（测试计量技术及仪器专业论文）网络化监控系统的设计与实现.pdf

南京邮电太学硕士研究生学位论文抽要 摘要 随着计算机技术、微电子技术、通信技术、网络技术与仪器技术的深入发展和结合，网 络化测试技术已成为现代测试技术的一大趋势。网络化测试技术改进了传统的测试仪器和测 试手段，提高了测试系统的工作效率，有效降低了测试系统成本。作为远程监控的必然发展 方向，迈进自动化测试系统重要阶段。有鉴于此，网络化监控系统技术必然具有极大的研究 价值和广泛的市场应用前景。 本文主要利用嵌入式系统技术，实现基于g p i b 仪器的网络化监控系统。文中第一章简要 介绍了远程监控技术背景以及最新的国内外相关研究发展情况；第二章概述了g p i b 协议演 进历史，着重说明了其协议特点及总线技术；第三章论述了嵌入式系统平台选择，讨论了a r m 微处理器以及u c l i n u x 操作系统的关键技术；第四章在以上理论基础上，针对g p i b 仪器提 出网络化监控系统具体设计方案，详细阐述了系统设计开发过程，包括g p i b 接口卡设计及 驱动程序开发，u c l i n u x 操作系统的移植过程，s o c k e t 网络通信程序编写，p c 主控软件的设 计开发。 结果表明该系统是一种低成本的、可靠的、可移植性的网络化监控系统产品与方案，具 有较高的实用价值和应用前景。文中提出的系统设计和开发流程适用于其他仪器的网络化监 控系统开发，具有一定的参考价值。 关键词：g p i b i e e e 4 8 8 ，u c l i n u x ，a r m ，s 3 c 4 4 8 0 x ，t c p i p , s o c k e t ，e t h e r n e t 嵌入式，远程监控，网络化测试，自动化测试系统。 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e t o p m e n to ft h et e c h n i q u eo fc o m p u t e r , m i c r o e l e c t r o n i c c o m m u n i c a t i o n ， n e t w o r ka n ds oo n ，t h et e s t i n gb ym e a n so fn e t w o r kh a sb e c o m eam a j o rt r e n do ft h e m o d e r nt e s t i n gt e c h n o l o g y a sa ni n e v i t a b l ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no fr e m o t em o n i t o r t e c h n o l o g ya n dac e r t a i ns t a g eo fa u t o m a t i ct e s t i n gs y s t e m ，t h e r ei sag r e a tr e s e a r c hv a l u e i nt h ef i e l do fn e t w o r k e dt e s t i n g b a s e do nt h eb a c k g r o u n da b o v e ，t h i sp a p e rc a r r i e do na n e x p l o r a t i o no fa p p l i c a t i o ni nt h i sf i e l d w ea c h i e v e das y s t e mw h i c hc o u l dm o n i t o rg p i b i n s t r u m e n t sv i ae t h e r n e ts u r p p o r tb ye m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g y a tt h eb e g i n n i n go ft h i sp a p e r , w ed e s c r i b e dt h eb a c k g r o u n da n dd e v e l o p m e n to ft h e r e s e a r c hi no u rc o u n t r ya n da b o a r d s e c o n d l y ，w ei n t r o d u c e dt h eh i s t o r yo fg p i bp r o t o c 0 1 e s p e c i a l l y t h eg p i b t e c h n o l o g i e s t h i r d l y , w ef o r m u l a t e d t h ef o u n d a t i o no fa r m m i c r o c o n t r o l l e ra n dt h ek e yt e c h n o l o g i e so fu c l i n u xe m b e d d e do s b a s e do nt h e s e p r o t o c o l sa n dt e c h n o l o g i e s 。