王 倩， 吳麗麗

（長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130012）

0 引 言

目前，許多測(cè)試系統(tǒng)采用GPIB接口實(shí)現(xiàn)儀器的互連或通過(guò)GPIB接口與計(jì)算機(jī)通信來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的測(cè)控，GPIB總線是一種較成熟的總線，往往用來(lái)控制速度不快、流量不大的設(shè)備。如果應(yīng)用在相應(yīng)的場(chǎng)合，把系統(tǒng)集成的經(jīng)驗(yàn)運(yùn)用得當(dāng)，就可以產(chǎn)生智能化的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，這樣做不僅提高了測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試精度，而且可用軟件取代硬件，實(shí)現(xiàn)硬件不具備的一些功能。此外，為了節(jié)省成本，一般采用CPLD來(lái)實(shí)現(xiàn)GPIB控制器的功能。

1 GPIB接口總線介紹

GPIB是通用總線（General Purpose Instrument Bus）的縮寫(xiě)，從HP公司1965推出的儀器接口系統(tǒng)（HP-IB）發(fā)展而來(lái)。1987年，ANSI/ IEEE488.2更明確地定義控制儀器通過(guò)GPIB通訊的方式，因此，GPIB又稱(chēng)為IEEE488.2。GPIB電纜內(nèi)部是24芯屏蔽線，兩端是連接器。這種設(shè)計(jì)可以使GPIB設(shè)備之間采用線性連接、星型連接或者線性/星型連接。

GPIB總線[1-2]是一個(gè)數(shù)字化的24腳（扁型接口插座）并行總線。其中16根線為T(mén) TL電平信號(hào)傳輸線，包括8根雙向數(shù)據(jù)線（DIO8～DIO1）用于傳輸數(shù)據(jù)和命令信息，5根接口管理線（ATN，IFC，REN，EOI，SRQ），3根數(shù)據(jù)傳輸控制線（DAV，NRFD，NDAC）對(duì)裝置之間的信息字節(jié)傳輸進(jìn)行異步控制，這一過(guò)程稱(chēng)為三線內(nèi)鎖定掛鉤，可以保證數(shù)據(jù)線上被發(fā)送和接受的信息字節(jié)沒(méi)有傳輸差錯(cuò)。其余8根為地線和屏蔽線。連接器信號(hào)線分配如圖1所示。

GPIB使用8位并行、字節(jié)串行、異步通訊方式，所有字節(jié)通過(guò)總線順序傳送。由于GPIB的數(shù)據(jù)單位是字節(jié)（8位），數(shù)據(jù)一般以ASCII碼字符串方式傳送。

GPIB系統(tǒng)的基本配置為:總線長(zhǎng)度不超過(guò)20 m;設(shè)備間最大距離不超過(guò)4 m，且設(shè)備間平均距離不超過(guò)2 m;系統(tǒng)中設(shè)備個(gè)數(shù)不能多于15個(gè)，且有不少于2/3的設(shè)備上電。

圖1 GPIB連接器信號(hào)線分配

2 三線掛鉤過(guò)程

源方和受方之間利用三線掛鉤技術(shù)[3]以異步方式來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其基本過(guò)程如圖2所示。

圖2 三線掛鉤示意圖

1）初始狀態(tài)，講者置DAV為高電平（DAV= 0）;聽(tīng)者置NRFD，NDAC為低電平（NRFD=1，NDAC=1）;

2）講者檢測(cè)NRFD與NDAC，如均為低電平，講者開(kāi)始發(fā)送信息至DIO1～DIO8數(shù)據(jù)總線;

3）當(dāng)全部聽(tīng)者都已作好接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備時(shí)，NRFD變高電平（NRFD=0）;

4）當(dāng)NRFD為高電平，且DIO上的數(shù)據(jù)穩(wěn)定之后，講者使DAV變低電平（DAV=1），示意聽(tīng)者數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)有效;

5）聽(tīng)者響應(yīng)DAV信號(hào)，響應(yīng)最快的聽(tīng)者將NRFD線拉為低電平，表示聽(tīng)者開(kāi)始接收數(shù)據(jù);

6）全部聽(tīng)者均接收到此數(shù)據(jù)字節(jié)之后，NDAC變?yōu)楦唠娖剑∟DAC=0）;

7）講者檢測(cè)NDAC信號(hào)，若NDAC=0，則使DAV無(wú)效（DAV=0），然后撤消數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù);

