前言
MSC1210 是一款內(nèi)置 8051內(nèi)核及其他高性能外圍設備的24位Delta-sigma 模數(shù)轉(zhuǎn)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(diào)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(diào)試器（ISDs）進行比較的調(diào)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(wǎng)絡以及更簡單的內(nèi)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(zhuǎn)換：高于22位的有效精度；
　l 嵌入式傳感信號調(diào)整電路：輸入緩存器、可編程增益放大、偏置數(shù)模轉(zhuǎn)換器、增益與偏置校正功能；
　l 低功耗降低了對供電網(wǎng)絡的要求：小于4mW；
　l 增強型的處理器內(nèi)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(zhuǎn)換、過程控制以及網(wǎng)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(wǎng)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(diào)試。在系統(tǒng)調(diào)試器 (ISD) 又可分為基于軟件和基于硬件的調(diào)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(zhì)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(diào)試器以及Raisonance調(diào)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(diào)試特方法似于與 Keil IDE 。請參考本文結束部分的"相關網(wǎng)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(wǎng)絡時序及實時轉(zhuǎn)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(diào)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(diào)試軟件。特設調(diào)試是最簡單的方法，只需在需要的地方插入調(diào)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(diào)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(diào)試
　ISD 開發(fā)環(huán)境在智能傳感器中內(nèi)置調(diào)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(wǎng)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(diào)試包括一通用監(jiān)控器及片上調(diào)試器。IDE調(diào)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(nèi)建調(diào)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(chǎn)生更多系統(tǒng)噪聲。在系統(tǒng)調(diào)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(diào)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(diào)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(diào)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(zhuǎn)移、單步或斷點操作等。
　傳感器網(wǎng)絡作為調(diào)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(chǎn)生問題。一個可行的方法是通過傳感器網(wǎng)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(wǎng)絡標準種類繁多，用戶需要專門設計一個帶有傳感器網(wǎng)絡處理的ISD監(jiān)控程序。
　通過傳感網(wǎng)絡或調(diào)試端口下載用戶程序
　包括MSC1210在內(nèi)的可編程微控制器一般都帶有內(nèi)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(diào)試端口，或系統(tǒng)需要盡可能減少網(wǎng)絡連接傳感器的數(shù)量時，用戶程序可通過一般傳感網(wǎng)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(nèi)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(nèi)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?qū)﹂W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(wǎng)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(nèi)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(diào)試子例程，用戶可獲得最低開銷的調(diào)試設置 - MSCon。
　嵌入式 MSC 調(diào)試子例程不僅支持基本調(diào)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?qū)憽P-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(diào)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(diào)試終端，如Hyper-term、Tera-term、Procomm 或 Telix。在沒有調(diào)試端口或調(diào)試終端的情況下，就需要有用戶傳感器網(wǎng)絡程序。
　匯編與源程序調(diào)試
　采用 RS-232 端口的典型調(diào)試終端程序時，沒有源程序或監(jiān)控操作的信息。源程序調(diào)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(diào)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(diào)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(nèi)嵌程序，與 IDE通信實現(xiàn)源級調(diào)試。IDE的圖象用戶接口可大大提高調(diào)試效率。用戶可隨時對CPU 寄存器及其中的任何存儲器內(nèi)容進行監(jiān)控。由于它是源級監(jiān)視程序，其調(diào)試質(zhì)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(nèi)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(diào)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(wǎng)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(nèi)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(chǎn)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(chǎn)中再降低內(nèi)存。指令式系統(tǒng)設計監(jiān)控器在調(diào)試階段無須附加硬件，這樣可有效降低開發(fā)成本。