劉 陽(yáng)，羅顯志，周楊羅，李 政

(湖北大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，武漢 430062)

0 引言

在自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中，IEEE488總線扮演著重要的角色。它是一種面向儀器設(shè)備的通用總線接口，也被稱為GPIB總線[1-2]。該接口最早由HP公司提出，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)形成了一套行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。且該接口能滿足設(shè)備之間互相通信的功能，實(shí)現(xiàn)信息共享的需求。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)在自動(dòng)化控制、精密儀器研制等領(lǐng)域發(fā)展迅猛，在醫(yī)療、軍工等領(lǐng)域，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的需求越來(lái)也越大。GPIB作為業(yè)界使用最廣泛的測(cè)試總線，不僅成本低，而且傳輸穩(wěn)定，在未來(lái)的一段時(shí)間內(nèi)，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)仍然有一定的需求量。

市面上的GPIB轉(zhuǎn)換器基本都采用專用接口芯片來(lái)設(shè)計(jì)，此類芯片連接微處理器，通過讀寫寄存器等操作能很

方便的實(shí)現(xiàn)GPIB接口的所有功能。目前，能自主生產(chǎn)基于IEEE-488協(xié)議的專用GPIB接口芯片的公司僅NI、TI、NEC、Intel幾家[3]，但該類芯片都已停產(chǎn)，可供購(gòu)買的成品GPIB轉(zhuǎn)換器如NI-GPIB-USB-HS價(jià)格在3 000元以上，對(duì)國(guó)內(nèi)龐大的用戶群體來(lái)說(shuō)成本過高。國(guó)內(nèi)在測(cè)試接口領(lǐng)域的研究較少，僅有電子科大等幾個(gè)團(tuán)隊(duì)，且市面上國(guó)產(chǎn)轉(zhuǎn)換器占有率不高。隨著ASIC技術(shù)的飛速發(fā)展，F(xiàn)PGA在嵌入式領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，它靈活、穩(wěn)定、可移植性強(qiáng)，所以能夠用來(lái)替代一些專用芯片。

基于以上因素，本文詳細(xì)闡述使用FPGA芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)IEEE488總線協(xié)議的方案及實(shí)現(xiàn)流程，為相關(guān)開發(fā)人員提供可行性參考。

1 總體設(shè)計(jì)

基于FPGA的IEEE488協(xié)議轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)主要包括硬件和軟件兩部分。硬件部分包括硬件電路設(shè)計(jì)與硬件控制程序設(shè)計(jì)；軟件部分主要是驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)，最后通過用戶程序與儀器通信。該方案組建一套完整的測(cè)試系統(tǒng)，其總體結(jié)構(gòu)[4]如圖1所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)框架

該方案的核心在于硬件控制程序設(shè)計(jì)，開發(fā)前需要對(duì)IEEE488總線協(xié)議做深入研究，同時(shí)剖析NI的NAT9914的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，掌握其協(xié)議的工作原理。硬件控制程序的主要內(nèi)容是模擬GPIB接口的十種功能，然后通過讀寫控制模塊控制數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤的傳輸，在PC與儀器之間搭建數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄?。軟件?qū)動(dòng)程序連接PC與轉(zhuǎn)換器，實(shí)時(shí)發(fā)送程控指令并接收返回的數(shù)據(jù)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路設(shè)計(jì)主要包括電源模塊、USB-UART模塊、FPGA主控模塊及外圍電路、GPIB接口模塊。硬件設(shè)計(jì)框架如圖2所示。

圖2 硬件設(shè)計(jì)框架

2.1 電源模塊

電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定電壓。電源芯片使用MC34063，該芯片性能好，市場(chǎng)應(yīng)用廣泛，可實(shí)現(xiàn)升壓和降壓功能，但其實(shí)現(xiàn)電路不同。本系統(tǒng)采用USB接口供電，其電壓大致為5.2 V左右，所以需設(shè)計(jì)降壓電路。FPGA芯片的不同BANK所需電壓不同，因此添加LM1084可調(diào)輸出線性穩(wěn)壓器，提供3.3 V、2.5 V、1.2 V工作電壓。電源電路部分設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 電源模塊

