gpib應(yīng)用

越來越多的測量儀器提供GPIB(General Purpose Intefface Bus)總線接口，通過該總線可以方便快捷地連接帶有GPIB接口的儀器及計算機(jī)，組成一個GPlB網(wǎng)絡(luò)。GPIB設(shè)備與計算機(jī)連接時，需要借助GPIB接口板卡，但這些GPIB接口板卡價格昂貴，給儀器與計算機(jī)連接帶來不便。在大多數(shù)情況下計算機(jī)只連接一臺GPIB接口儀器，并不需要這些功能復(fù)雜價格昂貴的GPIB板卡。面對單臺儀器與計算機(jī)連接的功能需求，本文設(shè)計了一種性價比突出的RS232一GPIB，該控制器利用計算機(jī)最常用的RS232接口，控制帶有GPIB接口的儀器，在計算機(jī)與儀器之間建立數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?。同時，支持SCPI(Standard Commands for Prognmnnable Instrumentation)指令集，只需在Windows操作系統(tǒng)自帶的工具軟件超級終端中輸入SCPI指令，便可方便地對儀器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和讀取測試結(jié)果。

控制器的設(shè)計，旨在連接計算機(jī)和帶有GPIB接口的測量儀器，并利用計算機(jī)的鍵盤和顯示器來操控儀器進(jìn)行程控測量。本設(shè)計中計算機(jī)端接口為RS232接口，使用這個串口作為通信工具，編程方便、連接簡單可靠，軟件則采用Windows操作系統(tǒng)自帶的超級終端。因此，可以很方便地完成計算機(jī)串口數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，無需自行開發(fā)計算機(jī)端軟件，節(jié)省了控制器的開發(fā)時間。所設(shè)計控制器的核心是單片機(jī)，它一端連接計算機(jī)RS232串口，一端連接儀器GPIB接口，單片機(jī)接收來自計算機(jī)超級終端的SCPI指令，并轉(zhuǎn)發(fā)給帶有GPIB接口的儀器執(zhí)行。儀器執(zhí)行完成指令后將執(zhí)行結(jié)果發(fā)送給控制器，控制器再將所收到的數(shù)據(jù)通過RS232串口傳遞給計算機(jī)．在超級終端中顯示。

1 硬件設(shè)計

單片機(jī)是RS232-GPIB控制器的核心，本設(shè)計選用ATEML公司的AT89C51單片機(jī)。由于89C51應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，擁有豐富的片上資源和總線式I／O口，支持高級語言編程，內(nèi)部集成了符合RS232數(shù)據(jù)規(guī)范的異步串行控制單元。因此，使用Tx和Rx串行接口線與外部串行傳輸數(shù)據(jù)，只需在單片機(jī)外部使用MAX232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，便可直接連接計算機(jī)的串行端口(COM)?？刂破鞯挠布Y(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，GPIB接口控制電路是控制器硬件設(shè)計的重點(diǎn)。

需要指出的是：使用智能化的GPIB接口芯片，可以大大簡化GPIB接口電路的設(shè)計。目前最常用的芯片有兩種，一種以美國國家儀器公司生產(chǎn)的TNT4882芯片為代表，將所有接口功能集成在芯片上，完全由硬件完成接口功能，不需要其他輔助芯片，并且直接連接GPIB總線；另一種是以美國德州儀器公司生產(chǎn)的TMS9914芯片為代表，依靠軟件編程來完成GPIB接口功能，由接口芯片SN75160和SN75161進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后連接GPIB總線。這二種芯片的比較如表l所示?？紤]到成本等因素，本設(shè)計選用與TMS9914芯片完全兼容的NAT9914芯片作為GPIB總線接口芯片。NAT9914是一款標(biāo)準(zhǔn)的GPIB控制芯片，可以執(zhí)行所有GPIB接口功能，具有直接存儲器存取(DMA)功能,可編程時鐘和波特率，采用CMOS驅(qū)動，并兼容TTL電平，因此使用極為方便。同時，選用SN75160作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，SN75162作為握手線和控制線轉(zhuǎn)換器，與NAT9914配套使用，連接GPlB接口。

