第四章智能儀器通信接口

第四章智能儀器通信接口第1頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4.1GPIB通用接口總線4.1.1GP-IB標(biāo)準(zhǔn)接口系統(tǒng)概述GP－IB即通用接口總線（GeneralPurposeInterfaceBus）是國(guó)際通用的儀器接口標(biāo)準(zhǔn)。目前生產(chǎn)的智能儀器幾乎無(wú)例外地都配有GP－IB標(biāo)準(zhǔn)接口。國(guó)際通用的儀器接口標(biāo)準(zhǔn)最初由美國(guó)HP公司研制，稱為HP-IB標(biāo)準(zhǔn)。1975年IEEE在此基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，將其規(guī)范化為IEEE－488標(biāo)準(zhǔn)予以推薦。1977年IEC又通過(guò)國(guó)際合作命名為IEC－625國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。此后，這同一標(biāo)準(zhǔn)便在文獻(xiàn)資料中使用了HP－IB，IEEE－488，GP－IB，IEC－IB等多種稱謂，但日漸普遍使用的名稱是GP－IB。

第2頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4.1.1GP-IB標(biāo)準(zhǔn)接口系統(tǒng)概述

GP-IB標(biāo)準(zhǔn)包括接口與總線兩部分：接口部分是由各種邏輯電路組成，與各儀器裝置安裝在一起，用于對(duì)傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行發(fā)送、接收、編碼和譯碼；總線部分是一條無(wú)源的多芯電纜，用做傳輸各種消息。將具有GP-IB接口的儀器用GP-IB總線連接起來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)接口總線系統(tǒng)如圖所示。一、GP-IB標(biāo)準(zhǔn)接口系統(tǒng)的基本特性第3頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

在一個(gè)GP-IB標(biāo)準(zhǔn)接口總線系統(tǒng)中，要進(jìn)行有效的通信聯(lián)絡(luò)至少有“講者”、“聽(tīng)者”、“控者”三類(lèi)儀器裝置。

講者是通過(guò)總線發(fā)送儀器消息的儀器裝置（如測(cè)量?jī)x器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)等），在一個(gè)GP-IB系統(tǒng)中，可以設(shè)置多個(gè)講者，但在某一時(shí)刻，只能有一個(gè)講者在起作用。

聽(tīng)者是通過(guò)總線接收由講者發(fā)出消息的裝置（如打印機(jī)、信號(hào)源等），在一個(gè)GP-IB系統(tǒng)中，可以設(shè)置多個(gè)聽(tīng)者，并且允許多個(gè)聽(tīng)者同時(shí)工作。

控者是數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的組織者和控制者，例如對(duì)其他設(shè)備進(jìn)行尋址或允許“講者”使用總線等?？卣咄ǔＳ捎?jì)算機(jī)擔(dān)任，GPIB系統(tǒng)不允許有兩個(gè)或兩個(gè)以上的控者同時(shí)起作用。一、GP-IB標(biāo)準(zhǔn)接口系統(tǒng)的基本特性控者、講者、聽(tīng)者被稱為系統(tǒng)功能的三要素，對(duì)于系統(tǒng)中的某一臺(tái)裝置可以具有三要素中的一個(gè)、兩個(gè)或全部。GP-IB系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)一般同時(shí)兼有講者、聽(tīng)者與控者的功能。第4頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（1）可以用一條總線互相連接若干臺(tái)裝置，以組成一個(gè)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。系統(tǒng)中裝置的數(shù)目最多不超過(guò)15臺(tái)，互連總線的長(zhǎng)度不超過(guò)20m。（2）數(shù)據(jù)傳輸采用并行比特（位）、串行字節(jié)（位組）雙向異步傳輸方式，其最大傳輸速率不超過(guò)1兆字節(jié)每秒。（3）總線上傳輸?shù)南⒉捎秘?fù)邏輯。低電平（≤＋0.8V）為邏輯“1”，高電平（≥＋2.0V）為邏輯“0”。（4）地址容量。單字節(jié)地址：31個(gè)講地址，31個(gè)聽(tīng)地址；雙字節(jié)地址：961個(gè)講地址，961個(gè)聽(tīng)地址。（5）一般適用于電氣干擾輕微的實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。一、GP-IB標(biāo)準(zhǔn)接口系統(tǒng)的基本特性GP-IB標(biāo)準(zhǔn)接口系統(tǒng)的基本特性如下：第5頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期三總線上傳遞的各種信息通稱為消息。帶標(biāo)準(zhǔn)接口的智能儀器按功能可分為儀器功能和接口功能兩部分，所以消息也有儀器消息和接口消息之分。所謂接口消息是指用于管理接口部分完成各種接口功能的信息，它由控者發(fā)出而只被接口部分所接收和使用。儀器消息是與儀器自身工作密切相關(guān)的信息，它只被儀器部分所接收和使用，雖然儀器消息通過(guò)接口功能進(jìn)行傳遞，但它不改變接口功能的狀態(tài)。接口消息和儀器消息的傳遞范圍如圖所示。

