GPIB控制器软件的IP核设计方案详解

　　随着网络技术与通信技术的高速发展，测试仪器和测试技术发生了革命性变化，“网络就是仪器”确切地概括了测试仪器间的网络化发展趋势。组建网络化测试系统不仅能实现资源共享，而且组建系统方便，还可提高测试系统的复杂度，拓宽其应用范围。笔者采用CPLD 芯片实现GPIB 控制器的IP 核设计完成芯片NAT 9914 的产权自主化，从而大大降低了开发成本。

　　1 GPIB 控制器方案设计

　　通用接口总线（ General Purpose Interface Bus，GPIB） 使自动化测试仪器的互联有了统一的标准，极大地推动了自动测试技术的发展。GPIB 总线具有并行总线传送速度快、有效数据速率高、驱动能力强、通信距离可达20m、抗干扰能力良好及通用性特点，总线上最多可挂接15 台设备并且传输速度可以达到8Mbit /s，因此有良好的应用前景［1］，其自动测试系统组建如图1 所示。

　　

　　图1 GPIB 控制器组建的自动测试系统框图

　　GPIB 控制器IP 核设计采用模块化思想，主要模块包括状态机模块、数据通路模块和译码电路模块。对状态机模块的设计包括8 个小模块（ 如源方挂钩及受方挂钩等） ，采用VHDL 语言对各个小模块进行编程实现，最后调用各子模块并用原理图的方式进行状态机顶层模块设计，并在Synplify 以及QuartusⅡ平台进行分析和仿真。对数据通路的设计也采用同样的方式，先对各个子模块进行设计，然后进行整体设计。最后调用状态机顶层模块、数据通路顶层模块及多线消息译码电路模块等进行GPIB 控制器IP 核的顶层设计。完成整个IPCore设计后，通过JTAG 下载方式将Core 下载到选定的DE2 专用开发套件CPLD 芯片进行通信设置验证，成功后再搭建硬件，从而得到实体化GPIB 控制器。

　　2 GPIB 控制器IP 核设计的实现

　　2． 1 接口控制电路的工作原理

　　GPIB 总线是一种24 芯的并行无源总线，由8根地线和16 根信号线组成。16 根信号线为8 根数据线（ DIO1 ～ DIO8） 、3 根握手线（ DAV、NRFD、NDAC） 和5 根管理线（ ATN、REN、IFC、EOI、SRQ） 。数据传输采用位并行、字节串行的双向异步传输方式。需要注意的是： GPIB 采用的是负逻辑，即低电平（ 不大于0． 8V） 为逻辑1，高电平（ 不小于2． 0V）为逻辑0［2］。

　　GPIB 总线的基本原理是将控者作为服务器，利用编程并通过GPIB 总线实现对各个仪器的控制，同时各个仪器也通过操作GPIB 控制芯片来实现与服务器的数据传输，其输出到GPIB 母线上的信号符合IEEE488 标准，从而达到自动控制和测试的目的。

　　2． 2 模块设计

　　GPIB 控制器的设计主要包括3 个模块： 接口功能模块、多线消息译码器和数据通路模块。

　　2． 2． 1 与GPIB 母线通信的接口功能模块

　　在GPIB 系统中，把器件与GPIB 总线的一种交互作用定义成一种接口功能，实质上是一组逻辑功能，实现IEEE488 通信协议。该功能模块是本设计的重点，在接口功能子集的选择上也有一定的要求，主要实现各子接口功能，即： 源方挂钩SH、讲者T、听者L、服务请求SRQ 及远控本控RL 等。各接口模块功能采用同步MOORE 状态机（ 只与当前信号有关，与输入信号无关） 实现。在各子接口模块功能实现的基础上，对其进行顶层状态机设计，即：调用各子模块，用原理图方式对其进行互联式设计，并用VHDL 语言完成对状态机的描述，实现的逻辑功能如图2 所示。其中，输入信号有： GPIB 母线信号（ ATN、DAV、IFC、REN、NDAC、NRFD、EOI、SRQ） ，多线消息（ MTA、MLA、OTA、LLO、GTL、GET、DCL、SDC、UNL、SPD、SPE） ，辅助寄存器产生的内部消息及本地消息（ swrst、lon、rsv、ton） 等。这些输入的信号均通过译码电路产生，输出信号对接口功能的状态进行控制。

　　

　　图2 与GPIB 母线通信功能逻辑

　　下面以源方挂钩SH 为例说明其逻辑的实现，逻辑图如图3 所示。

　　

　　图3 SH 功能实现的逻辑电路

　　主要代码为：

　　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‘; …

　　…不同种状态定义…

　　2． 2． 2 数据通路模块设计

　　其模块实现微处理器端到GPIB 接口功能端的数据，对控制器内部寄存器进行读、写操作。

　　2． 2． 3 多线消息译码器电路

　　译码电路的目的是产生逻辑功能信号，对控者发送的远地消息和本地消息译码，实现各接口功能的控制。

　　2． 3 程序设计

　　程序设计主要完成接口初始化、主控PC 向仪器发送消息以及接收消息并对数据分析处理等工作。母线上各种动作均是通过PC 机向NAT9914内部寄存器写入或读取数据，使接口实现相应的功能变化。

　　2． 4 实验结果

　　通过对整体系统搭建，完成仪器与总线间的数据传输。以AH 与L 功能配合接收GPIB 总线的数据为例分析实验结果。AH 与L 功能接收数据实验结果波形如图4 所示。

　　

　　图4 受方接收数据波形

　　由图4 可以看出，在信号WRITE 及地址RS［2． ． 0］= 010（ ADR 在寄存器中的地址） 的作用下，仪器通过INDATA［7． ． 0］数据端口向地址寄存器ADR 内写入该仪器在GPIB 总线上的地址11H。在第4 个时钟下降沿器件收到ATN 信号，表明AH 功能从AIDS 状态进入ANRS 状态; 第5 个时钟下降沿仍然有ATN 信号，表明AH 功能从ANRS 状态进入ACRS 状态，同时发出RFD 信号，告诉控制者已经准备好接收GPIB 接口命令; 在6个时钟下降沿，检测到总线传输的DAV 信号，表明AH 功能从ACRS 状态进入ACDS 状态。随后，系统控制者通过DIO 线发送地址命令31H，通过多线消息译码器输出MLA 信号，在第7 个时钟下降沿，L 功能在MLA＆ACDS 的作用下从LIDS 进入LADS状态，表明仪器已经受命于听者，接收接口消息结束后，便会产生一个T 信号; 在第8 个时钟下降沿，GPIB 控制器检测到T 信号，表明AH 功能进入AWNS 状态，并发出DAC 信号，告诉控制者接口命令接受完毕; 在第9 个时钟下降沿，系统控制者撤销DAV 信号和ATN 信号，表明AH 功能进入ANRS 状态，至此一个三线挂钩的过程已经完成。在ATN 为0 的作用下，L 功能进入LACS 状态，此时仪器正式进入听者状态。其他传输过程与听者接收数据过程类似，在此不再赘述。

　　3 结束语

　　实验证明，由GPIB 控制器构成的自动测试系统具有自动采集数据、速度快及效率高等特点，其核心部件采用IP 核设计具有可移植性，可开发周期短、成本低，改变了传统仪器手工操作及单台使用等缺点，并为计算机与仪器仪表相结合的自动测试系统向智能化、标准化发展提供了有力的媒介。