在圖l中，采用89C51的PO口連接NAT9914的數(shù)據(jù)接口，作為數(shù)據(jù)總線和GPIB進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)交換；Pl的I／O口作為地址總線，對NAT9914內(nèi)部寄存器尋址。NAT9914的中斷輸出連接在89C51的外部中斷接口上，采用中斷觸發(fā)的方式管理GPIB接口通信；NAT9914的時鐘信號一般采用獨(dú)立時鐘源。本設(shè)計中，考慮到控制器的功能僅完成與單臺GPIB接口儀器之問的通信，時鐘頻率的高低對GPIB接口數(shù)據(jù)傳輸速度影響基本可以忽略，因此直接使用89C51的ALE信號作為NAT9914時鐘信號，這樣可以充分利用89C51的片上資源，簡化電路,降低硬件成本。

2 軟件設(shè)計

計算機(jī)端軟件采用超級終端，用戶在超級終端中鍵入指令語句控制帶有GPIB接口的儀器。因SCPI指令集提供一個無縫的控制界面，使其在更換不同公司的同類GPIB設(shè)備時，不需要重新設(shè)定控制程序，可方便地和不同廠商同類GPIB設(shè)備的搡作編程。因此，本設(shè)計選取對業(yè)界通用的SCPI指令集作為控制指令，以便RS232一GPIB控制器可以和絕大多數(shù)GPIB接口儀器配合使用。

本設(shè)計中控制器軟件采用C51語言編寫，編譯后燒錄在89C51單片機(jī)中運(yùn)行。軟件框架采用主程序加中斷調(diào)用方式．以提高功能模塊的內(nèi)聚性。軟件功能分為RS232串口通信程序和GPIB接口通信程序兩部分，分別和兩個中斷相關(guān)：(1)串行通信中斷。該中斷負(fù)責(zé)RS232串口數(shù)據(jù)傳輸。(2)接收NAT9914中斷信號的外部中斷。該中斷處理來自GPIB接口數(shù)據(jù)通信的各種事件。主程序在完成全部初始化后進(jìn)入死循環(huán)狀態(tài)，等待這兩個中斷的發(fā)生。其中，RS232串口數(shù)據(jù)發(fā)送在主程序中執(zhí)行，而串口數(shù)據(jù)接收由串口中斷處理程序完成。串口通信程序較為簡單，這里主要給出GPIB通信程序結(jié)構(gòu)。

NAT9914芯片開始工作之前需要對其進(jìn)行初始化，這部分代碼作為主程序中初始化程序的一部分運(yùn)行，包括設(shè)置ICR寄存器、選擇時鐘信號頻率、設(shè)置GPIB延遲時問T1、定義通信結(jié)束字符EOS、設(shè)置GPIB設(shè)備地址(規(guī)定地址必須在O～30之間，如果寫入更大的地址。則設(shè)備仍看作30)。初始化完成后將NAT9914接通GPIB總線。初始化流程如圖2所示。

GPIB控制部分的代碼以中斷方式運(yùn)行，當(dāng)NAT9914觸發(fā)89C51芯片的外部中斷時，單片機(jī)中止正常工作，將現(xiàn)場數(shù)據(jù)壓入堆棧保護(hù)，并調(diào)用外部中斷處理函數(shù)，響應(yīng)NAT9914芯片的中斷申請，其中斷處理程序流程如圖3所示。引起NAT9914向單片機(jī)發(fā)出中斷信號的事件主要有四種：發(fā)送數(shù)據(jù)事件、接收數(shù)據(jù)事件、接收GET命令事件和接收DCAS命令事件。中斷頻繁時會影響主程序運(yùn)行效率，但考慮到所設(shè)計的轉(zhuǎn)換器功能單一，主程序基本處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，四種事件的處理都在中斷程序中完成，因此，對主程序運(yùn)行影響不大。GPIB接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)流程如圖4和圖5所示。

