GPIB控制器軟件的IP核設(shè)計(jì)

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與通信技術(shù)的高速發(fā)展，測(cè)試儀器和測(cè)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(cè)試儀器間的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展趨勢(shì)。組建網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)資源共享，而且組建系統(tǒng)方便，還可提高測(cè)試系統(tǒng)的復(fù)雜度，拓寬其應(yīng)用范圍。筆者采用CPLD 芯片實(shí)現(xiàn)GPIB 控制器的IP 核設(shè)計(jì)完成芯片NAT 9914 的產(chǎn)權(quán)自主化，從而大大降低了開(kāi)發(fā)成本。

1 GPIB 控制器方案設(shè)計(jì)

通用接口總線(xiàn)( General Purpose Interface Bus，GPIB) 使自動(dòng)化測(cè)試儀器的互聯(lián)有了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，極大地推動(dòng)了自動(dòng)測(cè)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(shù)據(jù)速率高、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、通信距離可達(dá)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(tái)設(shè)備并且傳輸速度可以達(dá)到8Mbit /s，因此有良好的應(yīng)用前景[1]，其自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)組建如圖1 所示。

圖1 GPIB 控制器組建的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)框圖

GPIB 控制器IP 核設(shè)計(jì)采用模塊化思想，主要模塊包括狀態(tài)機(jī)模塊、數(shù)據(jù)通路模塊和譯碼電路模塊。對(duì)狀態(tài)機(jī)模塊的設(shè)計(jì)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(duì)各個(gè)小模塊進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，最后調(diào)用各子模塊并用原理圖的方式進(jìn)行狀態(tài)機(jī)頂層模塊設(shè)計(jì)，并在Synplify 以及QuartusⅡ平臺(tái)進(jìn)行分析和仿真。對(duì)數(shù)據(jù)通路的設(shè)計(jì)也采用同樣的方式，先對(duì)各個(gè)子模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行整體設(shè)計(jì)。最后調(diào)用狀態(tài)機(jī)頂層模塊、數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)。完成整個(gè)IPCore設(shè)計(jì)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(shè)置驗(yàn)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(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

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(hào)線(xiàn)組成。16 根信號(hào)線(xiàn)為8 根數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸采用位并行、字節(jié)串行的雙向異步傳輸方式。需要注意的是: GPIB 采用的是負(fù)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(xiàn)對(duì)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(xiàn)與服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸，其輸出到GPIB 母線(xiàn)上的信號(hào)符合IEEE488 標(biāo)準(zhǔn)，從而達(dá)到自動(dòng)控制和測(cè)試的目的。

2. 2 模塊設(shè)計(jì)

GPIB 控制器的設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)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(tǒng)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(xiàn)IEEE488 通信協(xié)議。該功能模塊是本設(shè)計(jì)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(xiàn)各子接口功能，即: 源方掛鉤SH、講者T、聽(tīng)者L、服務(wù)請(qǐng)求SRQ 及遠(yuǎn)控本控RL 等。各接口模塊功能采用同步MOORE 狀態(tài)機(jī)( 只與當(dāng)前信號(hào)有關(guān)，與輸入信號(hào)無(wú)關(guān)) 實(shí)現(xiàn)。在各子接口模塊功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行頂層狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)，即:調(diào)用各子模塊，用原理圖方式對(duì)其進(jìn)行互聯(lián)式設(shè)計(jì)，并用VHDL 語(yǔ)言完成對(duì)狀態(tài)機(jī)的描述，實(shí)現(xiàn)的邏輯功能如圖2 所示。其中，輸入信號(hào)有: GPIB 母線(xiàn)信號(hào)( 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(nèi)部消息及本地消息( swrst、lon、rsv、ton) 等。這些輸入的信號(hào)均通過(guò)譯碼電路產(chǎn)生，輸出信號(hào)對(duì)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(xiàn)，邏輯圖如圖3 所示。

圖3 SH 功能實(shí)現(xiàn)的邏輯電路