韓金霞 楊景常 杜煥勇 黃亞琴

(西華大學電氣信息學院，四川 成都 610039)

0 引言

隨著計算機技術和自動測試系統(tǒng)的發(fā)展，人們對程控儀器的測試速度和準確度的要求也日益提高。同時，由于程控儀器SCPI(standard commands for programmable instrument)具有“橫向兼容性”(不同產(chǎn)品類型之間的兼容性)和“縱向兼容性”(即產(chǎn)品各代之間的兼容性)，并且為了便于儀器在不同總線的自動測試系統(tǒng)中的應用，本文提出了基于儀器接口平臺的USB接口模塊設計，提高了程控儀器的通用性。

1 工作原理

在自動測試系統(tǒng)中，由控制機向可程控儀器發(fā)出SCPI指令(一連串的ASCII碼)，可程控儀器的接口部分經(jīng)過語法分析，將SCPI指令轉換為儀器部分可識別的控制代碼。接口部分的語法分析步驟一般分為接收字符串消息、詞法分析、語法分析、中間代碼生成、優(yōu)化和目標代碼生成［1］。自動測試系統(tǒng)中的儀器接口正是以這樣的工作原理將控制機和程控儀器相結合，實現(xiàn)測試工作的自動化。USB接口模塊的設計也是基于這樣的一種理念，將PC機發(fā)送來的ASCII碼字符串表示的SCPI消息轉變?yōu)楹唵蔚亩M制代碼串。利用USB接口模塊不僅可以實現(xiàn)儀器語言標準化，而且還能提高儀器對遠程控制的響應速度。

USB接口的具體實現(xiàn)是首先通過上位控制機，將建立在IEEE 488.2(程控儀器消息交換協(xié)議)基礎上的SCPI(一連串的ASCII碼)發(fā)送到USB的接收緩沖區(qū);然后通過USB中央處理單元，將SCPI消息解析為簡單的二進制代碼串;最后將此二進制代碼命令發(fā)送到程控儀器并執(zhí)行相應的操作。

2 硬件設計

整個系統(tǒng)的設計主要包括接口電路和LCD顯示模塊等部分，硬件電路整體框圖如圖1所示。

圖1 硬件電路整體框圖Fig.1 The entire block diagram of hardware circuit

上位機虛擬儀器將SCPI程控命令發(fā)送到USB接口芯片緩沖區(qū)，接口電路中單片機從USB接口芯片緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行解析翻譯，實現(xiàn)對程控儀器的控制。電路中設計的LCD1602用于調試過程中對SCPI指令的顯示。

系統(tǒng)采用增強型8051內核的單片機STC89C516RD+作為中央處理芯片。STC89C516RD+是一款低功耗芯片，它具有64 kB的Flash程序存儲器和8 kB的片內Flash存儲區(qū)(可存放ISP引導程序與用戶數(shù)據(jù))。芯片中1280 B的RAM(256 B的內部RAM和1 kB的外部RAM)解決了在編程時遇到的RAM資源缺乏的問題，支持在系統(tǒng)編程(ISP)和在應用編程(IAP)兩種方法，實現(xiàn)在線編程。

USB主機控制芯片采用南京沁恒電子公司生產(chǎn)的CH375A［2］，它是一個 USB總線通用接口芯片，支持USB-Host主機方式和USB-Device/Slave設備方式。在本地端，CH375A具有8位數(shù)據(jù)總線和讀/寫、片選控制線及中斷輸出，可以方便地掛接到單片機、DSP、MCU和MPU等控制器的系統(tǒng)總線上。在USB設備方式下，CH375A是一個全速USB設備接口，兼容USB2.0且即插即用［3］;外圍元器件只需要具備晶體和電容，這樣就降低了設備的成本，縮小了設備的體積。同時，CH375A還提供一對主端點和一對輔助端點，支持控制、批量以及中斷傳輸，具有內置固件模式和外部固件模式。

USB接口原理如圖2所示。

圖2 USB接口原理圖Fig.2 The principle of USB interface

圖2中:CH375A的數(shù)據(jù)線D0～D7連接到微處理器的數(shù)據(jù)線D0～D7;CH375A的引腳分別連接到單片機的STC89C516RD+寫選通引腳和讀選通引腳線確定了CH375A的地址;A0也作為地址的一部分。

當A0為1時，表明寫入CH375的為命令;當A0為0時，表明寫入或者從CH375A讀出的為數(shù)據(jù)。由于低8位地址線與CH375的操作地址無關，因此，沒有使用地址鎖存器74LS373。高8位地址線中除了A0和CS，其他的地址線也與操作地址無關［4］。據(jù)此，CH375A的寫命令地址為0xfe00，讀或者寫數(shù)據(jù)的地址為0xfc00。中斷請求輸出，低電平有效，其直接連接到單片機的中斷輸入引腳當CH375A接收到來自USB總線的數(shù)據(jù)，需要微處理器進行處理時，則通過引腳向微處理器請求中斷。

3 軟件設計

本設計的軟件部分主要分為兩個部分:①上位機軟件設計，實現(xiàn)程控命令的發(fā)送和數(shù)據(jù)的回顯;②單片機應用程序設計，實現(xiàn)對命令、數(shù)據(jù)的讀寫和SCPI解析技術的具體實現(xiàn)。