該芯片內(nèi)部有恒定的1.25 V基準(zhǔn)電壓，輸出電壓與R35和R36的阻值有關(guān)，其輸出電壓的計(jì)算公式為：

Vout=1.25*(1+R36/R35)

(1)

由公式(1)推出，為輸出5 V電壓，R36和R36的阻值分別為10 K和3K3。

2.2 USB-UART模塊

USB-UART模塊建立PC端與主控芯片的數(shù)據(jù)通道。協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片采用CH340G-USB轉(zhuǎn)串口芯片，該芯片外圍電路簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，資料豐富。電路中將Rx與Tx引腳接入FPGA芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，D+與D-接入U(xiǎn)SB接口數(shù)據(jù)引腳與PC端進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。該芯片工作時(shí)需外接12 M晶振，同時(shí)為保證系統(tǒng)時(shí)鐘的同步，引出時(shí)鐘輸入引腳與FPGA芯片相連。USB-UART模塊如圖4所示。

圖4 USB-UART模塊

2.3 FPGA主控模塊及GPIB接口模塊

FPGA主控芯片的選擇參考市場(chǎng)兩大主流FPGA芯片廠商，再結(jié)合本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求，最終采用Xilinx的Spartan-6系列的XC6SLX4芯片，該芯片的引腳數(shù)和容量能滿足設(shè)計(jì)需求，且網(wǎng)絡(luò)資源充足，易上手。

主控芯片的差分引腳主要與GPIB接口的16根信號(hào)線和UART模塊的數(shù)據(jù)線連接，以實(shí)現(xiàn)接口的控制和數(shù)據(jù)傳輸。外圍電路還包括JTAG下載電路、SDRAM外部存儲(chǔ)模塊以及時(shí)鐘和復(fù)位電路。JTAG下載調(diào)試電路使用XCF01SVO20C-FPGA配置芯片，系統(tǒng)外部時(shí)鐘采用50 M晶振。此外，使用K4S511632B-TC75存儲(chǔ)芯片設(shè)計(jì)SDRAM外部存儲(chǔ)模塊，防止因FPGA芯片內(nèi)部緩存不足造成數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象。主控模塊還外接了LED小燈等外圍電路，用來(lái)作為數(shù)據(jù)讀寫的指示燈。

傳統(tǒng)的GPIB接口電路模塊一般由專用GPIB接口芯片和總線收發(fā)器組成。本方案使用FPGA芯片模擬GPIB接口功能，因此無(wú)需GPIB接口芯片和總線收發(fā)器。但GPIB接口工作電壓是5 V，而FPGA芯片的最高電壓為3.3 V，故在FPGA芯片與GPIB接口之間添加MOS-N模塊實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。

3 硬件控制程序設(shè)計(jì)

硬件控制程序是設(shè)計(jì)的核心與難點(diǎn)。在設(shè)計(jì)之前，需要對(duì)IEEE488總線協(xié)議和GPIB接口芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)做深入研究。

3.1 IEEE488總線介紹

IEEE488總線[5-6]自提出以來(lái)，一直被廣泛應(yīng)用于測(cè)試、控制等領(lǐng)域。它由數(shù)據(jù)線、三根握手線、五根接口管理線以及地線組成。三根握手線配合工作，通知總線何時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，何時(shí)接收數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確無(wú)誤。接口管理線ATN控制總線上傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)還是指令，EOI提示總線何時(shí)傳輸結(jié)束等，IFC設(shè)置所有的設(shè)備于靜止?fàn)顟B(tài)，REN使能設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程編程，SRQ提醒控制器是否需要服務(wù)。在工作時(shí)，測(cè)試系統(tǒng)存在3種角色，即控者負(fù)責(zé)發(fā)送各種命令，講者發(fā)送數(shù)據(jù)，聽者接收數(shù)據(jù)。

