GPIB控制器軟件的IP核設計方案詳解

　　隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)與通信技術(shù)的高速發(fā)展，測試儀器和測試技術(shù)發(fā)生了革命性變化，“網(wǎng)絡(luò )就是儀器”確切地概括了測試儀器間的網(wǎng)絡(luò )化發(fā)展趨勢。組建網(wǎng)絡(luò )化測試系統不僅能實(shí)現資源共享，而且組建系統方便，還可提高測試系統的復雜度，拓寬其應用范圍。筆者采用CPLD 芯片實(shí)現GPIB 控制器的IP 核設計完成芯片NAT 9914 的產(chǎn)權自主化，從而大大降低了開(kāi)發(fā)成本。

　　1 GPIB 控制器方案設計

　　通用接口總線(xiàn)（ General Purpose Interface Bus，GPIB） 使自動(dòng)化測試儀器的互聯(lián)有了統一的標準，極大地推動(dòng)了自動(dòng)測試技術(shù)的發(fā)展。GPIB 總線(xiàn)具有并行總線(xiàn)傳送速度快、有效數據速率高、驅動(dòng)能力強、通信距離可達20m、抗干擾能力良好及通用性特點(diǎn)，總線(xiàn)上最多可掛接15 臺設備并且傳輸速度可以達到8Mbit /s，因此有良好的應用前景［1］，其自動(dòng)測試系統組建如圖1 所示。

　　圖1 GPIB 控制器組建的自動(dòng)測試系統框圖

　　GPIB 控制器IP 核設計采用模塊化思想，主要模塊包括狀態(tài)機模塊、數據通路模塊和譯碼電路模塊。對狀態(tài)機模塊的設計包括8 個(gè)小模塊（ 如源方掛鉤及受方掛鉤等） ，采用VHDL 語(yǔ)言對各個(gè)小模塊進(jìn)行編程實(shí)現，最后調用各子模塊并用原理圖的方式進(jìn)行狀態(tài)機頂層模塊設計，并在Synplify 以及QuartusⅡ平臺進(jìn)行分析和仿真。對數據通路的設計也采用同樣的方式，先對各個(gè)子模塊進(jìn)行設計，然后進(jìn)行整體設計。最后調用狀態(tài)機頂層模塊、數據通路頂層模塊及多線(xiàn)消息譯碼電路模塊等進(jìn)行GPIB 控制器IP 核的頂層設計。完成整個(gè)IPCore設計后，通過(guò)JTAG 下載方式將Core 下載到選定的DE2 專(zhuān)用開(kāi)發(fā)套件CPLD 芯片進(jìn)行通信設置驗證，成功后再搭建硬件，從而得到實(shí)體化GPIB 控制器。

　　2 GPIB 控制器IP 核設計的實(shí)現

　　2． 1 接口控制電路的工作原理

　　GPIB 總線(xiàn)是一種24 芯的并行無(wú)源總線(xiàn)，由8根地線(xiàn)和16 根信號線(xiàn)組成。16 根信號線(xiàn)為8 根數據線(xiàn)（ DIO1 ～ DIO8） 、3 根握手線(xiàn)（ DAV、NRFD、NDAC） 和5 根管理線(xiàn)（ ATN、REN、IFC、EOI、SRQ） 。數據傳輸采用位并行、字節串行的雙向異步傳輸方式。需要注意的是： GPIB 采用的是負邏輯，即低電平（ 不大于0． 8V） 為邏輯1，高電平（ 不小于2． 0V）為邏輯0［2］。

　　GPIB 總線(xiàn)的基本原理是將控者作為服務(wù)器，利用編程并通過(guò)GPIB 總線(xiàn)實(shí)現對各個(gè)儀器的控制，同時(shí)各個(gè)儀器也通過(guò)操作GPIB 控制芯片來(lái)實(shí)現與服務(wù)器的數據傳輸，其輸出到GPIB 母線(xiàn)上的信號符合IEEE488 標準，從而達到自動(dòng)控制和測試的目的。

　　2． 2 模塊設計

　　GPIB 控制器的設計主要包括3 個(gè)模塊： 接口功能模塊、多線(xiàn)消息譯碼器和數據通路模塊。

　　2． 2． 1 與GPIB 母線(xiàn)通信的接口功能模塊

　　在GPIB 系統中，把器件與GPIB 總線(xiàn)的一種交互作用定義成一種接口功能，實(shí)質(zhì)上是一組邏輯功能，實(shí)現IEEE488 通信協(xié)議。該功能模塊是本設計的重點(diǎn)，在接口功能子集的選擇上也有一定的要求，主要實(shí)現各子接口功能，即： 源方掛鉤SH、講者T、聽(tīng)者L、服務(wù)請求SRQ 及遠控本控RL 等。各接口模塊功能采用同步MOORE 狀態(tài)機（ 只與當前信號有關(guān)，與輸入信號無(wú)關(guān)） 實(shí)現。在各子接口模塊功能實(shí)現的基礎上，對其進(jìn)行頂層狀態(tài)機設計，即：調用各子模塊，用原理圖方式對其進(jìn)行互聯(lián)式設計，并用VHDL 語(yǔ)言完成對狀態(tài)機的描述，實(shí)現的邏輯功能如圖2 所示。其中，輸入信號有： GPIB 母線(xiàn)信號（ ATN、DAV、IFC、REN、NDAC、NRFD、EOI、SRQ） ，多線(xiàn)消息（ MTA、MLA、OTA、LLO、GTL、GET、DCL、SDC、UNL、SPD、SPE） ，輔助寄存器產(chǎn)生的內部消息及本地消息（ swrst、lon、rsv、ton） 等。這些輸入的信號均通過(guò)譯碼電路產(chǎn)生，輸出信號對接口功能的狀態(tài)進(jìn)行控制。