每次GPIB接口數(shù)據(jù)接收中，NAT9914接收到第一個字節(jié)數(shù)據(jù)后，即置位寄存器ISR0中的BI位。觸發(fā)單片機(jī)外部中斷，單片機(jī)進(jìn)入外部中斷處理程序后，讀取ISR0寄存器，判斷NAT9914觸發(fā)中斷的原因是接收數(shù)據(jù)事件后，調(diào)用接收數(shù)據(jù)子程序的執(zhí)行，開始接收來自GPIB儀器的數(shù)據(jù)。

在主程序中，NAT9914發(fā)送完第一個字節(jié)數(shù)據(jù)后．即置位寄存器ISR0中的BO位，觸發(fā)單片機(jī)外部中斷。單片機(jī)進(jìn)入外部中斷處理程序后，根據(jù)BO位判斷事件類型為發(fā)送數(shù)據(jù)事件，則調(diào)用GPIB數(shù)據(jù)發(fā)送程序，將緩沖區(qū)中剩余的數(shù)據(jù)依次發(fā)送到GPIB總線上。

3 運(yùn)行情況及結(jié)果

本文設(shè)計的RS232一GPIB控制器已成功用于計算機(jī)和泰克TDS210型示波器的GPIB總線連接中。圖6是計算機(jī)超級終端顯示界面的部分截圖，其中COMMAND：>為計算機(jī)鍵盤SCPI命令輸入提示符，GPIB：>為GPIB連接設(shè)備的反饋信息輸出提示符，表示后面的信息來自GPIB設(shè)備(即泰克TDS210型示波器)。

首先輸入的是查詢命令．該類命令以‘?’結(jié)尾，當(dāng)示波器收到查詢命令后，會立即反饋相關(guān)查詢信息。ID?命令，查詢該示波器的品牌和型號信息，示波器回復(fù)相關(guān)信息顯示在超級終端上；CH1?命令，查詢示波器l號通道的設(shè)置信息；DATA?命令，查詢示波器當(dāng)前使用通道信息以及采樣點(diǎn)數(shù)等信息。

接著輸入控制命令，示波器收到該命令后，執(zhí)行相應(yīng)的操作，但并不將執(zhí)行結(jié)果反饋回來。如：LANG ENGL命令，表示將示波器語言界面改為英文界面；LANGJAPA命令，表示將修改界面為日語界面。

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1 概述

是美國NI公司的一款單芯片、高速、聽/講功能的兼?zhèn)涞腉PIB(General purpose interface bus)接口。它內(nèi)部集成了Turbo488（高速傳輸電路）以及NAT4882(IEEE488.2兼容電路)，并擁有諸多新的特性，能夠兼容ANSI IEEE Standard 488.1和ANSI IEEE Standard 488.2規(guī)范，因而可以為GPIB系統(tǒng)提供一套完整的解決方案。為了達(dá)到更高的傳輸速率。TNT4882采用了單芯片F(xiàn)IFO緩存，其內(nèi)置的16個增強(qiáng)型IEEE 488.1兼容收發(fā)器可以直接連接GPIB，以實(shí)現(xiàn)HS488傳輸模式（一種新的GPIB高速傳輸模式）。在兼容性方面，它與以往使用的μPD7210、TMS9914A中的寄存器設(shè)置完全兼容，用戶可以將以前所用的代碼直接移植到TNT4882上。同時，它所包含的Turbo488電路及其諸多新特性也可以在一定程度上減少軟件的開銷。另外，TMT4882還具有靈活的CPU接口，可以方便地連接各種16位或8位微處理器，并將CPU發(fā)出的消息和信號轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的GPIB消息和信號，以使實(shí)現(xiàn)GPIB設(shè)備和CPU及內(nèi)存之間的通信。

圖1 雙芯片模式結(jié)構(gòu)