典型的GPIB專用接口芯片NAT9914的內(nèi)部電路主要分為兩部分。一部分面向GPIB總線，主要包括GPIB接口的十種功能以及各種緩沖器和譯碼器。另一部分面向微處理器，通過編寫驅(qū)動(dòng)程序讓微處理器訪問25個(gè)可尋址寄存器，其主要類型有數(shù)據(jù)類寄存器、中斷類寄存器、地址類寄存器。NAT9914的內(nèi)部結(jié)構(gòu)[7-8]如圖5所示。

圖5 NAT9914內(nèi)部結(jié)構(gòu)

GPIB接口共定義了10種接口功能，分別是源方和受方掛鉤功能、講者、聽者、控者、器件清除功能、服務(wù)請(qǐng)求功能、并行輪詢功能、遠(yuǎn)控/本控功能、器件觸發(fā)功能。其中前五種是基本接口功能，后5種是輔助接口功能。基本功能是所有帶GPIB接口的設(shè)備必須具備的，保證測(cè)試系統(tǒng)中各儀器之間能相互通信，輔助功能讓測(cè)試系統(tǒng)更便捷、更智能。

3.2 GPIB接口功能的程序設(shè)計(jì)與仿真

該方案的硬件程序使用Verilog硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)，軟件采用Xilinx的ISE。整體設(shè)計(jì)采用自頂向下的設(shè)計(jì)思想，將整個(gè)系統(tǒng)拆分成若干個(gè)子功能模塊，其中包括串口數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、數(shù)據(jù)讀寫控制模塊、中斷模塊以及GPIB接口功能模塊，每個(gè)子功能模塊又有不同的狀態(tài)，同一時(shí)刻只允許存在同一種狀態(tài)，不同的狀態(tài)又通過相互聯(lián)系的小狀態(tài)機(jī)進(jìn)行切換，且狀態(tài)的改變與之前設(shè)備所處的狀態(tài)關(guān)聯(lián)，這樣就構(gòu)成了一個(gè)相互排斥又相互聯(lián)系的狀態(tài)機(jī)。通過各模塊的接口功能狀態(tài)機(jī)的聯(lián)系，最總形成一個(gè)頂層GPIB接口功能狀態(tài)機(jī)。

GPIB接口功能的實(shí)現(xiàn)依賴于各個(gè)功能模塊的實(shí)現(xiàn)，由于篇幅有限，該章節(jié)主要對(duì)GPIB接口的講者(T)、聽者(L)功能、FIFO模塊的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)描述，并利用Modelsim軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

3.2.1 講功能(T)設(shè)計(jì)

講功能[9-10]的主要作用是將用戶發(fā)送的程控指令或者數(shù)據(jù)通過總線發(fā)送到測(cè)試系統(tǒng)中的儀器中，或者將儀器自身的工作狀態(tài)以及參數(shù)等信息通過數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)絇C端。只有當(dāng)系統(tǒng)控者尋址講者或者設(shè)備通過ton指令將自身設(shè)置為講者時(shí)，才賦予這種功能。同一時(shí)刻，一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中只存在一位講者。

講功能的狀態(tài)分為TIDS(講者空閑態(tài))、TADS(講者被尋址態(tài))、TACS(講者活動(dòng)態(tài))、SPAS(串行活動(dòng)態(tài))、SPIS(串行空閑態(tài))、SPMS(串行模式)共6種，按照協(xié)議功能又分為講者數(shù)據(jù)傳輸和串行輪詢兩組事件,分別如圖6(a)和圖6(b)所示。講者狀態(tài)圖如圖5所示。

