前言
    MSC1210 是一款內置 8051內核及其他高性能外圍設備的24位Delta-sigma 模數(shù)轉換器,可為高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供片上解決方案。 
因此,MSC1210成為高精度"智能傳感器"優(yōu)選方案。對低于100nV的高精度工業(yè)智能傳感器輸出信號,其關鍵是在不犧牲模擬性能的條件下進行有">

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技術頻道

MSC1210在高精度智能傳感器應用中的調試方法

前言
MSC1210 是一款內置 8051內核及其他高性能外圍設備的24位Delta-sigma 模數(shù)轉換器,可為高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供片上解決方案。
因此,MSC1210成為高精度"智能傳感器"優(yōu)選方案。對低于100nV的高精度工業(yè)智能傳感器輸出信號,其關鍵是在不犧牲模擬性能的條件下進行有效編碼調試,故本文主要針對智能傳感器開發(fā)進行探討,并介紹包括集成開發(fā)環(huán)境(IDE)仿真器以及將仿真器與在系統(tǒng)調試器(ISDs)進行比較的調試方法。
 智能傳感器
 過程控制儀表通過高精度模擬傳感信號來監(jiān)控控制設備,該傳感信號被轉換為 4~20mA 的標準模擬信號來進行傳輸(它是長期以來工業(yè)過程控制中普遍使用的一種傳輸方式)。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展,計算機如今已成為用來監(jiān)測、控制儀表系統(tǒng),來自中心點的傳感器線束及其群集間的監(jiān)控設備。這類傳感器中集成了高精度的模數(shù)轉換器及高性能的處理器而成為智能傳感器。智能傳感器用更準確、可靠的數(shù)字網絡以及更簡單的內部連接替代了 4~20mA 的傳輸線,同時,它集成了分布式控制功能,提高了整體性能并降低成本。
 用于智能傳感器的 MSC1210
 MSC1210包含了智能傳感器所需的多種功能,如:
 l 高精度模數(shù)轉換:高于22位的有效精度;
 l 嵌入式傳感信號調整電路:輸入緩存器、可編程增益放大、偏置數(shù)模轉換器、增益與偏置校正功能;
 l 低功耗降低了對供電網絡的要求:小于4mW;
 l 增強型的處理器內核:每條指令4個機器周期的8051核;
 l 嵌入式存儲器:程序 (32KB),數(shù)據(jù) (1.2KB)
 l 高性能通信口:SPI口、FIFO,2個UART口;
 l 可靠的工業(yè)標準電路:低電壓檢測、開路檢測、看門狗時鐘電路、寬的工作條件(電源:2.7~5.25V,工作溫度:-40~+85°C)
 智能傳感器編程系統(tǒng)
 由于智能傳感器是集傳感器復雜信號轉換、過程控制以及網絡于一體的系統(tǒng),其代碼開發(fā)必須解決以下問題:
 l 開發(fā)系統(tǒng)對模擬信號精度的影響;
 l 硬件的物理尺寸;
 l 開發(fā)主機到目標系統(tǒng)的通信媒體;
 l 實時控制與網絡時序;
 l 開發(fā)系統(tǒng)電源。
 微系統(tǒng)控制器 (MSC) 提供了多種開發(fā)環(huán)境以滿足不同的開發(fā)需求。適用于MSC器件的開發(fā)系統(tǒng)。該開發(fā)環(huán)境可用于仿真系統(tǒng)和在系統(tǒng)調試。在系統(tǒng)調試器 (ISD) 又可分為基于軟件和基于硬件的調試。在這些方案中,Keil與Raisonance仿真器、MSCMon終端監(jiān)視器以及Keil ISD51 IDE監(jiān)視器均適用于智能傳感器程序開發(fā)。
 用來初始化智能傳感器的模擬器集成開發(fā)環(huán)境
 集成開發(fā)環(huán)境 (IDE) 是一套用戶化的圖形接口開發(fā)工具,該工具集成在同一環(huán)境中,可縮短程序開發(fā)周期并減少程序錯誤,從而還可提高軟件質量。IDE在該環(huán)境中提供諸如編輯、匯編、編譯、鏈接、項目管理、修訂控制以及器件仿真等工具。一般情況下,IDE仿真器在 Microsoft? Windows? 仿真8051器件,在UNIX平臺下的仿真器的使用并不普遍。
