GPIB控制器軟件的IP核設(shè)計(jì)方案詳解

　　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，從而大大降低了開發(fā)成本。

　　1 GPIB 控制器方案設(shè)計(jì)

　　通用接口總線（ 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 總線具有并行總線傳送速度快、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JTAG 下載方式將Core 下載到選定的DE2 專用開發(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 總線是一種24 芯的并行無(wú)源總線，由8根地線和16 根信號(hào)線組成。16 根信號(hào)線為8 根數(shù)據(jù)線（ DIO1 ～ DIO8） 、3 根握手線（ DAV、NRFD、NDAC） 和5 根管理線（ 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 總線的基本原理是將控者作為服務(wù)器，利用編程并通過GPIB 總線實(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、多線消息譯碼器和數(shù)據(jù)通路模塊。

　　2． 2． 1 與GPIB 母線通信的接口功能模塊

　　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，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 母線信號(hào)（ ATN、DAV、IFC、REN、NDAC、NRFD、EOI、SRQ） ，多線消息（ 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 母線通信功能邏輯

　　下面以源方掛鉤SH 為例說明其邏輯的實(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

　　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(shù)據(jù)通路模塊設(shè)計(jì)

　　其模塊實(shí)現(xiàn)微處理器端到GPIB 接口功能端的數(shù)據(jù)，對(duì)控制器內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀、寫操作。

　　2． 2． 3 多線消息譯碼器電路

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

　　2． 3 程序設(shè)計(jì)

　　程序設(shè)計(jì)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(duì)數(shù)據(jù)分析處理等工作。母線上各種動(dòng)作均是通過PC 機(jī)向NAT9914內(nèi)部寄存器寫入或讀取數(shù)據(jù)，使接口實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能變化。

　　2． 4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　通過對(duì)整體系統(tǒng)搭建，完成儀器與總線間的數(shù)據(jù)傳輸。以AH 與L 功能配合接收GPIB 總線的數(shù)據(jù)為例分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。AH 與L 功能接收數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果波形如圖4 所示。

　　圖4 受方接收數(shù)據(jù)波形

　　由圖4 可以看出，在信號(hào)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INDATA［7． ． 0］數(shù)據(jù)端口向地址寄存器ADR 內(nèi)寫入該儀器在GPIB 總線上的地址11H。在第4 個(gè)時(shí)鐘下降沿器件收到ATN 信號(hào)，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(hào)，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(hào)，告訴控制者已經(jīng)準(zhǔn)備好接收GPIB 接口命令; 在6個(gè)時(shí)鐘下降沿，檢測(cè)到總線傳輸?shù)腄AV 信號(hào)，表明AH 功能從ACRS 狀態(tài)進(jìn)入ACDS 狀態(tài)。隨后，系統(tǒng)控制者通過DIO 線發(fā)送地址命令31H，通過多線消息譯碼器輸出MLA 信號(hào)，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)受命于聽者，接收接口消息結(jié)束后，便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)T 信號(hào); 在第8 個(gè)時(shí)鐘下降沿，GPIB 控制器檢測(cè)到T 信號(hào)，表明AH 功能進(jìn)入AWNS 狀態(tài)，并發(fā)出DAC 信號(hào)，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(tǒng)控制者撤銷DAV 信號(hào)和ATN 信號(hào)，表明AH 功能進(jìn)入ANRS 狀態(tài)，至此一個(gè)三線掛鉤的過程已經(jīng)完成。在ATN 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)入聽者狀態(tài)。其他傳輸過程與聽者接收數(shù)據(jù)過程類似，在此不再贅述。

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　實(shí)驗(yàn)證明，由GPIB 控制器構(gòu)成的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)具有自動(dòng)采集數(shù)據(jù)、速度快及效率高等特點(diǎn)，其核心部件采用IP 核設(shè)計(jì)具有可移植性，可開發(fā)周期短、成本低，改變了傳統(tǒng)儀器手工操作及單臺(tái)使用等缺點(diǎn)，并為計(jì)算機(jī)與儀器儀表相結(jié)合的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)向智能化、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展提供了有力的媒介。