圖6 講功能狀態(tài)圖

事件(a)中，在設(shè)備上電后，講功能同時(shí)進(jìn)入TIDS和SPIS兩種狀態(tài)，此時(shí)不具備數(shù)據(jù)傳輸能力。當(dāng)設(shè)備被尋址為講者(即MTA=1)或設(shè)備通過ton指令設(shè)置自身為講者，且ACDS為活動(dòng)態(tài)時(shí)，講功能進(jìn)入被尋址態(tài)，此時(shí)講者準(zhǔn)備好發(fā)送數(shù)據(jù)。ATN信號(hào)線決定系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型，當(dāng)ATN為假時(shí)，表示GPIB總線上傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)，當(dāng)SPMS是活動(dòng)態(tài)時(shí)，設(shè)備進(jìn)入SPAS狀態(tài);當(dāng)SPMS為假時(shí)，講者進(jìn)入TACS狀態(tài)，此時(shí)配合SH功能將數(shù)據(jù)傳到GPIB數(shù)據(jù)總線。當(dāng)設(shè)備處于SPAS或TACS狀態(tài)時(shí)，若ATN為真，說(shuō)明系統(tǒng)控者發(fā)送命令，講功能返回尋址態(tài)。

事件(b)中，若SPE為真，即允許串行查詢，聽者進(jìn)入串行輪詢模式狀態(tài)，并參與串行輪詢。當(dāng)系統(tǒng)活動(dòng)控者發(fā)送SPD命令，即禁用串行輪詢。聽者進(jìn)入串行輪詢空閑狀態(tài)。

講功能的Verilog設(shè)計(jì)包括了圖5中兩組狀態(tài)，每種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換都通過分析當(dāng)前的狀態(tài)機(jī)來(lái)轉(zhuǎn)換，結(jié)合各狀態(tài)之間相互排斥又相互聯(lián)系的特征，TIDS和SPIS采用并行語(yǔ)句執(zhí)行。(b)狀態(tài)的具體實(shí)現(xiàn)的核心部分代碼如下所示：

case (current_state_2)

T_STATE_2_SPIS :

if (event2_1)

current_state_2 <= T_STATE_2_SPMS;

T_STATE_2_SPMS :

if (event2_3)

current_state_2 <= T_STATE_2_SPIS;

else if (event2_2)

current_state_2 <= T_STATE_2_SPIS;

default :

current_state_2 <= T_STATE_2_SPIS;

endcase

assign event2_1 = SPE 1'b1 & ACDS 1'b1;

assign event2_2 = SPD 1'b1 & ACDS 1'b1;

assign event2_3 = IFC 1'b1;

通過編寫Testbench仿真文件，使用Modelsim仿真后波形如圖7所示。根據(jù)分析可以看出，講功能的每個(gè)狀態(tài)嚴(yán)格按照狀態(tài)圖進(jìn)行變換，且同一時(shí)刻只存在一種活動(dòng)態(tài)。

圖7 講功能仿真波形

3.2.2 聽功能(L)設(shè)計(jì)

聽功能[11]的主要作用是接收儀器發(fā)送過來(lái)的狀態(tài)信息或者主控設(shè)備的指令。同一時(shí)刻，一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中可以存在多位聽者。

聽功能的狀態(tài)分為L(zhǎng)IDS(聽者空閑態(tài))、LADS(聽者被尋址態(tài))、LACS(聽者活動(dòng)態(tài))、LPIS(聽者主空閑態(tài))、LPAS(聽者主被尋址態(tài))，其中后兩種為擴(kuò)展聽者(LE)狀態(tài)。聽者狀態(tài)如圖8所示。

圖8 聽功能及擴(kuò)展聽功能狀態(tài)圖

狀態(tài)圖(a)是聽功能的狀態(tài)圖，當(dāng)設(shè)備上電后，聽功能同時(shí)進(jìn)入LIDS和LPIS兩種狀態(tài)。當(dāng)設(shè)備被尋址為聽者(MLA=1)或者設(shè)備通過lon指令設(shè)置自身為聽者,且ACDS為活動(dòng)態(tài)時(shí)，聽功能進(jìn)入被尋址態(tài)，此時(shí)聽者準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)。若ATN為假，表示GPIB總線上傳輸數(shù)據(jù)，此時(shí)聽者變?yōu)長(zhǎng)ACS狀態(tài)，并且配合AH功能從數(shù)據(jù)總線上接收數(shù)據(jù)。若ATN為真，表示GPIB總線傳輸命令，聽者由活動(dòng)態(tài)變?yōu)楸粚ぶ窇B(tài)。當(dāng)控者發(fā)出unl命令，宣布測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)所有的設(shè)備取消聽者狀態(tài)，且ACDS為真時(shí)，聽者進(jìn)入空閑態(tài)。