二、GP－IB標(biāo)準(zhǔn)接口的總線結(jié)構(gòu)

第6頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

二、GP－IB標(biāo)準(zhǔn)接口的總線結(jié)構(gòu)

總線是一條24芯電纜，其中16條為信號(hào)線，其余為地線及屏蔽線。電纜兩端是雙列24芯疊式結(jié)構(gòu)插頭。第7頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

（1）8條雙向數(shù)據(jù)總線（DIO1～DIO8）作用：傳遞儀器消息和大部分接口消息，包括數(shù)據(jù)、命令和地址。由于這一標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有專門(mén)的地址總線和控制總線，因此必須用其余兩組信號(hào)線來(lái)區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)總線上信息的類(lèi)型。

（2）3條數(shù)據(jù)掛鉤聯(lián)絡(luò)線（DAV，NRFD和NDAC）作用：控制數(shù)據(jù)總線的時(shí)序，以保證數(shù)據(jù)總線能正確、有節(jié)奏地傳輸信息，這種傳輸技術(shù)稱為三線掛鉤技術(shù)。

（3）5條接口管理控制線（ATN，IFC，REN，EOI和SRQ）作用：控制GP－IB總線接口的狀態(tài)

二、GP－IB標(biāo)準(zhǔn)接口的總線結(jié)構(gòu)

16條信號(hào)線按功能可分為以下三組：第8頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

DAV（DATAVALID）數(shù)據(jù)有效線：當(dāng)數(shù)據(jù)線上出現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)時(shí)，講者置DAV線為低（負(fù)邏輯），示意聽(tīng)者從數(shù)據(jù)線上接收數(shù)據(jù)。

NRFD（NOTREADYFORDATA）數(shù)據(jù)未就緒線：只要被指定為聽(tīng)者的聽(tīng)者中有一個(gè)尚未準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)，NRFD線就為低，示意講者暫不要發(fā)出信息。

NDAC（NOTDATAACCEPTED）數(shù)據(jù)未收到線：只要被指定為聽(tīng)者的聽(tīng)者中有一個(gè)尚未從數(shù)據(jù)總線上接收完數(shù)據(jù)，NDAC就為低，示意講者暫不要撤掉數(shù)據(jù)總線上的信息。三、三線掛鉤原理在GP－IB系統(tǒng)中，每傳遞一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)信息，源方（講者與控者）與受方（聽(tīng)者）之間都要進(jìn)行一次三線掛鉤過(guò)程。三條掛鉤聯(lián)絡(luò)線的定義如下：第9頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（1）聽(tīng)者使NRFD呈高電平，表示已做好接收準(zhǔn)備，總線上所有聽(tīng)者是“線或”連接至NRFD線上，因此只要有一個(gè)聽(tīng)者未做好準(zhǔn)備，NRFD就呈低電平。（2）講者發(fā)現(xiàn)NRFD呈高電平后，就把數(shù)據(jù)放在DIO線上，并令DAV為低電平，表示DIO線上的數(shù)據(jù)已經(jīng)穩(wěn)定且有效。（3）聽(tīng)者發(fā)現(xiàn)DAV線呈低電平，就令NRFD呈低電平，表示準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。（4）在接收數(shù)據(jù)的過(guò)程中，NDAC線一直保持低電平，直至每個(gè)聽(tīng)者都接收完數(shù)據(jù)，才上升為高電平。所有聽(tīng)者也是“線或”接到NDAC線上。（5）當(dāng)講者檢出NDAC為高，就令DAV為高，表示總線上的數(shù)據(jù)不再有效。（6）聽(tīng)者檢出DAV為高電平，就令NDAC再次變?yōu)榈碗娖?，以?zhǔn)備進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)過(guò)程。假定地址已發(fā)送，聽(tīng)者和講者均已受命。三線掛鉤過(guò)程如下：顯然，三線掛鉤技術(shù)可以協(xié)調(diào)快慢不同的設(shè)備可靠地在總線上進(jìn)行信息傳遞。第10頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4.1.2接口功能與接口消息一、儀器功能與接口功能自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中的任何一個(gè)儀器裝置都分為兩部分：一、儀器設(shè)備本身，它產(chǎn)生該儀器裝置所具備的儀器功能；二、接口部分，它產(chǎn)生該儀器裝置所需要的接口功能。