w ep u tf o r w a r dac o n c r e t es c h e m et om o n i t o rg p i b i n s t r u m e n t sv i ae t h e r n e t ，a n de l a b o r a t e dt h ed e s i g no fg p i bi n t e r f a c ec a r da n di t sd i r v e r s t h et r a n s p l a n to fu c l i n u xe m b e d d e do s t h ed e v e l o p m e n to ft c p i pc o m m u n i c a t i o n m o d u l ea n du s e ro p e r a t i n gi n t e r f a c eu n d e rp c p l a t f o r m a sar e s u l t ，t h i ss y s t e mp r o v i d e dal o w - c o s t ，r e l i a b l e p o r t a b l ep r o d u c ta n dt h ea c h e m ef o r t h en e t w o r k e dt e s t i n gt e c h n o l o g 矿t h i ss y s t e mh a sag r e a tv a l u ei n a p p l i c a t i o na n dah i g h p r o p e c to fm a r k e t i n g a n dt h em e t h o da n dt h ed e s i g nf l o wp r o p o s e db yt h i sp a p e rh a v ea c e r t a i nr e f e r e n c ev a l u ef o rd e v e l o p m e n to fo t h e rt e s t i n gs y s t e m k e yw o r d ：g p i b ，i e e e 4 8 8 ，u c l i n u x ，a r m s 3 c 4 4 8 0 x 。t c p i p ，s o c k e t e t h e r n e t e m b e d d e ds y s t e m 。r e m o t em o n i t o r n e t w o r k e dt e s t i n g a u t o m a t i ct e s t i n gs y s t e m 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学测试计量技术及仪器 研究方向： 虚拟仪器在通信信息系统中的应用 作 者：二塑旦级研究生陈雪峰指导教师至要 题目：网络化监控系统的设计与实现 英文题目：d e s i g na n dr e a l i z a t i o no fn e t w o r k e ds u p e r v i s i o na n d m e a s u r e m e n ts y s t e m 主题词： k e y w o r d s g p i bi e e e 4 8 8u c l i n u xa r m $ 3 c 4 4 8 0 x t c p i ps o c k e te t h e r n e t嵌入式远程监控 网络化测试自动化测试系统 g p i bi e e e 4 8 8u c l i n u xa r m $ 3 c 4 4 8 0 x t c p i ps o c k e te t h e r n e te m b e d d e ds y s t e m r e m o t em o n i t o rn e t w o r k e dt e s t i n g a u t o m a t i ct e s t i n gs y s t e m 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名 僻吼迸半哆 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 始盼臌：粤吼 姬一乡 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 网络化监控系统的设计与实现 第一章绪论 g p i b 通用接口是测试仪器最常用的接口，通过g p i b 接口组建自动测试系统方便且费用 低廉。