基于CPLD的GPIB控制器

1. 引言：

1.1 用 CPLD 實(shí)現(xiàn) GPIB 控制芯片的意義

綜觀現(xiàn)今市場(chǎng)上的測(cè)試儀器，不難發(fā)現(xiàn) GPIB 總線有重要的作用，在研制臺(tái)式測(cè)試儀器 的時(shí)候，客戶幾乎均要求具備 GPIB 接口?？墒窃趯?shí)際研發(fā)過程中，卻發(fā)現(xiàn) GPIB 控制芯片很難購(gòu)買，而且價(jià)格昂貴。而且作為測(cè)試儀器具備 GPIB 的接口，一般只需要具有聽、講、串查功能，而不需要控、并查功能，這樣又會(huì)造成資源與功能的浪費(fèi)。所以我們嘗試用 CPLD來(lái)實(shí)現(xiàn) GPIB 接口的聽、講、串查功能，不僅可擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，節(jié)省了產(chǎn)品的成本，而 且具有很大的靈活性。

1.2 GPIB 控制芯片簡(jiǎn)介：

GPIB 也叫 HPIB，是一個(gè)數(shù)字化的 24 腳并行總線，由 16 條信號(hào)線和 8 條地線組成。這16 條信號(hào)線分為 8 條數(shù)據(jù)線、5 條控制線和 3 條握手線。8 條數(shù)據(jù)線：從 DIO1 到 DIO8，用 來(lái)傳送命令、地址和數(shù)據(jù)；5 條控制線：分別為 ATN 線、IFC 線、REN 線、SRQ 線和 EOI 線，用來(lái)管理通過接口的有序信息流；3 條握手線：DAV 線、NRFD 線和 NDAC 線，用于控制設(shè)備之間消息字節(jié)的傳送。發(fā)送消息方（源方）和接收消息方（受方）利用這 3 條握手線進(jìn)行三線掛鉤，以保證數(shù)據(jù)線上的消息（命令或數(shù)據(jù)）能準(zhǔn)確無(wú)誤地傳送。

在 GPIB 系統(tǒng)中，把器件與 GPIB 總線的一種交互作用定義成一種接口功能。GPIB 標(biāo)準(zhǔn) 接口共定義了 10 種接口功能。

1.3 設(shè)計(jì)軟件及設(shè)計(jì)芯片的選擇

開發(fā)工具采用 ALTERA 公司的 MAXplusⅡ10.0。MAXplusⅡ開發(fā)工具是美國(guó) Altera 公司 自行設(shè)計(jì)的一種 EDA 軟件工具，它具有原理圖輸入和文本輸入(采用硬件描述語(yǔ)言)兩種輸入手段，配備有編輯、編譯、仿真、綜合、芯片編程等功能。

Altera 公司是世界上從事可編程邏輯芯片生產(chǎn)的幾家主要廠商之一，其 MAX3000A 系列 可編程邏輯芯片速度快，容量大，性價(jià)比高。我們選用的 EPM3256ATC144-10，擁有 256個(gè)宏單元，144 個(gè)管腳，可自定義使用的管腳達(dá) 116 個(gè)，4.5ns 的傳輸延時(shí)完全能滿足要求。

2. GPIB 控制器各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)

我們可以把整個(gè)系統(tǒng)劃分為幾個(gè)子系統(tǒng)。其中包括和微處理器接口的讀寫電路，與 GPIB母線通信的接口功能，以及內(nèi)部寄存器。對(duì)每個(gè)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也可以采用向下分解為模塊級(jí)

設(shè)計(jì)，這樣在調(diào)試和組件系統(tǒng)時(shí)，不僅具有很強(qiáng)的靈活性，而且方便代碼的調(diào)試以及利于代 碼的重利用。與微處理器接口的讀寫電路設(shè)計(jì)可以利用組合邏輯電路設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)，其基本 模塊，如：譯碼電路，讀寫電路，相對(duì)比較成熟，在設(shè)計(jì)的時(shí)候只要對(duì)其基本功能深刻理解的基礎(chǔ)上容易實(shí)現(xiàn)。與 GPIB 母線通信的子系統(tǒng)設(shè)計(jì)是本課題設(shè)計(jì)的重點(diǎn)也是難點(diǎn)，它不僅 需要對(duì) IEEE488 協(xié)議有深刻的認(rèn)識(shí)，而且在接口功能子集的選擇上也有一定的要求。