8）聽(tīng)者確認(rèn)DAV的電平升高后，置NDAC有效（NDAC=1，低電平），恢復(fù)初始狀態(tài)，準(zhǔn)備下一個(gè)字節(jié)的接收。

DAV，NRFD，NDAC三線握手方式是十分可靠的。從源方來(lái)看，只有在受方發(fā)出“準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)”之后，才能發(fā)出“數(shù)據(jù)有效”的信息，讓受方接收;且只有在受方宣布“數(shù)據(jù)已收到后”，才能從數(shù)據(jù)線上撤消前一個(gè)消息字節(jié)，換上新的消息字節(jié)。從受方來(lái)看，只有在源方宣布數(shù)據(jù)有效之后才能從數(shù)據(jù)線上接收消息。這樣可以保證凡是收下的每個(gè)消息字節(jié)都是有效的，決不會(huì)漏掉，也不會(huì)多收。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

利用GPIB接口把各種設(shè)備連接成可程控智能儀器控制系統(tǒng)[4]，如圖3所示。

圖3 智能程控系統(tǒng)連接圖

操作人員可以在顯控臺(tái)前直接操控，或由軟件根據(jù)不同工作模式自動(dòng)調(diào)整設(shè)備工作狀態(tài)，方便快捷。該控制系統(tǒng)的設(shè)備有:計(jì)算機(jī)、GPIB接口控制卡、連接器件和連接電纜。如果計(jì)算機(jī)內(nèi)沒(méi)有GPIB控制卡，也可以通過(guò)GPIB-USB來(lái)轉(zhuǎn)換，本設(shè)計(jì)就是通過(guò)GPIB-USB的轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。由圖3可見(jiàn)，計(jì)算機(jī)同時(shí)控制3個(gè)設(shè)備，并實(shí)時(shí)觀察設(shè)備工作狀態(tài)。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

GPIB標(biāo)準(zhǔn)接口共定義了10種接口功能，分別為控者功能（C）、講者功能（T）、聽(tīng)者功能（L）、源方掛鉤功能（SH）、受方掛鉤功能（AH）、服務(wù)請(qǐng)求功能（SR）、并行查詢(xún)功能（PP）、遠(yuǎn)控本控功能（RL）、器件觸發(fā)功能（DT）、器件清除功能（DC），每一個(gè)接口功能由一組或多組互相聯(lián)系而又相互排斥的狀態(tài)來(lái)定義。在一個(gè)時(shí)刻、一組互聯(lián)又互斥的狀態(tài)中必須有一個(gè)，而且也僅有一個(gè)狀態(tài)在起作用。

GPIB接口控制電路如圖4所示。

圖4 GPIB接口的控制電路

本設(shè)計(jì)采用EPM570系列的CPLD[5]芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)控制功能，并通過(guò)兩片收發(fā)芯片75ALS160和75ALS161來(lái)配合進(jìn)行數(shù)據(jù)在CPLD與母線之間的傳送。其中75ALS160驅(qū)動(dòng)GPIB數(shù)據(jù)線，75ALS161驅(qū)動(dòng)GPIB管理線和掛鉤線。開(kāi)發(fā)工具采用ALTERA公司的QuartusII。QuartusII是美國(guó)Altera公司繼MAXplusII后又一個(gè)EDA軟件工具，它具有原圖輸入和文本輸入兩種輸入手段，配備有編輯、編譯、仿真、綜合、芯片編程等功能。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

可以把整個(gè)系統(tǒng)劃分為幾個(gè)子系統(tǒng)，其中包括和微處理器接口的讀寫(xiě)電路，與GPIB母線通信的接口功能，以及內(nèi)部寄存器。對(duì)每個(gè)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也可以采用向下分解為模塊級(jí)設(shè)計(jì)，這樣在調(diào)試和組件系統(tǒng)時(shí)，不僅具有很強(qiáng)的靈活性，而且方便代碼的調(diào)試以及利于代碼的重利用。其中與GPIB母線通信的子系統(tǒng)設(shè)計(jì)是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)也是難點(diǎn)。首先，應(yīng)該根據(jù)各個(gè)儀器的功能完成接口功能子集的選擇，例如，某儀器要有全部的講功能要選擇T5;然后，在QuartusII[6]的開(kāi)發(fā)平臺(tái)上利用Veriloge硬件描述語(yǔ)言對(duì)各個(gè)功能子集進(jìn)行設(shè)計(jì)描述，主要完成狀態(tài)機(jī)和寄存器的設(shè)計(jì)。最后，通過(guò)下載工具下載到CPLD中進(jìn)行調(diào)試。下面是一個(gè)聽(tīng)者接口功能狀態(tài)圖，如圖5所示。

