GPIB控制器軟件的IP核設計方案詳解

　　隨著網絡技術與通信技術的高速發展，測試儀器和測試技術發生了革命性變化，“網絡就是儀器”確切地概括了測試儀器間的網絡化發展趨勢。組建網絡化測試系統不僅能實現資源共享，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 芯片實現GPIB 控制器的IP 核設計完成芯片NAT 9914 的產權自主化，從而大大降低了開發成本。

　　1 GPIB 控制器方案設計

　　通用接口總線（ General Purpose Interface Bus，GPIB） 使自動化測試儀器的互聯有了統一的標準，極大地推動了自動測試技術的發展。GPIB 總線具有并行總線傳送速度快、有效數據速率高、驅動能力強、通信距離可達20m、抗干擾能力良好及通用性特點，總線上最多可掛接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］，其自動測試系統組建如圖1 所示。

　　圖1 GPIB 控制器組建的自動測試系統框圖

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

　　2 GPIB 控制器IP 核設計的實現

　　2． 1 接口控制電路的工作原理

　　GPIB 總線是一種24 芯的并行無源總線，由8根地線和16 根信號線組成。16 根信號線為8 根數據線（ DIO1 ～ DIO8） 、3 根握手線（ DAV、NRFD、NDAC） 和5 根管理線（ 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 總線的基本原理是將控者作為服務器，利用編程并通過GPIB 總線實現對各個儀器的控制，同時各個儀器也通過操作GPIB 控制芯片來實現與服務器的數據傳輸，其輸出到GPIB 母線上的信號符合IEEE488 標準，從而達到自動控制和測試的目的。

　　2． 2 模塊設計

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

　　2． 2． 1 與GPIB 母線通信的接口功能模塊

　　在GPIB 系統中，把器件與GPIB 總線的一種交互作用定義成一種接口功能，實質上是一組邏輯功能，實現IEEE488 通信協議。該功能模塊是本設計的重點，在接口功能子集的選擇上也有一定的要求，主要實現各子接口功能，即： 源方掛鉤SH、講者T、聽者L、服務請求SRQ 及遠控本控RL 等。各接口模塊功能采用同步MOORE 狀態機（ 只與當前信號有關，與輸入信號無關） 實現。在各子接口模塊功能實現的基礎上，對其進行頂層狀態機設計，即：調用各子模塊，用原理圖方式對其進行互聯式設計，并用VHDL 語言完成對狀態機的描述，實現的邏輯功能如圖2 所示。其中，輸入信號有： GPIB 母線信號（ 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譯碼電路產生，輸出信號對接口功能的狀態進行控制。

　　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現，邏輯圖如圖3 所示。

　　圖3 SH 功能實現的邏輯電路

　　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‘; …

　　…不同種狀態定義…

　　2． 2． 2 數據通路模塊設計

　　其模塊實現微處理器端到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生邏輯功能信號，對控者發送的遠地消息和本地消息譯碼，實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 向儀器發送消息以及接收消息并對數據分析處理等工作。母線上各種動作均是通過PC 機向NAT9914內部寄存器寫入或讀取數據，使接口實現相應的功能變化。

　　2． 4 實驗結果

　　通過對整體系統搭建，完成儀器與總線間的數據傳輸。以AH 與L 功能配合接收GPIB 總線的數據為例分析實驗結果。AH 與L 功能接收數據實驗結果波形如圖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INDATA［7． ． 0］數據端口向地址寄存器ADR 內寫入該儀器在GPIB 總線上的地址11H。在第4 個時鐘下降沿器件收到ATN 信號，表明AH 功能從AIDS 狀態進入ANRS 狀態; 第5 個時鐘下降沿仍然有ATN 信號，表明AH 功能從ANRS 狀態進入ACRS 狀態，同時發出RFD 信號，告訴控制者已經準備好接收GPIB 接口命令; 在6個時鐘下降沿，檢測到總線傳輸的DAV 信號，表明AH 功能從ACRS 狀態進入ACDS 狀態。隨后，系統控制者通過DIO 線發送地址命令31H，通過多線消息譯碼器輸出MLA 信號，在第7 個時鐘下降沿，L 功能在MLA＆ACDS 的作用下從LIDS 進入LADS狀態，表明儀器已經受命于聽者，接收接口消息結束后，便會產生一個T 信號; 在第8 個時鐘下降沿，GPIB 控制器檢測到T 信號，表明AH 功能進入AWNS 狀態，并發出DAC 信號，告訴控制者接口命令接受完畢; 在第9 個時鐘下降沿，系統控制者撤銷DAV 信號和ATN 信號，表明AH 功能進入ANRS 狀態，至此一個三線掛鉤的過程已經完成。在ATN 為0 的作用下，L 功能進入LACS 狀態，此時儀器正式進入聽者狀態。其他傳輸過程與聽者接收數據過程類似，在此不再贅述。

　　3 結束語

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