狀態(tài)圖(b)是擴(kuò)展聽功能的狀態(tài)圖，在LPIS狀態(tài)下，聽功能可以識(shí)別它的主地址，但無(wú)法響應(yīng)它的副地址。當(dāng)聽功能被尋址且處于接收數(shù)據(jù)狀態(tài)時(shí)，聽功能進(jìn)入被尋址主狀態(tài)，此時(shí)聽功能可以識(shí)別并響應(yīng)它的副地址。

聽功能的Modelsim仿真波形如圖9所示。

圖9 聽功能仿真波形

3.2.3 FIFO模塊設(shè)計(jì)

為提高系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，避免因控制端和數(shù)據(jù)端傳輸速率差異造成的數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象，設(shè)計(jì)FIFO模塊作為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。

FIFO模塊連接讀寫控制端和數(shù)據(jù)總線端。讀寫控制部分由Clk、Reset_Fifo、Read、Write、Buffer_full組成，data_in[7:0]和data_out[7:0]連接數(shù)據(jù)總線。當(dāng)轉(zhuǎn)換器身份為講者時(shí)，從FIFO中取數(shù)據(jù)放入總線，若FIFO數(shù)據(jù)為空，則讀寫控制端寫入準(zhǔn)備發(fā)送的數(shù)據(jù)。當(dāng)轉(zhuǎn)換器身份為聽者時(shí)，將總線上的數(shù)據(jù)存入FIFO，若FIFO存在數(shù)據(jù)，則通知讀寫控制端讀取數(shù)據(jù)。FIFO的RTL視圖如圖10(a)所示。Modelsim仿真波形如圖10(b)所示。

圖10 FIFO RTL視圖與仿真波形

3.3 內(nèi)部寄存器設(shè)計(jì)

NAT9914芯片的工作主要通過配置內(nèi)部寄存器來(lái)完成。設(shè)計(jì)中通過讀寫控制模塊對(duì)各個(gè)寄存器進(jìn)行配置，從而控制接口的數(shù)據(jù)傳輸。

設(shè)計(jì)的寄存器主要有地址寄存器、GPIB總線寄存器、GPIB狀態(tài)寄存器、接口功能寄存器、GPIB控者寄存器、讀寫控制寄存器，中斷控制寄存器。其中，中斷寄存器ISR0與聽、講功能相關(guān)，其結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 ISR0寄存器

ISR0可讀寄存器的BI、BO、END位分別代表數(shù)據(jù)接收位、數(shù)據(jù)發(fā)送位、數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束位。當(dāng)設(shè)備為系統(tǒng)活動(dòng)控者或者講者時(shí)，BO位置1，此時(shí)可以向系統(tǒng)內(nèi)其他設(shè)備發(fā)送命令或數(shù)據(jù)；當(dāng)設(shè)備為聽者時(shí)，當(dāng)數(shù)據(jù)接收寄存器接收到數(shù)據(jù)時(shí)，BI位置1；當(dāng)接收到結(jié)束符0x0A時(shí)，END位置1，結(jié)束本次數(shù)據(jù)傳輸。