圖5 L功能狀態(tài)圖

利用VerilogHDL語(yǔ)言來(lái)對(duì)L功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用的代碼為:

4 SCPI命令

SCPI（Standard Commands for Programmable Instruments）是儀器編程命令標(biāo)準(zhǔn)[7-8]，在程控測(cè)試儀器中得到了廣泛應(yīng)用。其使用只與儀器測(cè)試功能及儀器性能、精度相關(guān)，而不考慮儀器硬件組成、制造廠家、通信物理連接硬件環(huán)境和測(cè)試程序編制環(huán)境。SCPI定義了通過(guò)控制器和儀器通訊時(shí)儀器程控碼的規(guī)則，其語(yǔ)言使用層次化結(jié)構(gòu)，類(lèi)似于PC機(jī)所使用的文件系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)層次如圖6所示。

圖6 SCPI語(yǔ)言結(jié)構(gòu)層次圖

“樹(shù)”命令是以根層次命令（也稱(chēng)“子系統(tǒng)”）開(kāi)始，每個(gè)根層次命令下面有許多層次命令。只有指定完整的路徑，才能執(zhí)行較低層次的個(gè)別命令。

例如:

FREQ:STAR 3 MHz;STOP 5 MHz

FREQ:STAR 3 MHz;FREQ:STOP 5 MHz

設(shè)置起始頻率為3 MHz，停止頻率為5 MHz。

又如:

FREQ:STAR 3 MHz;POW:STOP 5 DBM

設(shè)置起始頻率為3 MHz，同時(shí)，由于POW不是當(dāng)前解析層次的一個(gè)接點(diǎn)，將產(chǎn)生一個(gè)錯(cuò)誤。

本設(shè)計(jì)通過(guò)SCPI指令來(lái)敘述各儀器功能，促進(jìn)了同一種類(lèi)的各儀器之間以及有相同功能的各儀器之間的一致性，從而大大減少了自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)間。下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的編程示例，將電源用作一個(gè)恒定電壓源。

或 *RST;VOLT 5V;CURR MAX;OUTP ON

5 結(jié) 語(yǔ)

由帶有GPIB接口的儀器構(gòu)成自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)已成為計(jì)量測(cè)試領(lǐng)域的發(fā)展方向。帶有GPIB接口的儀器均兼容，只要把測(cè)試任務(wù)輸入適當(dāng)?shù)臏y(cè)試程序，就可以自動(dòng)測(cè)試。在實(shí)際工作中，逐步認(rèn)識(shí)到GPIB接口特點(diǎn)和重要性，文中的目的是運(yùn)用基于GPIB接口的儀器可用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)其操作和控制，從而代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工操作方式。尤其是利用CPLD來(lái)實(shí)現(xiàn)GPIB的接口功能，采用SCPI命令控制各個(gè)儀器的測(cè)試，這樣做不僅提高了測(cè)試精度，也符合測(cè)試技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的同步協(xié)調(diào)向前發(fā)展的趨勢(shì)。

[1] 劉順國(guó)，賀文旭.基于GPIB總線的虛擬檢定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)測(cè)試技術(shù)，2006（5）:86-70.

[2] M Shaheen，K Loparp，M Buchner.Remote laboratory experimentation[J].In Proc.American Control Conf.，Philadelphia，PA，1998，6:1314-1318.

[3] 趙偉.網(wǎng)絡(luò)化測(cè)量技術(shù)與儀器發(fā)展的新趨勢(shì)[J].電測(cè)與儀表，2000（7）:7-9.

[4] 劉濟(jì)玉，鄒學(xué)平，丁振峰，等.基于GPIB接口的實(shí)用自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2002（5）:27-30.

[5] 宋萬(wàn)杰，羅豐，吳順君.CPLD技術(shù)及其應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，1999.

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[7] 王昆侖，李紅.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法[M].北京:中國(guó)鐵道出版社，2007:47-50.

[8] TN T4882 Programmer Reference Manual.National Instrument[Z].1995.