 仿真器可使用戶無需實際硬件便可仿真程序的運行過程。用戶可驗證算法和時序,仿真外設、中斷及輸入輸出口。這一點尤為重要,因為這可使用戶在沒有完成硬件的情況下進行程序開發(fā)和系統(tǒng)性能的評估。圖4為用于 MSC 設備的 IDE 仿真器的結構框圖。用戶可以進行反匯編、斷點設置、存儲器監(jiān)測/修改、程序運行跟蹤以及外設監(jiān)控等操作。仿真器也支持程序檢測工具,該工具可"標識"已執(zhí)行過的程序。仿真器還提供性能分析工具,可記錄執(zhí)行時間,以便用戶分析程序的性能。而仿真器最常用的是單步執(zhí)行功能,它可單部"進入"或"越過"目標函數(shù)。仿真器中的機器周期計數(shù)非常準確,因此可輕松評估無效的執(zhí)行時間。
 普通 PC Windows IDE 仿真器包括Keil調試器以及Raisonance調試器。Keil IDE 用戶手冊可以作為仿真器具體操作的參考。Raisonance IDE 調試特方法似于與 Keil IDE 。請參考本文結束部分的"相關網站"。
 使用IDE仿真器對智能傳感器進行程序開發(fā)的優(yōu)點
 l 由于無須任何硬件參與開發(fā),仿真是一種低成本的程序開發(fā)方法;
 l 程序開發(fā)可以在系統(tǒng)硬件完成之前開始;
 l IDE仿真器最適合智能傳感器的初部程序開發(fā)。
 使用IDE仿真器對智能傳感器進行程序開發(fā)的缺點
 l 無法仿真精確的模擬信號;
 l 難以仿真過程控制中的網絡時序及實時轉換;
 l 當軟件開發(fā)進入必須有最終硬件參與共同完成的階段時,就需要在目標系統(tǒng)或 ISD(指令式系統(tǒng)設計)中完成。
 對于智能傳感器開發(fā)來說,特設調試區(qū)是不夠的
 與PC仿真不同的是,ISD在實際系統(tǒng)中執(zhí)行并調試軟件。特設調試是最簡單的方法,只需在需要的地方插入調試代碼。例如,可簡單添加一個打印語句并查看其結果。這種方式僅適用于簡單的程序調試,當軟件長度增加時,出現(xiàn)的若干個打印語句就會變得難以控制了。
 智能傳感器的在系統(tǒng)調試
 ISD 開發(fā)環(huán)境在智能傳感器中內置調試支持。開發(fā)程序會處理來自傳感器的實際系統(tǒng)輸入并提供瞬時系統(tǒng)響應,而不是系統(tǒng)仿真。因此,可解決系統(tǒng)級問題,如:傳感器精度、控制系統(tǒng)穩(wěn)定性以及傳感器網絡吞吐量等。如圖3所示,ISD 分為兩類:軟件方式和硬件 方式。軟件方式ISD 又分為基于終端的ISD與基于 IDE 的ISD兩類。終端調試包括一通用監(jiān)控器及片上調試器。IDE調試包括源監(jiān)控器與閃存 ISD。基于硬件的ISD又分為在電路仿真器 (ICE) 與內建調試器模塊 (BDM)。
 由于智能傳感器是緊湊型系統(tǒng),它們大多不能容忍占用額外電路板空間的、增加功耗及系統(tǒng)成本的外部存儲器。因此,MSC1210必須提供ISD 所需的所有資源。包括ISD代碼空間、CPU 的時序處理的ISD路徑以及ISD口。
 需要外部存儲器的軟件方式ISD,如通用 MON51、Keil MON51 及 Raisonance MON51,這些工具都不是智能傳感器開發(fā)的最佳選擇。而需要額外 ICE 連接總線的硬件 ISD 也是如此,該硬件 ISD 會消耗更大 ICE 總線功率,產生更多系統(tǒng)噪聲。在系統(tǒng)調試盡量不要采用 ICE,需要外部存儲器的ICE及 ISD 只能用于半成品開發(fā)。
 軟件ISD調試方式是智能傳感器開發(fā)的理想選擇
 對于智能傳感器等遠程目標系統(tǒng)的監(jiān)控器是嵌入在存儲器中的 ISD 軟件監(jiān)控器。ISD監(jiān)控程序用于用戶程序與調試端程序之間的程序銜接。監(jiān)控器將程序從編程端(例如采用片上通用異步收發(fā)器的個人電腦端程序)下載到目標系統(tǒng)存儲器,然后進行功能調試,諸如存儲器或特殊功能寄存器的讀取和修改、中央處理器的狀態(tài)請求、用戶程序轉移、單步或斷點操作等。
 傳感器網絡作為調試端口
 緊湊型遠程智能傳感器在連接端口到終端時,可能會產生問題。一個可行的方法是通過傳感器網絡將傳感器與終端連接起來,完成命令、響應及用戶程序的下載等。然而,由于傳感器網絡標準種類繁多,用戶需要專門設計一個帶有傳感器網絡處理的ISD監(jiān)控程序。
 通過傳感網絡或調試端口下載用戶程序