2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外圍

2.1 TNT4882的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

TNT4882的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以其工作模式的不同而有所不同。工作模式可分為單芯片模式和雙芯片模式兩種，而雙芯片模式又可分為Turbo+7210模式和Turbo+9914模式。工作模式的選擇和轉(zhuǎn)換由寄存器的設(shè)置來決定，不同的工作模式?jīng)Q定著FIFO與GPIB的連接方式、寄存器的狀態(tài)和訪問屬性。

在雙芯片工作模式下，NAT4882相當(dāng)于μPD7210(Turbo+7210模式)或TMS9914A(Turbo+9914模式)，但功能更加強(qiáng)大。此時的結(jié)構(gòu)及工作過程如圖1所示。當(dāng)前GPIB寫數(shù)據(jù)時，CPU首先將數(shù)據(jù)寫入TNT4882的FIFO里，并由傳輸狀態(tài)機(jī)將數(shù)據(jù)從FIFO傳至NAT4882電路，再由NAT4882電路將數(shù)據(jù)傳送至GPIB上；而當(dāng)從GPIB上讀數(shù)據(jù)時，過程則正好相反。

在單芯片工作模式下，F(xiàn)IFO可直接與GPIB相連而不需要傳輸狀態(tài)機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。此時，TNT4882中寄存器的設(shè)置與Turbo+7210模式類似。

由于單芯片模式采用的是最簡單且最快速的結(jié)構(gòu)，且是NI公司推薦的TNT4882工作模式，因此，本文主要討論這種模式。

2.2 外圍時鐘電路

TNT4882工作時需要40MHz的驅(qū)動時鐘，產(chǎn)生時鐘信號的方法有兩種：一是采用40MHz的CMOS晶振，將晶振的輸出接至TNT4882的XTALI管腳，并將XTALO管腳懸空；二是采用如圖3所示的外圍時鐘電路。

圖2 單芯片模式結(jié)構(gòu)框圖 圖3 TNT4882外圍時鐘電路

3 寄存器簡介

TNT4882內(nèi)部寄存器的數(shù)量和種類都很多，而且在不同的工作模式下，寄存器的情況又不盡相同。本文只對單芯片模式以及與最基本的GPIB操作有關(guān)的一些寄存器進(jìn)行簡要地介紹。

需要注意的是，TNT4882內(nèi)部的寄存器都是8位的。所以，每個寄存器的控制字也必須是8位。寄存器的地址通常是TNT4882的基地址加上各個寄存器所對應(yīng)的偏移量。TNT4882的基地址由硬件電路決定，而每個寄存器對應(yīng)的偏移量則是固定的，其范圍從0至0x1F。寄存器有三種類型：只讀、只寫和讀/寫。表1列出了一些比較重要的寄存器類型。

表1 TNT4882的部分寄存器

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TNT4882是一種需要軟件編程的集成電路。其內(nèi)部各個寄存器的狀態(tài)決定或標(biāo)志著芯片及GPIB的工作狀態(tài)。在GPIB中，只有通過編程對寄存器進(jìn)行正確設(shè)備，才能實(shí)現(xiàn)對GPIB的各種操作。以下是編程的基本思路和注意事項。

4.1 芯片初始化

最典型的初始化程序需完成以下工作：

（1）復(fù)位TNT4882器件中的Turbo488電路；

（2）將TNT4882設(shè)置成Turbo+7210模式；

（3）將TNT4882設(shè)置成模式；

（4）使Local Power-On信號有效；

（5）配置TNT4882以為GPIB操作作準(zhǔn)備，其具體任務(wù)是設(shè)置TNT4882的GPIB地址、設(shè)置初始串行輪詢響應(yīng)、設(shè)置初始并行輪詢響應(yīng)、清除或設(shè)定中斷、設(shè)置GPIB握手參數(shù)等。