2.1 微處理器（MCU）接口電路

微處理器（MCU）接口包括提供正確的寄存器訪問地址的譯碼電路，以及連同 WE 和DBIN 一起構(gòu)成的訪問 GPIB 控制器的讀寫電路，NCS 用來(lái)選通地址譯碼。地址譯碼電路以 及數(shù)據(jù)讀寫電路在數(shù)字電路設(shè)計(jì)中是最為成熟的電路，在此不作更多深入的闡述。值得注意

的是 GPIB 控制器的讀寫信號(hào)并不是通常意義上的 RD 和 WR 信號(hào)，而是由 DBIN 和 WE 信 號(hào)完成。而且，對(duì) 13 個(gè)寄存器的譯碼也用的僅僅是 RS[0:2]，這就需要和 DBIN 信號(hào)的配合來(lái)完成譯碼功能。

2.2 內(nèi)部寄存器

GPIB 控制器（參考 NAT9914）的內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)有 13 個(gè)寄存器，其中 7 個(gè)可寫寄存器，6 個(gè)只讀寄存器。它們都是八位的，其中可讀寄存器有中斷狀態(tài)寄存器 0（ISR0）、中斷狀態(tài) 寄存器 1（ISR1）、地址狀態(tài)寄存器（ASR）、總線狀態(tài)寄存器（BSR）、命令通過寄存器（CPR）、 數(shù)據(jù)輸入寄存器（DIR）；可寫寄存器有中斷屏蔽寄存器 0（IMR0）、中斷屏蔽寄存器 1（IMR1）、地址寄存器（ADR）、輔助命令寄存器（AUXCR）、串行查詢寄存器（SPR）、并行查找寄存器（PPR）、數(shù)據(jù)輸出寄存器（CDOR）。在 GPIB 控制芯片的設(shè)計(jì)中對(duì)這十三個(gè)寄存器進(jìn)行 詳細(xì)的描述。本模塊的設(shè)計(jì)采用圖形方式，利用參數(shù)化模塊庫(kù)實(shí)現(xiàn)各個(gè)寄存器。

2.3 接口功能

GPIB 標(biāo)準(zhǔn)接口共定義了 10 種接口功能。每一個(gè)接口功能由一組或多組相互聯(lián)系而又相 互排斥的狀態(tài)來(lái)定義。在一個(gè)時(shí)刻，一組互聯(lián)又互斥的狀態(tài)中必須有一個(gè)而且也僅又一個(gè)狀態(tài)在起作用。在 IEEE488 協(xié)議中對(duì)接口功能的每一個(gè)狀態(tài)還做了兩方面的規(guī)定：

1．當(dāng)某個(gè)狀態(tài)在起作用時(shí)，在接口上可以或必須發(fā)送的消息；

2．在什么條件下接口功能必須脫離某一狀態(tài)而進(jìn)入同一組狀態(tài)的另一個(gè)狀態(tài)； 這些因素決定了狀態(tài)的處理能力。接口功能狀態(tài)圖給出了全部狀態(tài)以及從一個(gè)狀態(tài)變遷到另一個(gè)狀態(tài)一切可能的途徑。由于篇幅的限制，下面以受方掛鉤接口功能 AH 功能為例， 來(lái)介紹功能模塊的實(shí)現(xiàn)過程及原理。受方掛鉤功能賦予器件保證正確地接收遠(yuǎn)地多線消息地能力。一個(gè)源方掛鉤功能與一個(gè)或多個(gè)受方掛鉤功能（分別含于各個(gè)器件中）的鏈鎖掛鉤序