利用现有的i n t e r n e t 网络资源、嵌入式系统技术实现g p i b 仪器网络化监控，对传统 测试手段的改进是一种很有意义的探索。 1 1 本论文研究背景 从上个世纪9 0 年代以来，随着科学技术的迅速发展，人们的生产行为、生活方式都发生 了重大的变化，作为生活、生产中非常重要的一项技术即监控技术的重要性正在逐渐被人们 所认识和重视。 监控系统的演变，是一个从集中监控向网络监控的发展历史。早期的监控系统，采用大 型仪表集中对各个重要设备的状态进行监视，并通过操作盘来进行集中式操作。而计算机监 控系统是以监测控制计算机为主体，加上检测装置、执行机构与被监测控制的对象共同构成 的整体。在该系统中，计算机实现了生产过程的检测、监督和控制功能。随着生产力的进步， 设备的分布越来越离散单一，各自独立的监测系统已不能适应工业化的需求，于是便产生了 分布式系统。这种系统以计算机网络为基础，使系统资源分配趋于合理。但是由于目前运行 的绝大多数分布式监测系统还只是在局域网上，通常的测控仅局限于同一地点，所以具有一 定的地域局限性。 目前，越来越多的企业集团呈跨地域的发展趋势，利用网络技术实现远程监控，对企业 降低生产成本，提高劳动生产率，提高企业产品的科技含量，以及增强企业的综合竞争实力 等方面都具有十分重要的意义。 1 2 国内外发展情况与趋势 网络化监控是本地计算机通过网络系统如i n t e r n e t i n t r a n e t ，对远端测试系统进行监视和 控制，完成对分散控制网络的状态监控及设备的诊断维护等功能，我们通常把能够实现远程 监控的通信媒体、计算机软件、硬件系统称为网络化监控系统。 网络化监控是国内外研究的前沿课题，国内外都展开了积极的研究。1 9 9 7 年1 月，首届 基于i n t e m e t 的远程监控诊断工作会议由斯坦福大学和麻省理工学院联合主办，有来自3 0 个 公司和研究机构的5 0 多位代表到会。会议主要讨论了有关远程监控系统开放式体系、诊断信 l 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一覃绪论 息规程、传输协议及对用户的合法限制等，并对未来技术发展作了展望由斯坦福大学和麻省 理工学院合作开发基于i n t e r n e t 的下一代远程监控诊断示范系统，这项工作同时也得到了制 造业、计算机业和仪器仪表业的s u n 、h p 、b o e i n g 、i n t e l 、f o r d 等1 2 家大公司的热情支持 和通力配合。之后，由这些公司共同推出了一个实验性的系统t e s t b e d 。t e s t b e d 用嵌入式 w e b 组网、用实时j a v a 和b a y e s i a nn e t 初步形成在i n t e r n e t 范围内的信息监控和诊断推理。 另外，许多国际组织，如m i m o s a ( m a c h i n ei n f o r m a t i o nm a n a g e m e n to p e ns y s t e m a l l i a n c e ) 、s m f p t ( s o c i e t yf o rm a c h i n e r yf a i l u r ep r e v e n t i o nt e c h n o l o g y ) 、c o m a d e m ( c o n d i t i o nm o n i t i o na ne n g i n e e r i n gm a n a g e m e n t ) 等，也纷纷通过网络进行设备监控与故障 诊断咨询和技术推广工作，并制定了一些信息交换格式和标准。许多大公司也在他们的产品 中加入了i n t e r n e t 的功能，如b e n t l e y 公司的计算机在线设备运行监测系统d a t a m a n a g e r 2 0 0 可以通过网络动态数据交换( n e t d d e ) 的方式向远程终端发送设备运行状态信息：著名的 n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司也在它的产品l a b w i n d o w s ，c v i 以及l a b v l e w 中加入了网络通讯 处理模块，因而可以通过w w w 、f t p 、e m a i l 方式在网络范围内进行监控数据的传送。 国内对于网络化监控技术也开展了积极的研究。目前，西安交大、华中科技大学、哈尔 滨工业大学、南京理工大学等高校已取得了较为先进的研究成果。