3.4 GPIB數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸是硬件控制程序的核心部分，也是該協(xié)議轉(zhuǎn)換器要實(shí)現(xiàn)的最主要功能。

在各個(gè)子功能模塊完成的基礎(chǔ)上，構(gòu)建從UART模塊到GPIB接口模塊的數(shù)據(jù)通道。數(shù)據(jù)的傳輸主要依靠設(shè)備的聽、講功能以及讀寫控制模塊，還有FIFO存儲(chǔ)模塊。聽講功能控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较?，F(xiàn)IFO模塊控制數(shù)據(jù)的存取。讀寫控制模塊直接配置狀態(tài)寄存器，進(jìn)而配置GPIB的接口功能，并配合FIFO模塊完成數(shù)據(jù)的存取。在程序中設(shè)計(jì)了GPIB_Read和GPIB_Write兩個(gè)資源文件，用來(lái)實(shí)現(xiàn)GPIB的讀寫操作。在GPIB_Read模塊中，輸入輸出端口名分為GPIB接口、外部接口、FIFO模塊3部分。GPIB接口部分用來(lái)判斷當(dāng)時(shí)是否處于聽活躍狀態(tài)，外部接口模塊負(fù)責(zé)產(chǎn)生數(shù)據(jù)中斷等信號(hào)，F(xiàn)IFO模塊則提示是否存在數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)的存取。GPIB_Write模塊的結(jié)構(gòu)與GPIB_Read模塊基本類似。讀寫的邏輯結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 GPIB讀/寫流程圖

4 軟件驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

4.1 VISA簡(jiǎn)介

VISA(virtual instrument software architecture)，即虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)[12-14]。VISA是一種通用的I/O標(biāo)準(zhǔn)，提供了一套完整的、易操作的函數(shù)庫(kù)，存在于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)，通過軟件層與儀器建立連接。

傳統(tǒng)的儀器，不同的接口需要開發(fā)不同的驅(qū)動(dòng)程序來(lái)供用戶使用，這將耗費(fèi)大量的人力物力來(lái)開發(fā)與維護(hù)。VISA獨(dú)立于接口、語(yǔ)言和操作系統(tǒng)，采用統(tǒng)一的操作函數(shù)，無(wú)論是串口、GPIB、LAN接口，都使用VISA函數(shù)來(lái)操作，體現(xiàn)了VISA的硬件無(wú)關(guān)性。統(tǒng)一的核心函數(shù)與其它無(wú)法合并的、與儀器類型相關(guān)的功能函數(shù)一起構(gòu)成了自底向上的I/O接口模型，實(shí)現(xiàn)不同類型的儀器的互操作性與兼容性，這也是VISA的最大優(yōu)點(diǎn)之一。

VISA的結(jié)構(gòu)共分為五層，資源管理層主要主要負(fù)責(zé)資源的尋址、創(chuàng)建與刪除等功能的實(shí)現(xiàn)。I/O資源層提供了底層I/O函數(shù)，對(duì)硬件接口進(jìn)行讀寫等操作，該資源與傳統(tǒng)的I/O函數(shù)相似。儀器資源層主要針對(duì)不同儀器的特定功能。用戶資源層是可變層，根據(jù)用戶自己定義資源。應(yīng)用程序?qū)犹峁┯脩襞c儀器交互的窗口。

4.2 VISA驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)

本設(shè)計(jì)采用NI公司提供的VISA庫(kù)，在開發(fā)之前需安裝NI-VISA。驅(qū)動(dòng)程序的一般設(shè)計(jì)流程如圖12所示。

圖12 驅(qū)動(dòng)開發(fā)流程

驅(qū)動(dòng)程序具體實(shí)現(xiàn)流程[15-18]如下：

1)掃描資源:首先調(diào)用viOpenDefaultRM()函數(shù)來(lái)掃描系統(tǒng)中的接口和設(shè)備資源，此后才能調(diào)用其他VISA函數(shù)。當(dāng)用戶需要查找特定的設(shè)備時(shí)，可以調(diào)用viFindRsrc()函數(shù)。

2)打開資源:通過viOpen()函數(shù)建立儀器之間的會(huì)話通道，其參數(shù)根據(jù)接口類型確定。如建立與主地址為2的GPIB接口的會(huì)話，則參數(shù)設(shè)置為GPIB0::2::INSTR。

