GPIB口介紹-智能儀器通信接口.ppt

1、4.1 GPIB通用接口總線 4.2 GPIB接口電路的設計 4.3 串行通信總線 4.4 串行通信接口電路的設計,第4章 智能儀器通信接口,智能儀器一般都設置通信接口，以便能夠實現(xiàn)程控，方便用戶構成自動測試系統(tǒng)。為了使不同廠家生產(chǎn)的任何型號的儀器都可以直接用一條無源電纜連接起來，世界各國都在按同一標準設計智能儀器的通信接口電路。目前國際上采用的儀器標準接口有GP-IB，CAMAC，RS232，USB等， 本章將對智能儀器普遍使用的GP-IB標準和最基本的串行總線RS-232標準予以介紹。,4.1 GPIB通用接口總線,4.1.1 GP-IB 標準接口系統(tǒng)概述,GPIB即通用接口總線（Gene

2、ral Purpose Interface Bus） 是國際通用的儀器接口標準。目前生產(chǎn)的智能儀器幾乎無例外地都配有GPIB標準接口。 國際通用的儀器接口標準最初由美國HP公司研制，稱為HP-IB標準。 1975年IEEE在此基礎上加以改進，將其規(guī)范化為IEEE488標準予以推薦。1977年IEC又通過國際合作命名為IEC625國際標準。此后，這同一標準便在文獻資料中使用了HPIB，IEEE488，GPIB，IECIB等多種稱謂，但日漸普遍使用的名稱是GPIB。,4.1.1 GP-IB 標準接口系統(tǒng)概述,GP-IB標準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，

3、用于對傳輸?shù)男畔⑦M行發(fā)送、接收、編碼和譯碼；總線部分是一條無源的多芯電纜，用做傳輸各種消息。將具有GP-IB接口的儀器用GP-IB總線連接起來的標準接口總線系統(tǒng)如圖所示。,一、 GP-IB標準接口系統(tǒng)的基本特性,在一個GP-IB標準接口總線系統(tǒng)中，要進行有效的通信聯(lián)絡至少有“講者”、“聽者”、“控者”三類儀器裝置。 講者是通過總線發(fā)送儀器消息的儀器裝置（ 如測量儀器、數(shù)據(jù)采集器、計算機等），在一個GP-IB系統(tǒng)中，可以設置多個講者， 但在某一時刻，只能有一個講者在起作用。 聽者是通過總線接收由講者發(fā)出消息的裝置（如打印機、信號源等），在一個GP-IB系統(tǒng)中，可以設置多個聽者，并且允許多個聽者同

4、時工作。 控者是數(shù)據(jù)傳輸過程中的組織者和控制者，例如對其他設備進行尋址或允許“講者”使用總線等?？卣咄ǔＳ捎嬎銠C擔任，GPIB系統(tǒng)不允許有兩個或兩個以上的控者同時起作用。,一、 GP-IB標準接口系統(tǒng)的基本特性,控者、講者、聽者被稱為系統(tǒng)功能的三要素，對于系統(tǒng)中的某一臺裝置可以具有三要素中的一個、兩個或全部。GP-IB系統(tǒng)中的計算機一般同時兼有講者、聽者與控者的功能。,（1） 可以用一條總線互相連接若干臺裝置，以組成一個自動測試系統(tǒng)。 系統(tǒng)中裝置的數(shù)目最多不超過15臺，互連總線的長度不超過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1兆字

5、節(jié)每秒。 （3） 總線上傳輸?shù)南⒉捎秘撨壿?。低電平?.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個講地址，31個聽地址；雙字節(jié)地址：961個講地址，961個聽地址。 （5） 一般適用于電氣干擾輕微的實驗室和生產(chǎn)現(xiàn)場。,一、 GP-IB標準接口系統(tǒng)的基本特性,GP-IB標準接口系統(tǒng)的基本特性如下：,總線上傳遞的各種信息通稱為消息。帶標準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