如西安交通大学研制的大 型旋转机械计算机状态监测系统及故障诊断系统r m m d 、华中科技大学开发的汽轮机工况监 测和诊断系统k b g m d 、哈尔滨工业大学的微计算机化机组状态监视与故障诊断专家系统 m m m d e s 等。 目前网络化监控技术的主流是应用i n t e m e t 技术和成熟的嵌入式系统技术，在t c p i p 协 议和 f 规范的支持下，合理组织软件结构，使工作人员通过访问网络服务器来迅速获取 自己权限下的所有信息并及时做出响应。嵌入式监控系统可以使信息实现本地化处理，改善 服务器性能，同时又使每一个设备具备上网与服务功能，即每一个设备都可以独立进行服务， 从而大大提高监控的质量和范围。网络技术和嵌入式技术必将用于远程监控系统上，是监控 系统未来发展方向之一。 1 3 本论文主要工作 就现实状况来说，i n t e m e t 网络环境成熟、稳定、可靠，嵌入式技术更是在a r m 出现后 得到了前所未有的广泛应用。本文主要基于a r m 嵌入式硬件系统平台，在u c l i n u x 操作系统 支持下，p c 主控软件经由e t h e r n e t 实现对g p i b 仪器的远程监控。该系统提供了一种低成 本、可靠的网络化监控系统技术的产品与方案。 塑塞塑皇丕兰塑主婴塞皇兰堡堡苎 墨二至堕堡 息规程、传输协议及对用户的合法限制等，并对未来技术发展作了展望由斯坦福大学和麻省 理工学院合作开发基于i n t e r n e t 的下代远程监控诊断示范系统，这项工作同时也得到了制 造、瞅计算机、止和仪器仪表业的s u n 、h p 、b o e i n g 、i n t e l 、f or d 等1 2 家大公司的热情支持 和通力配合。之后，由这些公司共同推出了 个实验性的系统t e s t b e d 。t e s t b e d 用嵌入式 w e b 组网、用宴时j a v a 和b a y e s i a n n e t 初步形成在i n t e r n e t 范围内的信息监控和诊断推理。 另外，许多国际组织，如m i m o s a ( m a c h i n ei n f o r m a t i o nm a n a g e m e n to p e ns y s t e m a l l i a n c e ) 、s m f p t ( s o c i e t yt o rm a c h i n e r yf a i l u r ep r e v e n t i o nt e c h n o l o g y ) 、c o m a d e m f c o n d f i o nm o n i t i o na ne n g i n e e r i n gm a n a g e m e n t ) 等，也纷纷通过网络进行设备监控与故障 诊断咨询和技术推厂工作，并制定了一些信息变换格式和标准。许多大公司也在他们的产品 中加入了i n t e r n e t 的功能，如b e n t l e y 公司的计算机在线设备运行监测系统d a t a m a n a g e r 2 0 0 可以通过网络动态数据交换( n e t d d e ) 的方式向远程终端发送设备运行状态信息；著名的 n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司也在它的产品l a b w i n d o w s c v i 蚍及l a b v i e w 中加入了网络通讯 处理模块，因而可以通过w w w 、f t p 、e m a i l 方式在网络范倒内进行监控数据的传送。 国内对于网络化监控技术也开展了积极的研究。目前，西安交大、华中科按大学、哈尔 滨工业大学、南京理工大学等高校己取得了较为先进的研究成果。如西安交通大学研制的大 型旋转机械计算机状态监测系统及故障诊断系统r m m d 、华中科技大学开发的汽轮机工况监 测和诊断系统k b g m d 、哈尔滨工业大学的微计算机化机组状态监视与故障诊断专家系统 m m m d e s 等。 目前网络化监控技术的主流是应用i n t e m e t 技术和成熟的嵌入式系统技术在t c p i i p 协 议和w w w 规范的支持下，合理组织软件结构，使工作人员通过访问网络服务器来迅速获取 自己权限下的所有信息并及时做出响应。嵌入式监控系统可以使信息实现本地化处理，改善 服务器性能，同时又使每一个设备具备上网与服务功能，即每一个设备都可以独立进行服务， 从而大大提高监控的质量和范围。网络技术和嵌入式技术必将用于远程监控系统上，是监控 系统未来发展方向之一。 1 ，3 本论文主要工作 就现实状况来说，i n t e r n e t 网络环境成熟、稳定、可靠，嵌八式技术更是在a r m 出现后 得到了前所未有的广泛应用。本文主要基于a r m 嵌入式硬件系统平台，在u c l i n u x 操作系统 支持下，p c 主控软件经由e t h e m e t 实现对g p i b 仪器的远程监控。