议，确保节点间的可靠通信和互操作。芯片内部有3个8位     CPU   协调工作，实现Lon节点的通信和控制功能；11个编程     I/O   口；5个网络通信端口提供3种工作方式；单端方式、差分方式和专用方式。

1.2 控制节点的硬件结构

Lon网络节点有2种类型：基于Neuron芯片的节点（Neuron芯片是唯一的处理器）和基于主机的节点（主处理器可以是微控制器、PC机等）。一个典型的现场总线控制节点的基本结构如图1所示，主要包含以下几个部分功能块；应用CPU、I/O处理单元、通信处理器、     收发器   和电源。无论哪种类型的节点都有1片Neuron芯片用于通信和/或控制、1个I/O接口用于连接1个或多个I/O设备，另外还有1个收发器负责将节点连接上网。

本设计中控制节点的基本结构如图2所法。该节点主要包括Neuron芯片、128KB Flash     存储   器、10MHz     晶振   、FTT-10A收发器以及I/O接口、驱动、     CPLD   。Neuron芯片外部扩展了Flash存储器，用于存储固件和用户应用程序。其中固件通过     编程器   下载，而应用程序的下载可以使用编程器，还可以使用网络管理工具经Lon网络下载，这样，CPLD的重新配置就能够通过Lon网络方便快捷地进行。5根在系统编程控制的ispEN、MODE、     SDI   、SCLK以太SDO占用Neuron芯片的5个I/O口。Neuron芯片I/O口本身的驱动能力是不够的，需要使用74HC367或74HC244增强信号驱动能力，并使用适当的阻容网络给信号线滤波，增强抗干扰能力。

2 、在系统编程的软件实现

2.1 以Lat  TI c公司的ispLSI这种CPLD器件为例，器件内需要编程的E2COMS单元阵列如图2所示。

E2COMS元件按行和列排成阵列。地址移位     寄存器   指明当前的编程行数，而数据移位寄存器装载将要写入该行的数据。数据移位寄存器分为低段数据寄存器高段数据寄存器，低段与高段的数据分别装入。编程时先将欲写放某行的数据串行移入数据移位寄存器，并将地址移位寄存器中与该行对应的位置置1（其余位置置0），让该行被选中，在编程脉冲的作用下将水平移位寄存器中数据写入该行。然后将地址移位寄存器移动1位，使阵列的下行被选中并将水平寄存器中装入下一行的编程数据，依此类推。

JEDEC（熔丝图）文件是电子器件工程联合会所制定的文件器件编程信息的标准格式     计算机   文件，编程信息用ASCII码表示。     Lattice   公司定义了一种专用用于ISP操作的数据格式，即ISP数据流文件（ispSTREAM），原来的一个ASCII码只用1bit表示，大大减小了数据文件的存储空间。因此，执行在系统编程之前，首先使用ispCODE软件来实现这一数据转换，形成易于与Neuron C语言源代码相融合的ispSTREAM文件。

2.2 Neuron C编程语言

Neuron C是专门为Neuron芯片设计的编程语言，它从ANSI C中派生出来的，并进一步扩展了用以支持由Neuron芯片中的固件提供的各种运行特性。Neuron C语言编程效率高，可读性强。该语言加入通信、事件调度、分布数据对象和I/O功能，是开发LonWorks应用的有力工具。

为实现Neruon芯片与I/O设备之间的通信，Neuron芯片的11个I/O引脚可定义为34种I/O对象，用户可根据实际应用的需要合理选择在应用程序中定义不同的I/O对象，然后用io_in（）或io_out（）等函数实现对I/O对象的数据读写操作，即实现Neuron芯片与I/O设备之间的通信。在本设计中，用作编程信号的I/O口定义为“直接I/O对象”中的“比特I/O对象”。比特输入是以TTL电平兼容的逻辑信号，输出是CMOS电平，可以驱动外接的与CMOS以及TTL兼容的逻辑电路。

2.3 软件实现

根据CPLD器件的内部结构及其在系统编程原理，控制程序的任务是从存储器中读出熔丝图数据据，然后将其转换为串行数据流，写入CPLD中。编程的过程由5个编程信号控制，它们由事先定义好的I/O口产生，然后编制读写这些I/O口的程序。ISP编程过程就是软件对这些口读写的过程。编程的关键在于提供准确定时的ISP编程信号，必须保证各ISP编程信号之间的时序关系。

Neuron C程序总体结构如图4所示。Neuron C源程序首先定义变量、函数以及I/O口的使用情况，然后编写when（）语句调度程序。当需要执行ISP操作时，调用相关程序。图4中，ispSTREAM文件头包括CPLD器件类型、CPLD器件块擦除和行编程的脉冲宽度等参数。

Neuron C关键字允许直接将部分应用代码加到指定的存储段。本设计中用far关键字将ispSTREAM文件存储在RAMFAR区域。此外，在编程软件执行期间，由于指令的执行时间相对较长，大多数硬件定时要求（通常较短）都有自动地得到满足。但编程脉冲总体擦除脉冲却分别长达40ms和200ms，而板上没有硬件     定时器   ，只要靠软件延时来实现。

在NodeBuilder开发环境下，执行build命令后，将工作目录下的devicename.NEI文件输出，装载到编程器中，编程器将应用程序和固件下载到Flash存储器中。

3、结束语

实际运行证明，通过Neuron芯片对CPLD进行ISP操作之后，CPLD实现了预定的功能。

目前，Lon网络控制技术在航空/航天、楼宇控制、运输设备等多种领域的应用日益成熟，而且由于该技术具有高性能、低成本的网络接口产品，并且易于开发低成本的网关，实现Lon网与     以太网   有机的结合。因此，在本实验的基础上，可以尝试由主机通过远程服务将ISP器件的编程数据文件下载到Lon网的节点中，并由底层的现场设备执行在系统编程操作。这样，在系统编程技术的内涵及其优越性得以充分的体现，同时该技术的应用空间向系统的底层和远程扩展，真正的在系统可编程时代已经到来。

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