儀器功能的任務(wù)：把收到的控制信息變成儀器設(shè)備的實(shí)際動(dòng)作，如調(diào)節(jié)頻率、調(diào)節(jié)信號(hào)電平、改變儀器的工作方式等等，這與常規(guī)儀器設(shè)備的功能基本相同，不同測(cè)量?jī)x器的儀器功能存在很大差異。接口功能的任務(wù)：完成系統(tǒng)中各儀器設(shè)備之間的通訊，確保系統(tǒng)正常工作。

為保證接口系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化和相容性，各儀器設(shè)備接口的設(shè)計(jì)必須遵照GP－IB標(biāo)準(zhǔn)的各項(xiàng)有關(guān)規(guī)定，不能自行規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)以外的任何新的接口功能。

第11頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4.1.2接口功能與接口消息二、接口功能的配置

一、前述的控者功能（C）、講者功能（T）和聽(tīng)者功能（L）是一個(gè)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中必不可少的三種最基本的功能。二、為使系統(tǒng)可靠進(jìn)行三線掛鉤，又設(shè)置了源掛鉤功能（SH）和受者掛鉤功能（AH）。源掛鉤功能為講者功能和控者功能服務(wù)，它利用DAV控制線向受者掛鉤功能表示發(fā)送的數(shù)據(jù)是否有效；受者掛鉤功能主要為聽(tīng)者功能服務(wù)。它利用NRFD和NDAC控制線向源掛鉤功能表示是否已經(jīng)接收到數(shù)據(jù)。以上五種基本接口功能為系統(tǒng)提供了在正常工作期間使數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠傳輸?shù)哪芰?。但僅此還是不夠的，為了處理測(cè)試過(guò)程中可能遇到的各種問(wèn)題，GP－IB又增加了五種具有相應(yīng)管理能力的接口功能。GP－IB標(biāo)準(zhǔn)把全部邏輯功能概括為十種接口功能：第12頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期三三、五種具有相應(yīng)管理能力的接口功能。

服務(wù)請(qǐng)求功能（SR）：當(dāng)系統(tǒng)中某一裝置在運(yùn)行時(shí)遇到某些情況時(shí)（例如測(cè)量已完畢、出現(xiàn)故障等），能向系統(tǒng)控者提出服務(wù)請(qǐng)求的能力。

并行點(diǎn)名功能（PP）：系統(tǒng)控者為快速查詢請(qǐng)求服務(wù)裝置而設(shè)置的并行點(diǎn)名能力。只有配備PP功能的裝置才能對(duì)控者的并行點(diǎn)名做出響應(yīng)。

遠(yuǎn)控本控功能（R／L）：選擇遠(yuǎn)地和本地兩個(gè)工作狀態(tài)的能力。

裝置觸發(fā)功能（DT）：使裝置能從總線接收到觸發(fā)信息，以便進(jìn)行觸發(fā)操作。在一些要進(jìn)行觸發(fā)操作或同步操作裝置的接口中，必須設(shè)置DT功能。