 包括MSC1210在內的可編程微控制器一般都帶有內置的串/并行閃存編程操作功能。用戶只需將 MSC1210 設定為閃存編程模式,便可通過UART0 把用戶程序下載到遠程傳感器中。若沒有調試端口,或系統(tǒng)需要盡可能減少網絡連接傳感器的數(shù)量時,用戶程序可通過一般傳感網絡直接下載。MSC1210的可編程閃存具有自動更新的能力。換句話說,在運行嵌入式ISD監(jiān)控程序Load User Code 時, MSC1210內置于閃存中的監(jiān)控程序會將用戶碼下載并保存到同一閃存中。
 MSC1210 IAP 閃存
 在下載用戶程序時,嵌入式閃存因忙于執(zhí)行寫、刪除操作。這時,CPU不可對閃存操作,故MSC1210帶有一個可提供閃存擦寫程序的2KB嵌入式自啟動ROM。該ROM程序可用于嵌入式閃存的內部在應用編程 (IAP)。MSC1210 用戶應用程序,如ISD的監(jiān)控程序,可以使 ROM 程序對閃存進行編程操作。
 ISD 監(jiān)控器 - 嵌入式 MSCMon
 ISD監(jiān)控器可通過通用的監(jiān)控程序進行修改,該程序在因特網上隨處可見,并且大部分已通過測試適合MSC1210,如:Steve Kemplin 編寫的 MonPlus、Paul Stoffregen 編寫的 PaulMon 以及 Ultramon(編者不明)。
 MSCMon - 片上 MSC 監(jiān)控程序
 除了快閃的內部在應用程序外,嵌入式 ROM 還帶有用于監(jiān)控程序及其應用的其他支持程序。利用 autobaud、put_string或cmd_parser等系統(tǒng)引導調試子例程,用戶可獲得最低開銷的調試設置 - MSCon。
 嵌入式 MSC 調試子例程不僅支持基本調試命令,如:S-單步、B-中斷 以及Q-繼續(xù),同時支持包括CP-程序頁刪除、CW-程序寫、XP-X頁數(shù)據(jù)刪除 以及 L-裝載等的閃存命令。使用MSCMon 可大幅度節(jié)約調試空間,最低配置的 MSCon 僅需29字節(jié)的快閃程序空間。此外,由于用戶程序儲存在閃存中,下載程序可作為最終應用。完整的命令列表如圖6所示。值得一提的是,MSC 監(jiān)控程序保存在閃存中,通過Load User Code命令下載用戶程序。由于 MSC 監(jiān)控程序的存儲要求很低,用戶程序可以連接在 MSCMon上。
 MSCon 需要 PC 調試終端,如Hyper-term、Tera-term、Procomm 或 Telix。在沒有調試端口或調試終端的情況下,就需要有用戶傳感器網絡程序。
 匯編與源程序調試
 采用 RS-232 端口的典型調試終端程序時,沒有源程序或監(jiān)控操作的信息。源程序調試,如單步執(zhí)行需要機器代碼與源代碼之間的關聯(lián)表,因此只支持匯編級調試。而 PC IDE 程序與監(jiān)控程序通過特殊的握手信號,獲得一般監(jiān)控程序和MSCMon所沒有的外部源碼信息。將這些高性能源級接口與調試命令連接,使用戶操作變得簡單易行。
 Keil ISD51 監(jiān)控程序是閃存中的內嵌程序,與 IDE通信實現(xiàn)源級調試。IDE的圖象用戶接口可大大提高調試效率。用戶可隨時對CPU 寄存器及其中的任何存儲器內容進行監(jiān)控。由于它是源級監(jiān)視程序,其調試質量要遠遠優(yōu)于匯編級監(jiān)視程序。而ISD51的小容量要求使得監(jiān)控程序與用戶碼在目標系統(tǒng)中的編譯和下載同時完成。MSC1210帶有一內建硬件斷點,用于檢測硬件中的斷點地址。ISD51 充分利用硬件斷點功能,執(zhí)行性能比通過軟件實現(xiàn)提高了100倍。
 盡管 Keil ISD51 是極具吸引力的工具,但仍需要 RS232 調試端口。另外指令式系統(tǒng)設計的監(jiān)控程序與用戶傳感器網絡之間的通信設置部分需要單獨開發(fā)。
 總結
 由于ISD監(jiān)控程序內置在智能傳感器中,最終的智能傳感器不會由于程序開發(fā)裝置而降低了模擬性能。MSCMon 與 Keil ISD51 監(jiān)控器只需較小的代碼空間。針對某些對代碼空間較敏感的應用領域,在產品設計階段可考慮采用帶有較大存儲器的MSC1210系列版本,到實際生產中再降低內存。指令式系統(tǒng)設計監(jiān)控器在調試階段無須附加硬件,這樣可有效降低開發(fā)成本。




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