列保證每個(gè)消息拜特的異步傳遞。受方掛鉤功能可以延遲多線消息傳遞的開始或結(jié)束，直到 器件準(zhǔn)備好繼續(xù)參與傳遞過程為止。狀態(tài)圖如圖 1：

圖 1 AH 功能狀態(tài)圖

其狀態(tài)轉(zhuǎn)換的 VHDL 語(yǔ)言描述如下：

process(c_state,n_state)

begin AIDS='0';ANRS='0';AWNS='0';ACDS='0';ACRS='0'; case c_state is

when s1=>AIDS='1';NRFD='1';NDAC='1';

IF (ATN OR LACS OR LADS)='1' then n_state=s2;

else n_state=s1; end if;

when s2=>ANRS='1';NRFD='0';NDAC='0';

IF ((ATN OR rdy) and not tcs)= '1' then n_state=s3;

elsif DAV='1' then n_state=s5;

else n_state=s2; end if;

when s3=>ACRS='1';NRFD='1';NDAC='0'; IF DAV='1' then n_state=s4;

ELSIF (NOT ATN AND NOT rdy)='1' THEN n_state=s2;

else n_state=s3; end if;

when s4=>ACDS='1';NRFD='0';NDAC='0';

IF ((ATN AND T3) OR (NOT ATN AND NOT rdy))='1' THEN n_state=s5;

else n_state=s4; end if;

when s5=>AWNS='1';NRFD='0';NDAC='1'; IF DAV='0' then n_state=s2;

else n_state=s5; end if;

end case;

end process； 根據(jù)儀器的具體要求，由于大多數(shù)測(cè)試系統(tǒng)只要求被遠(yuǎn)控，并不要求控功能，而并查功

能在系統(tǒng)組建中屬于可選項(xiàng)，很少用到，為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)，設(shè)計(jì)中徹底去掉此兩項(xiàng)功能。其他

功能模塊包括：講者功能（T）、聽者功能（L）、源方掛鉤功能（SH）、受方掛鉤功能（AH）、 服務(wù)請(qǐng)求功能（SR）、、遠(yuǎn)控本控功能（RL）、設(shè)備觸發(fā)功能（DT）和設(shè)備清除功能（DC）。

其設(shè)計(jì)原理與 AH 相同，在這里就不做詳細(xì)論述。

2.4 輔助命令譯碼器與多線消息譯碼器

1．輔助命令譯碼器通過對(duì)輔助命令寄存器 F0 到 F4 位的譯碼來(lái)生成輔助命令。 輔助命令共有 stactic 和 pulse 兩種,即靜態(tài)和脈沖兩種信號(hào)，靜態(tài)命令用電平的高低來(lái)表示。而動(dòng)態(tài)命令則通過一個(gè)周期的方波脈沖信號(hào)來(lái)產(chǎn)生，要求脈沖命令至少在寫完輔助命令 寄存器后保持一個(gè)周期。我們通過 VHDL 語(yǔ)言來(lái)完成本模塊的設(shè)計(jì)。

2．多線消息是處于相互排斥的編碼集中但又公用一組信號(hào)線來(lái)傳遞的消息。在母線上，

每一時(shí)刻只能傳遞一條多線消息（一個(gè)消息拜特）。多線消息在遠(yuǎn)地消息譯碼單元內(nèi)進(jìn)行譯碼。 在這個(gè)譯碼單元，通過消息傳遞單元（DIO 線）來(lái)接收母線上的消息。消息譯碼單元僅在命令工作方式下（ATN=真）期間起作用。這樣的接口消息可能是地址、通令、專令或副令之一。

在數(shù)據(jù)工作方式（ATN=假）中，數(shù)據(jù)線上攜帶器件消息，這時(shí)譯碼單元不起作用。在本 GPIB

控制器設(shè)計(jì)中，此模塊還包含了地址比較器，這樣可以得到內(nèi)部狀態(tài)機(jī)所需的與地址相關(guān)的 信號(hào)。用 VHDL 語(yǔ)言完成其設(shè)計(jì)，并例化成模塊。