裝置清除功能（DC）：能使儀器裝置接收清除信息并返回到初始狀態(tài)。系統(tǒng)控者通過(guò)總線命令使那些配置有DC功能的裝置同時(shí)或有選擇地被清除而回到初始狀態(tài)。并非每臺(tái)裝置都必須具有十種接口功能。例如一臺(tái)數(shù)字電壓表要接收程控命令，也發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)，因而一般應(yīng)配置除控者之外的其他的九種功能；一臺(tái)信號(hào)源或打印機(jī)只需“聽(tīng)”，所以通常只需配置AH，L，R/L和DT等接口功能。很顯然，除了控者的其他所有裝置都無(wú)需配置C功能。第13頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期三三、接口消息及編碼按用途來(lái)分，總線上傳遞的消息可分為接口消息和儀器消息兩大類(lèi)。按傳遞的途徑來(lái)分，總線上傳遞的消息可分為本地消息和遠(yuǎn)地消息兩種。遠(yuǎn)地消息是經(jīng)總線傳遞的消息，它可以是儀器消息也可以是接口消息，用三個(gè)大寫(xiě)英文字母表示，如MLA（我的聽(tīng)地址）。本地消息是由儀器本身產(chǎn)生并在儀器內(nèi)部傳遞的消息，用三個(gè)小寫(xiě)英文字母表示，如pon（電源開(kāi)）。按使用信號(hào)線的數(shù)目來(lái)分，總線上傳遞的消息可又分為單線消息和多線消息兩種。用兩條或兩條以上信號(hào)線傳遞的消息稱多線消息，例如各種通令、指令、地址數(shù)據(jù)等。通過(guò)一條信號(hào)線傳輸?shù)南⒎Q為單線消息，例如ATN，IFC等?？偩€消息的分類(lèi)：第14頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期三為確保接口的通用性，接口消息編碼格式必須作出統(tǒng)一明確的規(guī)定。單線接口消息通過(guò)一條信號(hào)線傳輸消息，無(wú)需編碼。多線接口消息是通過(guò)DIO線來(lái)傳輸?shù)南?，需要統(tǒng)一編碼。多線接口消息采用了7位編碼，主要分為通令、指令地址和副令(副地址)四類(lèi)，如表4－1所示。第15頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4.1.3GP－IB標(biāo)準(zhǔn)接口系統(tǒng)的運(yùn)行圖4－4為一個(gè)用于數(shù)據(jù)采集的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)框圖。系統(tǒng)的測(cè)試任務(wù)是測(cè)試火箭上若干部位上的壓力。數(shù)百個(gè)壓力傳感器安置在被測(cè)火箭的各測(cè)試點(diǎn)上，在計(jì)算機(jī)的控制下，掃描器將順序采集到的傳感器輸出信號(hào)送往電橋，電橋?qū)⑤敵龅哪M量送給數(shù)字電壓表去測(cè)量，數(shù)字電壓表又將輸出的數(shù)字量送給計(jì)算機(jī)處理，最后由打印機(jī)將處理后的結(jié)果打印出來(lái)。第16頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期三(1)控制器通過(guò)C功能發(fā)出REN，使系統(tǒng)中所有裝置都處于控者控制之下。(2)控制器通過(guò)C功能發(fā)出IFC，使系統(tǒng)中所有裝置都處于初始狀態(tài)。(3)控制器發(fā)出掃描器的聽(tīng)地址，掃描器接收尋址后成為聽(tīng)者。(4)控制器通過(guò)T功能向掃描器發(fā)命令，使掃描器選擇一個(gè)指定的傳感器。(5)控制器發(fā)出通令UNL，取消掃描器的聽(tīng)受命狀態(tài)。(6)控制器發(fā)出電橋的聽(tīng)地址，電橋接收尋址成為聽(tīng)者后，接收選定傳感器送來(lái)的數(shù)據(jù)。(7)控制器發(fā)出通令UNL，取消電橋的聽(tīng)受命狀態(tài)。(8)控制器發(fā)出電橋的講地址，使電橋成為講者；又發(fā)出數(shù)字電壓表的聽(tīng)地址，使數(shù)字電壓表成為聽(tīng)者。于是數(shù)字電壓表便測(cè)量電橋送來(lái)的測(cè)量信號(hào)。(9)控制器又發(fā)出通令UNL，取消聽(tīng)受命狀態(tài)。(10)控制器發(fā)出數(shù)字電壓表的講地址，電橋講者資格被自動(dòng)取消，數(shù)字電壓表成為講者。(11)控制器使自己成為聽(tīng)者，于是數(shù)字電壓表的測(cè)量結(jié)果就送至計(jì)算機(jī)。(12)計(jì)算機(jī)處理完測(cè)量數(shù)據(jù)后，作為控者清除接口，發(fā)出打印機(jī)的聽(tīng)地址。(13)打印機(jī)打印計(jì)算機(jī)送來(lái)的數(shù)據(jù)。(14)打印機(jī)打印完數(shù)據(jù)后，控制器選擇下一個(gè)壓力傳感器，開(kāi)始新的循環(huán)。系統(tǒng)運(yùn)行的大致工作流程如下：第17頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4.2GP-IB接口電路的設(shè)計(jì)4.2.1GP-IB接口芯片簡(jiǎn)介接口系統(tǒng)的設(shè)計(jì)歸根到底是接口功能的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。為了簡(jiǎn)化接口設(shè)計(jì)，目前已有一些廠家成功地將GP-IB標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的全部接口功能制作在一塊或兩塊大規(guī)模集成電路塊上，使用很方便。通常使用的接口芯片如表4-2所示。（本章重點(diǎn)介紹Intel公司的接口芯片）第18頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期三8291A具有用硬件實(shí)現(xiàn)除控者之外的其余全部9種標(biāo)準(zhǔn)接口功能；具有自動(dòng)三線掛鉤聯(lián)絡(luò)、自動(dòng)管理接口尋址等能力，大大簡(jiǎn)化了接口管理軟件的設(shè)計(jì)。由8個(gè)8位寫(xiě)寄存器和8個(gè)8位讀寄存器組成，這些寄存器相互之間以及與接口功能和譯碼部件之間通過(guò)內(nèi)部總線進(jìn)行聯(lián)系。對(duì)8291A的程控就是通過(guò)對(duì)這些寄存器組進(jìn)行讀／寫(xiě)操作來(lái)完成的。例如，當(dāng)8291被尋址為講者時(shí)，就先將數(shù)據(jù)送到輸出寄存器，然后。再進(jìn)行掛鉤操作，把數(shù)據(jù)送到接口母線上，以便控者進(jìn)行讀取。一、8291A接口芯片4.2.1GP-IB接口芯片簡(jiǎn)介第19頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