6、切相關的信息，它只被儀器部分所接收和使用，雖然儀器消息通過接口功能進行傳遞，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、 GPIB標準接口的總線結構,二、 GPIB標準接口的總線結構,總線是一條24芯電纜，其中16條為信號線，其余為地線及屏蔽線。電纜兩端是雙列24芯疊式結構插頭。,（1） 8條雙向數(shù)據(jù)總線（DIO1DIO8） 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。由于這一標準沒有專門的地址總線和控制總線，因此必須用其余兩組信號線來區(qū)分數(shù)據(jù)總線上信息的類型。 （2） 3條數(shù)據(jù)掛鉤聯(lián)絡線（DAV，NRFD和NDAC） 作用：控制數(shù)據(jù)總線的時序，以保證

7、數(shù)據(jù)總線能正確、有節(jié)奏地傳輸信息，這種傳輸技術稱為三線掛鉤技術。 （3）5條接口管理控制線（ATN，IFC，REN，EOI和SRQ） 作用：控制GPIB總線接口的狀態(tài),二、 GPIB標準接口的總線結構,16條信號線按功能可分為以下三組： ,DAV（DATA VALID） 數(shù)據(jù)有效線： 當數(shù)據(jù)線上出現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)時，講者置DAV線為低（負邏輯），示意聽者從數(shù)據(jù)線上接收數(shù)據(jù)。 NRFD（NOT READY FOR DATA） 數(shù)據(jù)未就緒線： 只要被指定為聽者的聽者中有一個尚未準備好接收數(shù)據(jù)，NRFD線就為低，示意講者暫不要發(fā)出信息。 NDAC（NOT DATA ACCEPTED）數(shù)據(jù)未收到線： 只要

8、被指定為聽者的聽者中有一個尚未從數(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GPIB系統(tǒng)中，每傳遞一個字節(jié)的數(shù)據(jù)信息，源方（講者與控者）與受方（聽者）之間都要進行一次三線掛鉤過程。 三條掛鉤聯(lián)絡線的定義如下： ,（1） 聽者使NRFD呈高電平，表示已做好接收準備，總線上所有聽者是“線或”連接至NRFD線上，因此只要有一個聽者未做好準備，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） 聽者發(fā)現(xiàn)DAV線呈低電平，就令NRFD呈低電平，表示準備接收

9、數(shù)據(jù)。 （4） 在接收數(shù)據(jù)的過程中，NDAC線一直保持低電平，直至每個聽者都接收完數(shù)據(jù)，才上升為高電平。所有聽者也是“線或”接到NDAC線上。 （5） 當講者檢出NDAC為高，就令DAV為高，表示總線上的數(shù)據(jù)不再有效。 （6） 聽者檢出DAV為高電平，就令NDAC再次變?yōu)榈碗娖剑?以準備進行下一個循環(huán)過程。,假定地址已發(fā)送，聽者和講者均已受命。三線掛鉤過程如下：,顯然，三線掛鉤技術可以協(xié)調快慢不同的設備可靠地在總線上進行信息傳遞。,4.1.2 接口功能與接口消息 ,一、 儀器功能與接口功能,自動測試系統(tǒng)中的任何一個儀器裝置都分為兩部分： 一、儀器設備本身，它產(chǎn)生該儀器裝置所具備的儀器功能； 二

10、、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：把收到的控制信息變成儀器設備的實際動作，如調節(jié)頻率、調節(jié)信號電平、改變儀器的工作方式等等，這與常規(guī)儀器設備的功能基本相同，不同測量儀器的儀器功能存在很大差異。 接口功能的任務：完成系統(tǒng)中各儀器設備之間的通訊，確保系統(tǒng)正常工作。 為保證接口系統(tǒng)的標準化和相容性，各儀器設備接口的設計必須遵照GPIB標準的各項有關規(guī)定，不能自行規(guī)定標準以外的任何新的接口功能。,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）和聽者功能（L）是一個自動測試系統(tǒng)中必不可少的三種最基本的功能。 二、為使系統(tǒng)可靠