　　圖2 與GPIB 母線(xiàn)通信功能邏輯

　　下面以源方掛鉤SH 為例說(shuō)明其邏輯的實(shí)現，邏輯圖如圖3 所示。

　　圖3 SH 功能實(shí)現的邏輯電路

　　主要代碼為：

　　IF RESET = ‘1’OR（ NOT ATN AND NOT（ LACS

　　OR LADS） ） = ‘1’THEN C_ST ＜ = ST1; RFD ＜

　　= ‘1’; DAC ＜ = ‘1’;

　　AIDS ＜ = ‘ 1’; ANRS ＜ = ‘ 0’; ACRS ＜ = ‘ 0’;

　　AWNS ＜ = ‘0’; ACDS ＜ = ‘0’;

　　ELSIF CLK‘EVENT AND CLK = ’0‘ THEN

　　CASE C_ST IS

　　WHEN ST1 = ＞ IF ATN = ’1‘OR LACS = ’1‘OR

　　LADS = ’1‘THEN C_ST ＜ = ST2; RFD ＜ = ’0‘;

　　DAC ＜ = ’0‘; AIDS ＜ = ’0‘; ANRS ＜ = ’1‘; …

　　ELSE C_ST ＜ = ST1; RFD ＜ = ’1‘; DAC ＜ = ’1‘;

　　AIDS ＜ = ’0‘; …WHEN …． ELSIF DAV = ’1‘ THEN C_ST ＜ = ST4;

　　RFD ＜ = ’0‘; …

　　ELSE C_ST ＜ = ST2; RFD ＜ = ’0‘; DAC ＜ = ’0‘; …

　　…不同種狀態(tài)定義…

　　2． 2． 2 數據通路模塊設計

　　其模塊實(shí)現微處理器端到GPIB 接口功能端的數據，對控制器內部寄存器進(jìn)行讀、寫(xiě)操作。

　　2． 2． 3 多線(xiàn)消息譯碼器電路

　　譯碼電路的目的是產(chǎn)生邏輯功能信號，對控者發(fā)送的遠地消息和本地消息譯碼，實(shí)現各接口功能的控制。

　　2． 3 程序設計

　　程序設計主要完成接口初始化、主控PC 向儀器發(fā)送消息以及接收消息并對數據分析處理等工作。母線(xiàn)上各種動(dòng)作均是通過(guò)PC 機向NAT9914內部寄存器寫(xiě)入或讀取數據，使接口實(shí)現相應的功能變化。

　　2． 4 實(shí)驗結果

　　通過(guò)對整體系統搭建，完成儀器與總線(xiàn)間的數據傳輸。以AH 與L 功能配合接收GPIB 總線(xiàn)的數據為例分析實(shí)驗結果。AH 與L 功能接收數據實(shí)驗結果波形如圖4 所示。

　　圖4 受方接收數據波形

　　由圖4 可以看出，在信號WRITE 及地址RS［2． ． 0］= 010（ ADR 在寄存器中的地址） 的作用下，儀器通過(guò)INDATA［7． ． 0］數據端口向地址寄存器ADR 內寫(xiě)入該儀器在GPIB 總線(xiàn)上的地址11H。在第4 個(gè)時(shí)鐘下降沿器件收到ATN 信號，表明AH 功能從AIDS 狀態(tài)進(jìn)入ANRS 狀態(tài); 第5 個(gè)時(shí)鐘下降沿仍然有ATN 信號，表明AH 功能從ANRS 狀態(tài)進(jìn)入ACRS 狀態(tài)，同時(shí)發(fā)出RFD 信號，告訴控制者已經(jīng)準備好接收GPIB 接口命令; 在6個(gè)時(shí)鐘下降沿，檢測到總線(xiàn)傳輸的DAV 信號，表明AH 功能從ACRS 狀態(tài)進(jìn)入ACDS 狀態(tài)。隨后，系統控制者通過(guò)DIO 線(xiàn)發(fā)送地址命令31H，通過(guò)多線(xiàn)消息譯碼器輸出MLA 信號，在第7 個(gè)時(shí)鐘下降沿，L 功能在MLA＆ACDS 的作用下從LIDS 進(jìn)入LADS狀態(tài)，表明儀器已經(jīng)受命于聽(tīng)者，接收接口消息結束后，便會(huì )產(chǎn)生一個(gè)T 信號; 在第8 個(gè)時(shí)鐘下降沿，GPIB 控制器檢測到T 信號，表明AH 功能進(jìn)入AWNS 狀態(tài)，并發(fā)出DAC 信號，告訴控制者接口命令接受完畢; 在第9 個(gè)時(shí)鐘下降沿，系統控制者撤銷(xiāo)DAV 信號和ATN 信號，表明AH 功能進(jìn)入ANRS 狀態(tài)，至此一個(gè)三線(xiàn)掛鉤的過(guò)程已經(jīng)完成。在A(yíng)TN 為0 的作用下，L 功能進(jìn)入LACS 狀態(tài)，此時(shí)儀器正式進(jìn)入聽(tīng)者狀態(tài)。其他傳輸過(guò)程與聽(tīng)者接收數據過(guò)程類(lèi)似，在此不再贅述。

　　3 結束語(yǔ)

　　實(shí)驗證明，由GPIB 控制器構成的自動(dòng)測試系統具有自動(dòng)采集數據、速度快及效率高等特點(diǎn)，其核心部件采用IP 核設計具有可移植性，可開(kāi)發(fā)周期短、成本低，改變了傳統儀器手工操作及單臺使用等缺點(diǎn)，并為計算機與儀器儀表相結合的自動(dòng)測試系統向智能化、標準化發(fā)展提供了有力的媒介。