3.1 上位機軟件設計

本設計的上位機程序采用NI-VISA與USB設備進行通信［5］。

VISA是用來與各種儀器總線進行通信的高級應用編程接口(API)，它不受平臺、總線和環(huán)境的限制。通用串行總線(USB)是基于信息的通信總線。這表示PC機與USB設備通過發(fā)送指令和數(shù)據(jù)進行通信。

每個USB設備有各自的指令集，可以使用NI-VISA的讀寫功能向儀器發(fā)送這些指令。當與USB進行通信時，NI-VISA從3.0版開始支持USB通信，它有兩種VISA函數(shù)，可以控制USB INSTR與USB RAW這兩類USB設備。本設計中的USB設備屬于USB RAW設備。

使用NI-VISA控制USB設備時，需要分以下三個步驟配置USB設備:① 使用Driver Development Wizar(驅動程序開發(fā)向導)創(chuàng)建INF文檔;②安裝INF文檔并安裝使用INF文檔的USB設備;③使用NI-VISA interactive Control(NI-VISA互動控制工具)對設備進行測試。

配置完成后，打開Measurement＆Automation Explore(MAX)，點擊USB設備，屬性窗口顯示設備制造商ID、型號代碼以及設備序列號等相關信息。

USB設備配置完成后，設計用NI-VISA與USB設備進行通信。由于本設備是USB RAW類，所以要使用具體的CH375A的通信協(xié)議。NI-VISA與USB通信的程序框圖如圖3所示。

圖3 通信程序框圖Fig.3 The block diagram of communication program

圖3中:Bulk Out Buffer和空字符串為從界面上輸入的標準SCPI程控命令。本設計中的CH375A選用的是內置固件模式，且USB RAW設備通信采用端點2以批量傳輸?shù)姆绞浇邮丈衔粰C操作命令，同時，端點2以批量傳輸?shù)姆绞浇o上位機發(fā)回儀器測試數(shù)據(jù)?！?30”是對應十六進制數(shù)“0082”的十進制數(shù)，它表示端點2批量輸入;而端點數(shù)“2”對應十六進制數(shù)“0010”的十進制數(shù)，表示端點2批量發(fā)送。

3.2 單片機應用程序設計

單片機應用程序是在Keil C51開發(fā)環(huán)境下通過C語言編程實現(xiàn)的，它主要包括USB程序設計和SCPI解析模塊設計兩部分。

3.2.1 USB 程序設計

對CH375A的操作主要通過寫命令、寫數(shù)據(jù)和讀出數(shù)據(jù)來完成。每次操作時，首先向CH375A中寫入命令碼，然后寫入輸入數(shù)據(jù)，接著讀出輸出數(shù)據(jù)。每次CH375A收到來自主控制器的數(shù)據(jù)或者發(fā)送數(shù)據(jù)完畢時，都會復位管腳，微處理器可以通過查詢的方式監(jiān)測管腳的電平，然后進行處理。本設計中，通過軟件程序設定CH375A為內置固件模式，當接到上位PC機發(fā)送的SCPI程控命令時，CH375A鎖定當前的USB緩沖區(qū)，并將腳設置為低電平［6］，向單片機請求中斷，單片機進入中斷服務程序，獲得中斷狀態(tài);然后單片機根據(jù)獲得的中斷狀態(tài)處理相應的程序。

3.2.2 SCPI解析模塊的設計

SCPI命令主要包括SCPI儀器公用命令和SCPI儀器特定命令。SCPI的語法很多，由于我們的主要目的是提高程控效率，故在解析時只解析程控題頭，而不解析程控數(shù)據(jù)?？偨YSCPI儀器公用命令和特定命令，并以多維數(shù)組的形式存儲，其中儀器公用命令只有一層，而儀器特定命令總共七層，將每一層存儲在不同的數(shù)組中，將命令所在數(shù)組的行數(shù)通過LCD輸出顯示，然后將翻譯后的二進制命令送入儀器執(zhí)行相應的動作。

SCPI的主程序流程圖如圖4所示［7］。

圖4 主程序流程圖Fig.4 Flowchart of the main program

4 實驗結果

該接口在實驗室設計的晶振與繼電器精度測試儀上進行的測試結果如表1所示。根據(jù)設計，測試儀執(zhí)行了相應的操作，證明了此接口的實用性。

表1 不同SCPI命令解析結果Tab.1 Parsing results of different SCPI commands

5 結束語

本文提出的基于儀器接口平臺的USB接口模塊設計方案使程控儀器能方便地接入自動測試系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了接口的通用性，并縮減了開發(fā)周期。同時，本設計采用的SCPI解析技術使程控儀器器件數(shù)據(jù)和命令得到了標準化，具有高可靠性和高執(zhí)行效率。

［1］Wheeler H.SCPI:the next step in the evolution of ATE systems，electronics test［M］.New York:Industry Publisher，1990:12 －15.

［2］南京沁恒電子有限公司.USB總線接口芯片CH375［DB/OL］.［2005 － 05 － 10］.http:∥www.Winchiphead.com/product.ch-375detail.html.

［3］張銀海.基于CH375的USB移動存儲接口設計［J］.電子元器件應用，2008(10):22 －24.

［4］鐘富昭.8051單片機典型模塊設計與應用［M］.北京:人民郵電出版社，2007:24－39.

［5］張凱，周陬，郭棟.LabVIEW虛擬儀器工程設計與開發(fā)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2004:244－252.

［6］黃惟公，鄧成中，王燕.單片機原理與應用技術［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2007:163－183.

［7］馬忠梅，籍順心，馬凱，等.單片機的C語言應用程序設計［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2007:94－110.