11、進行三線掛鉤，又設置了源掛鉤功能（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，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者功能服務。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)準確可靠傳輸?shù)哪芰?。但僅此還是不夠的，為了處理測試過程中可能遇到的各種問題，GPIB又增加了五種具有相應管理能力的接口功能。,GPIB標準把全部邏輯功能概括為十種接口功能：,三、五種具有相應管理能力的接口功能。 服務請求功能（SR）： 當系統(tǒng)中某一裝置在運行時遇到某些情況時（ 例如測量已完

12、畢、出現(xiàn)故障等），能向系統(tǒng)控者提出服務請求的能力。 并行點名功能（PP）： 系統(tǒng)控者為快速查詢請求服務裝置而設置的并行點名能力。只有配備PP功能的裝置才能對控者的并行點名做出響應。 遠控本控功能（RL）：選擇遠地和本地兩個工作狀態(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，以便進行觸發(fā)操作。在一些要進行觸發(fā)操作或同步操作裝置的接口中，必須設置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)控者通過總線命令使那些配置有DC功能的裝置同時或有選擇地被清除而回到初始狀態(tài)。 ,并非每臺裝置都必須具有十種接口功能。例如一臺數(shù)字電壓表要接收程控命令，也

13、發(fā)送測量數(shù)據(jù)，因而一般應配置除控者之外的其他的九種功能；一臺信號源或打印機只需“聽”，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需配置C功能。,三、 接口消息及編碼,按用途來分，總線上傳遞的消息可分為接口消息和儀器消息兩大類。 按傳遞的途徑來分，總線上傳遞的消息可分為本地消息和遠地消息兩種。遠地消息是經(jīng)總線傳遞的消息，它可以是儀器消息也可以是接口消息，用三個大寫英文字母表示，如MLA（我的聽地址）。本地消息是由儀器本身產(chǎn)生并在儀器內部傳遞的消息， 用三個小寫英文字母表示，如pon（電源開）。 按使用信號線的數(shù)目來分，總線上傳遞的消息可又分為單線消息和

14、多線消息兩種。用兩條或兩條以上信號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。通過一條信號線傳輸?shù)南⒎Q為單線消息，例如ATN，IFC等。,總線消息的分類：,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。單線接口消息通過一條信號線傳輸消息，無需編碼。多線接口消息是通過DIO線來傳輸?shù)南ⅲ?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，如表41所示。,4.1.3 GPIB 標準接口系統(tǒng)的運行,圖44為一個用于數(shù)據(jù)采集的自動測試系統(tǒng)框圖。 系統(tǒng)的測試任務是測試火箭上若干部位上的壓力。數(shù)百個壓力傳感器安置在被測火箭的各測試點上，在

15、計算機的控制下，掃描器將順序采集到的傳感器輸出信號送往電橋，電橋將輸出的模擬量送給數(shù)字電壓表去測量，數(shù)字電壓表又將輸出的數(shù)字量送給計算機處理，最后由打印機將處理后的結果打印出來。,(1) 控制器通過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)出掃描器的聽地址，掃描器接收尋址后成為聽者。 (4) 控制器通過T功能向掃描器發(fā)命令，使掃描器選擇一個指定的傳感器。 (5) 控制器發(fā)出通令UNL，取消掃描器的聽受命狀態(tài)。 (6) 控制器發(fā)出電橋的聽地址，電橋接收尋址成為聽者后，接收選定傳感器送來的數(shù)據(jù)。 (