（6）清除Local Power-On信號，開始GPIB操作。

上述工作只是編程時考慮實(shí)現(xiàn)各種功能的基本原則，設(shè)計得可以根據(jù)自己的實(shí)際需要，對TNT4882進(jìn)行適當(dāng)?shù)木幊蹋鴽]有必要完成每種功能的設(shè)置。

4.2 GPIB數(shù)據(jù)傳輸

用TNT4882進(jìn)行GPIB數(shù)據(jù)傳輸時，需經(jīng)歷初始化、數(shù)據(jù)傳輸和傳輸終止三個階段，傳輸初始化步驟如下：

（1）正確設(shè)置TNT4882的地址模式。在GPIB寫操作之前，應(yīng)將TNT4882設(shè)置成講狀態(tài)；而在GPIB讀操作之前，要將TNT4882設(shè)置成聽狀態(tài)；

（2）清空FIFO，為數(shù)據(jù)傳輸作準(zhǔn)備；

（3）向配置寄存器中寫入正確的控制字以設(shè)定傳輸參數(shù)；

（4）將欲傳輸字符個數(shù)的二進(jìn)制補(bǔ)碼寫入計數(shù)寄存器；

（5）如果需要的話，可以設(shè)置DMA參數(shù)并使用DMA方式進(jìn)行傳輸；

（6）根據(jù)需要，合理設(shè)置或清除中斷；

（7）向TNT4882發(fā)送傳輸命令。

在傳輸初始化完成之后，就可以在系統(tǒng)內(nèi)存和GPIB之間傳輸數(shù)據(jù)了。此時，所要考慮的只是如何協(xié)調(diào)內(nèi)存和FIFO間的工作，而TNT4882會自動管理FIFO與GPIB間的數(shù)據(jù)傳輸。通?？梢赃x擇兩種傳輸方式：DMA方式和程序控制方式。若使用DMA方式，則必須在傳輸初始化時對TNT4882進(jìn)行正確設(shè)定。如果使用程序控制方式，則需設(shè)計控制程序來對數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行管理。控制程序的基本流程如圖4所示。

當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸終止時，還應(yīng)進(jìn)行以下幾步操作：

（1）向TNT4882發(fā)送停止命令；

（2）若使用了DMA方式，還需禁止外部的DMA控制器；

（3）清除所有的中斷設(shè)置。

5 結(jié)束語

使用TNT4882時，除了要求外接一個40MHz的外部時鐘以外，幾乎不需要其它任何輔助電路，因而大大簡化了接口電路的設(shè)計和開發(fā)。通過筆者的實(shí)驗(yàn)證明：TNT4882是一款廉價的、高性能的專用芯片，是GPIB接口設(shè)計的理想選擇。

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在智能化測量儀器中，每一個儀器裝置都具有儀器功能和接口功能。

儀器功能的作用是把收到的控制信息變成儀器設(shè)備的實(shí)際動作，如調(diào)節(jié)頻率、調(diào)節(jié)信號電平、改變儀器的工作方式等，這與常規(guī)儀器設(shè)備的功能相同。為完成這些儀器功能而傳遞的信息稱為儀器信息。

接口功能是指完成各儀器設(shè)備之間正確通信、確保系統(tǒng)正常工作的能力，即通過GPIB標(biāo)準(zhǔn)接口實(shí)現(xiàn)自動測量與控制所必須的邏輯功能。為完成接口功能而傳遞的信息稱為接口信息。

接口功能包括:遇到機(jī)器故障等情況時，向系統(tǒng)“控者”提出服務(wù)請求的服務(wù)請求功能;系統(tǒng)“控者”為快速查詢請求服務(wù)裝置而設(shè)置的并行點(diǎn)名功能;用來選擇遠(yuǎn)地工作狀態(tài)或本地工作狀態(tài)的遠(yuǎn)控本控能力;使裝置從總線接收到觸發(fā)信息，以便進(jìn)行觸發(fā)操作的裝置觸發(fā)功能;使儀器裝置接收清除信息并返回到初始狀態(tài)的裝置清除功能等。