面向微處理器總線的信號(hào)端：D0～D7：雙向數(shù)據(jù)總線，RS0～RS2：片內(nèi)寄存器的選擇碼輸入端，CS：片選輸入端，RD，WR：讀、寫(xiě)選通輸入端，INT：中斷請(qǐng)求輸出端，TRIG：觸發(fā)輸出端，CLOCK：時(shí)鐘信號(hào)輸入端，RESET：復(fù)位信號(hào)輸入端，DREQ，DACK：DMA操作請(qǐng)求輸出端、響應(yīng)信號(hào)輸入端等

面向GP－IB標(biāo)準(zhǔn)接口總線的信號(hào)端：DIO1～DIO8：8位標(biāo)準(zhǔn)接口數(shù)據(jù)總線輸入／輸出端，DAV，NRFD，NDAC：掛鉤控制總線信號(hào)的輸入／輸出端，ATN，IFC，REN，SRQ，EOI：為控制管理總線的輸入／輸出端以及雙向端口。上述信號(hào)端借助于收／發(fā)器，便能與標(biāo)準(zhǔn)接口系統(tǒng)有效地交換信息。8291A：40腳雙列直插封裝，引腳安排如圖第20頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期三8292接口芯片僅有控者功能，并且它必須與8291聯(lián)合使用。當(dāng)兩者一起使用時(shí)，可以組合成具有全部十種接口功能的標(biāo)準(zhǔn)接口電路。8292實(shí)質(zhì)上是一片8041單片機(jī)，片內(nèi)ROM固化了一段專門(mén)的程序，使內(nèi)部RAM作為專用寄存器組使用，I／O端口用來(lái)提供總線的各種控制信號(hào)及輔助信號(hào)，以便與8291A有機(jī)地溝通起來(lái)，完成控者的功能。二、8292控者接口芯片

8292：40腳雙列直插封裝，引腳安排如圖

與微處理器相接的信號(hào)端主要有：D0～D7，CS，RD，WR，RESET，A0等

與GP－IB總線相接的信號(hào)端有：DAV（雙向握手信號(hào)，IFC（接口清除信號(hào)輸出端），TCI，SPI，OBFI，IBFI，SRQ，SRQ等第21頁(yè)，共30頁(yè)，2023年，2月20日，星期三為保證接入系統(tǒng)中每個(gè)儀器的接口對(duì)總線所具有的驅(qū)動(dòng)能力都能符合特定的要求，接口芯片必須經(jīng)總線收／發(fā)器。8293總線收／發(fā)器是專門(mén)為配合829