16、7) 控制器發(fā)出通令UNL，取消電橋的聽受命狀態(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)字電壓表的聽地址，使數(shù)字電壓表成為聽者。于是數(shù)字電壓表便測量電橋送來的測量信號。 (9) 控制器又發(fā)出通令UNL，取消聽受命狀態(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取消，數(shù)字電壓表成為講者。 (11) 控制器使自己成為聽者，于是數(shù)字電壓表的測量結果就送至計算機。 (12) 計算機處理完測量數(shù)據(jù)后，作為控者清除接口，發(fā)出打印機的聽地址。 (13) 打印機打印計算機送來的數(shù)據(jù)。 (14) 打印機打印完數(shù)據(jù)后，控制器選擇下一個壓力傳感器，開始新的循環(huán)。,系統(tǒng)運行的大致

17、工作流程如下：,4.2 GP- IB 接口電路的設計,4.2.1 GP- IB 接口芯片簡介,接口系統(tǒng)的設計歸根到底是接口功能的實現(xiàn)問題。為了簡化接口設計，目前已有一些廠家成功地將GP-IB標準規(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。,（本章重點介紹Intel公司的接口芯片）,8291A具有用硬件實現(xiàn)除控者之外的其余全部9種標準接口功能；具有自動三線掛鉤聯(lián)絡、自動管理接口尋址等能力，大大簡化了接口管理軟件的設計。,由8個8位寫寄存器和8個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內部總線進行聯(lián)系。 對8291

18、A的程控就是通過對這些寄存器組進行讀寫操作來完成的。例如，當8291被尋址為講者時，就先將數(shù)據(jù)送到輸出寄存器，然后。再進行掛鉤操作，把數(shù)據(jù)送到接口母線上，以便控者進行讀取。,一、 8291A接口芯片,4.2.1 GP- IB 接口芯片簡介,面向微處理器總線的信號端： D0D7：雙向數(shù)據(jù)總線，RS0RS2：片內寄存器的選擇碼輸入端，CS：片選輸入端，RD，WR ：讀、寫選通輸入端，INT：中斷請求輸出端，TRIG： 觸發(fā)輸出端，CLOCK： 時鐘信號輸入端，RESET： 復位信號輸入端，DREQ，DACK ：DMA操作請求輸出端、響應信號輸入端等 面向GPIB標準接口總線的信號端： DIO1 D

19、IO8 ：8位標準接口數(shù)據(jù)總線輸入輸出端，DAV ，NRFD ，NDAC ：掛鉤控制總線信號的輸入輸出端，ATN，IFC，REN，SRQ，EOI： 為控制管理總線的輸入輸出端以及雙向端口。 上述信號端借助于收發(fā)器，便能與標準接口系統(tǒng)有效地交換信息。,8291A：40腳雙列直插封裝，引腳安排如圖,表 8291A內部寄存器一覽表,8292接口芯片僅有控者功能，并且它必須與8291聯(lián)合使用。當兩者一起使用時， 可以組合成具有全部十種接口功能的標準接口電路。 8292實質上是一片8041單片機，片內ROM固化了一段專門的程序，使內部RAM作為專用寄存器組使用，IO端口用來提供總線的各種控制信號及輔助信

20、號，以便與8291A有機地溝通起來，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端主要有：D0D7，CS，RD ，WR，RESET， A0等 與GPIB總線相接的信號端有：DAV（雙向握手信號，IFC（接口清除信號輸出端），TCI，SPI，OBFI， IBFI， SRQ，SRQ等,為保證接入系統(tǒng)中每個儀器的接口對總線所具有的驅動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)器是專門為配合8291A，8292接口芯片而設計的。,三、 8293總線收發(fā)器,8293內部包括9路收發(fā)通道和適應不同工作模式的附加電路， 每路的收發(fā)方向可由TR來控制。接收時采用施密特電路以增強抗干擾能力，發(fā)送時選用OC方式或三態(tài)方式。8293可預置成四種模式之一。,4.2.2 智能儀器的 GP- IB 接口設計,單獨使用8291就可以為智能儀器組成功能相當齊全的GP-IB接口。 右圖示出了某智能LCR測試儀