2.5 三態(tài) I/O 通道

需要注意的是芯片數(shù)據(jù)通道中八條數(shù)據(jù)線與控制數(shù)據(jù)流向的八條控制線都是雙向的，所以必須對(duì) I/O 通道進(jìn)行設(shè)置。實(shí)現(xiàn)雙向總線，就需要使用可編程邏輯器件的雙向口構(gòu)造雙向

三態(tài)總線。三態(tài)總線的實(shí)現(xiàn)，需要使用三態(tài)緩沖器，實(shí)現(xiàn)高、低電平和高阻三個(gè)狀態(tài)。基于ALTERA 公司的 CPLD 系列器件的特點(diǎn)，我們?cè)谠O(shè)計(jì)的時(shí)候，內(nèi)部避免使用雙向的三態(tài)總線， 將雙向的信號(hào)分別直接引到外部。在外部設(shè)計(jì)雙向三態(tài)總線。設(shè)計(jì)中采用圖形方式輸入，利用參數(shù)化模塊庫(kù)(LPM)實(shí)現(xiàn)。這種方法尤為清晰簡(jiǎn)便。如圖所示：

圖 2 三態(tài)總線的實(shí)現(xiàn)

在這里用 TE 信號(hào)來(lái)作為三態(tài)總線的方向控制信號(hào)。不考慮控功能，當(dāng)本設(shè)備處于并行點(diǎn) 名狀態(tài)，或者作為非命令數(shù)據(jù)的源接受方時(shí)，TE 信號(hào)為真，即 TE=PPAS+~SIDS。

2.6 GPIB 總線中的三線掛鉤技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

三線掛鉤技術(shù)是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，因?yàn)樵诳偩€傳輸中，所有的命令和數(shù)據(jù)的傳送都要通過三線掛鉤來(lái)實(shí)現(xiàn)。

GPIB 總線中的三線掛鉤技術(shù)（DAV、NRFD、NDAC）可以自動(dòng)適應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)中各種不 同器件的傳輸速率。源方作為講者或者控者的器件，發(fā) DAV 消息。受方作為聽者的器件，發(fā)NRFD、NDAC 消息。三條握手線，DAV 線、NRFD 線和 NDAC 線，用于控制設(shè)備之間消息 字節(jié)的傳送。發(fā)送消息方（源方）和接收消息方（受方）利用這 3 條握手線進(jìn)行三線掛鉤，以保證數(shù)據(jù)線上的消息（命令或數(shù)據(jù)）能準(zhǔn)確無(wú)誤地傳送。

圖 4 本設(shè)計(jì)三線掛鉤仿真圖

通過對(duì)系統(tǒng)的仿真，對(duì)比 NI 公司的 GPIB 控制器 NAT9914 數(shù)據(jù)手冊(cè)上的三線掛鉤的時(shí)序圖可以看出，本設(shè)計(jì)成功地實(shí)現(xiàn)了三線掛鉤的要求。

2.7 系統(tǒng)調(diào)試

調(diào)試是軟硬件設(shè)計(jì)過程中必不可少的一環(huán)。最終程序通過 ByteBlaster 專用下載電纜下載EPM3256ATC144-10 芯片中，將下載好程序地 CPLD 取代原來(lái)系統(tǒng)中的 NAT9914 進(jìn)行在線 調(diào)試。通過反復(fù)的試驗(yàn)，成功地實(shí)現(xiàn)了 CPLD 替代 GPIB 控制器的大部分功能。

3. 結(jié) 論

本文的創(chuàng)新點(diǎn)：采用低成本的 CPLD 器件替代了價(jià)格昂貴，且難以購(gòu)買的 GPIB 控制芯片， 成功的實(shí)現(xiàn)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的 IP CORE，并且所有核心模塊完全采用 VHDL 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)， 能夠在不同的開發(fā)環(huán)境上移植，可以根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境，對(duì)其進(jìn)行進(jìn)行剪裁和優(yōu)化，不僅大大節(jié)省了成本，而且具有很大的靈活性。