3)讀寫操作:公用的VISA底層I/O函數(shù)有viRead()、viWrite()等；GPIB接口特殊I/O函數(shù)有的viReadSTB()、viClear()等，每個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)一種接口功能。本設(shè)計(jì)調(diào)用公用I/O函數(shù)與建立會(huì)話通道的接口進(jìn)行通信。

4)關(guān)閉資源:調(diào)用viClose()函數(shù)關(guān)閉已建立的會(huì)話通道，并清除資源。

在VC++6.0環(huán)境下測(cè)試VISA驅(qū)動(dòng)程序，將VISA.H和VISATYPE.H文件拷貝到工程中，使用C語(yǔ)言調(diào)用相關(guān)庫(kù)函數(shù)。核心代碼部分如下所示：

int main(void){

ViSession defaultRM;

....... //定義變量

status=viOpenDefaultRM (&defaultRM);

status=viOpen(defaultRM,"ASRL4::INSTR",VI_NULL,VI_NULL,&instr);

status = viSetAttribute (instr,VI_ATTR_TMO_VALUE,5000);

....... //參數(shù)配置

status=viWrite(instr,"*IDN? ",(ViUInt32)strlen("*IDN? "),&writeCount);

status = viRead (instr,buffer,100,&retCount);

if (status!

printf (" Data read:%*s ",retCount,buffer);

}

status = viClose (instr);

status = viClose (defaultRM);}

將協(xié)議轉(zhuǎn)換器和Tek1002示波器連接，運(yùn)行該程序生成的.EXE可執(zhí)行文件，運(yùn)行測(cè)試結(jié)果如圖13所示。

圖13 VC++下VISA測(cè)試結(jié)果

4.3 驅(qū)動(dòng)應(yīng)用層開發(fā)

驅(qū)動(dòng)應(yīng)用層開發(fā)平臺(tái)為Visual Studio 2017，采用C#面向?qū)ο蟾呒?jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，它運(yùn)行在.NET Framework框架上。.NET Framework包括3個(gè)應(yīng)用程序模型，設(shè)計(jì)采用Windows Forms模型，它屬于.NET Framework中的GUI類庫(kù)，該模型采用控件式編程，開發(fā)難度較低。

NI-VISA提供了基于.NET的VISA函數(shù)庫(kù)，在項(xiàng)目中添加NI的NationalInstruments.Visa和Ivi.Visa函數(shù)庫(kù)可直接調(diào)用VISA函數(shù)。

應(yīng)用層開發(fā)主要分兩部分，一部分為資源搜索界面，另一部分為基本讀寫操作界面。資源搜索界面通過ResourceManager.Find(“(ASRL|GPIB|TCPIP|USB”?*INSTR))函數(shù)來(lái)搜索系統(tǒng)中所有類型的設(shè)備，并將值返回ListBox列表框中。選中資源，點(diǎn)擊OK按鈕時(shí)，執(zhí)行ResourceManager.Open函數(shù)與設(shè)備建立連接。操作界面主要由Button和TextBox兩大控件組成，讀寫等按鈕執(zhí)行基本IO操作，在控件中調(diào)用RawIO.BeginWrite()和RawIO.BeginRead()函數(shù)，當(dāng)點(diǎn)擊事件發(fā)生時(shí)，則執(zhí)行讀寫函數(shù)，并將返回值發(fā)送到TextBox文本框中，此外還添加了Trigger和Read STB等功能型按鈕，通過調(diào)用接口功能函數(shù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行操控。

最終設(shè)計(jì)的用戶操作界面如圖14所示。

圖14 用戶程序界面

5 SCPI指令測(cè)試

5.1 SCPI簡(jiǎn)介

可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令，簡(jiǎn)稱SCPI[19-20]。它是一種控制儀器的語(yǔ)言規(guī)范，規(guī)定了一種標(biāo)準(zhǔn)的語(yǔ)言結(jié)構(gòu)來(lái)控制儀器，采用ASCI字符串的形式與設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互。

早期的儀器設(shè)備，由于沒有統(tǒng)一的程控命令標(biāo)準(zhǔn)，不同的儀器在軟件上很難兼容。SCPI的出現(xiàn)，給整個(gè)行業(yè)提供了一套可參考的標(biāo)準(zhǔn)，完美解決了不同儀器的兼容性問題。且SCPI采用助劑符的方式，把復(fù)雜的指令縮寫成簡(jiǎn)潔且容易記住的指令，便于用戶使用。

5.2 SCPI命令測(cè)試

測(cè)試采用對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用Tek1002示波器。通過對(duì)基本指令以及示波器的數(shù)據(jù)采集等指令的測(cè)試，評(píng)估其性能。

5.2.1 公用指令測(cè)試

SCPI公用指令共39條，是所有帶GPIB接口的設(shè)備必須具備的。

公用指令測(cè)試使用自主研發(fā)的GPIB上位機(jī)和轉(zhuǎn)換器與NI控制面板和NI-GPIB-USB作比較，都發(fā)送*IDN？指令，查看其返回結(jié)果是否一致。測(cè)試結(jié)果如圖15所示。其中，圖(a)為自主研發(fā)設(shè)備返回結(jié)果，圖(b)為NI設(shè)備返回結(jié)果。

圖15 公用命令測(cè)試結(jié)果

5.2.2 性能測(cè)試

性能測(cè)試軟件采用NI公司的I/O Trace，該軟件能捕獲各函數(shù)的響應(yīng)時(shí)間，通過在同一軟件下對(duì)比自研GPIB轉(zhuǎn)換器和NI-GPIB-USB轉(zhuǎn)換器來(lái)評(píng)估該設(shè)計(jì)的設(shè)備性能。測(cè)試結(jié)果如圖16所示。圖(a)自主研發(fā)設(shè)備響應(yīng)時(shí)間，圖(b)為NI設(shè)備響應(yīng)時(shí)間。

圖16 指令響應(yīng)時(shí)間

從圖16中可以看出，自研設(shè)備在響應(yīng)*IDN?和*TST?兩個(gè)指令的時(shí)間分別為958 ms和1 252 ms，NI的響應(yīng)時(shí)間為982 ms和1 242 ms。經(jīng)對(duì)比，自研GPIB轉(zhuǎn)換器性能優(yōu)異，完全能滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

5.3 示波器數(shù)據(jù)采集測(cè)試

GPIB接口的重要功能是采集儀器的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)通過STM32F103開發(fā)板的DA模塊輸出波形，使用Tek1002示波器測(cè)量波形，將該設(shè)計(jì)的GPIB卡連接示波器，通過Tek公司的OpenChoiceDesktop上位機(jī)軟件連接示波器，首先發(fā)送:SELECT:CH1選擇示波器通道1，然后發(fā)送CH1:PROBE?等查詢指令查詢示波器的各種參數(shù)，最后發(fā)送:CURVE?返回曲線數(shù)據(jù)，并反饋到Tek公司的OpenChoiceDesktop上位機(jī)軟件上。測(cè)試結(jié)果如圖17所示。

圖17 數(shù)據(jù)采集測(cè)試結(jié)果

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款以FPGA芯片為主控，通過硬件描述語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)IEEE488接口的所有功能的協(xié)議轉(zhuǎn)換器。文中介紹了轉(zhuǎn)換器硬件設(shè)計(jì)、控制程序設(shè)計(jì)，還詳細(xì)介紹了基于VISA的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)流程。該設(shè)計(jì)為解決當(dāng)前市場(chǎng)GPIB專用芯片停產(chǎn)、轉(zhuǎn)換器價(jià)格昂貴等問題提供了一套完整的替換方案。經(jīng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)表明，該轉(zhuǎn)換器性能穩(wěn)定、體積小，完全滿足日常測(cè)試所需，為從事相關(guān)方面研究的開發(fā)人員提供了可行性的參考案例。