该系统提供了一种低成 本、可靠的网络化监控系统技术的产品与方案。 本、可靠的网络化监控系统技术的产品与方案。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第= 章g p i b 协议 第二章g p i b 协议 自动测试系统是在计算机应用日益普及与测量仪器和设备程控化、数字化不断进步的基 础上发展起来的。但是，由于计算机和各种测量仪器在数据的表示方法和传输方式，消息的 编码方式和传递速度，逻辑关系和逻辑电平，连接方式和负载能力等各卜方面都有相当大的 差异。因此要使计算机和可程控仪器组成的自动测试系统能够按照预先编制的程序正常运行， 完成指定的测试任务，就必须首先解决仪器之间，仪器与计算机之间各种信息的传输通道和 方法，也就是解决接口系统问题。最终目的就是建立一种国际通用的，统一的，适用于所有 仪器的“标准化接口系统”。为了实现这一目标，在2 0 世纪6 0 年代末到7 0 年代。世界各国 都致力于通用仪器接口技术的研究，并取得了成功。 g p i b 仪器系统是现代测量技术与计算机技术相结合的个范例。它成功地将可编程仪器 和计算机紧密联系起来，使得电子测量仪器由独立的，手工操作的，单台式的仪器向组成大 规模自动测试系统方向前进了一大步，使得自动化测试中仪器的互连有了统一的标准，极大 的推动自动测试技术的发展。 2 ig p i b 协议演迸 1 9 7 2 年，美国h p 公司首先研究成功一种实用的仪器接口系统。该系统采用母线型连接， 以异步通信方式并用三线挂钩技术来保证仪器之间能正确地传递信息，从而奠定了通用接口 系统的基础。同年秋天，美国咨询委员会将h p 公司的这种接口系统推荐给i e c ( i 雾际电工委 员会) ，建议作为一种初步的标准化方案。其后为适应国际标准化的需要，h p 公司对原先方 案作了一些修改，并于1 9 7 4 年定名为h p 一旧，意思是h p 公司的接口母线。1 9 7 7 年，i e c 公布了一个标准化文件l e g 一6 2 5 1 ，为可程控测量仪器的接口系统制定了一种切实可行的标 准，对该接口系统应具备的功能，电气性能，机械性能等都做了统一规定。其后，i e c 又对 此标准进行了修订，先后形成了1 e c - 6 2 5 1 - 7 9 ( 可程控仪器的接口系统，第一部分：功能规范， 电气规范，机械规范，系统应用及对设计者和使用者的要求) 和i e c - 6 2 5 1 8 0 ( 可程控仪器的 接口系统，第二部分：代码和格式惯例) 两个文件，完整地确定了可程控测量仪器的接口系 统标准一i e c 6 2 5 标准。至此，一种国际通用的接口标准正式确定下来了。标准名称因地区 的不同而略有不同，美国称为i e e e 4 8 8 或者h p i b ，在欧洲般称为i e c 一旧或g p i b ( g e n e r a l p u r p o s ei n t e d a c eb u s ) 。图f 2 1 显示了g p i b 协议演进的重要阶段。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章g p i b 协议 图f 2 1g p i b 协议演进历程 在h p 公司制定出g p i b 总线后，1 9 7 5 年，i e e e ( 美国电气与电子工程学会) 对h p i b 进 行研究，制定为i e e e 4 8 8 和i e c 6 2 5 标准；1 9 7 6 年a n s i ( 美国标准化研究所) 又将其颁布为 美国标准a n s i m c i 1 ：1 9 8 7 年i e e e 对i e e e 4 8 8 做出修订定名为i e e e 4 8 8 1 1 9 8 7 ，同时 颁布i e e e 4 8 8 2 - 1 9 8 7 标准，精确定义了控制器和仪器之间的通信方式，加强了原来的标准； 19 9 0 年，可编程仪器标准指令s c p i 颁布，其采纳了i e e e 4 8 8 2 19 8 7 定义的指令结构，制 定了一套可编程仪器共通的指令，消除了可能的总线条件的含糊性；1 9 9 2 年，i e e e 对 i e e e 4 8 8 2 作出修订。1 9 9 3 年，g p i b 技术得到进一步发展，n i 对i e e e 4 8 8 2 协议进行改 进制定出h s 4 8 8 标准，其数据传输速率得到显著提高。 2 2l e e e 4 8 8 。2 i e e e 4 8 8 2 扩大和增进了i e e e 4 8 8 1 ，它标准化了数据格式、状态报告、纠错、控制器 功能和共通指令，这个指令是所有仪器必须以一种定义了的方式进行响应的。换一句话说， 就是l e e e 4 8 8 2 精确的定义了怎样在i e e e 4 8 8 2 控制器和i e e e 4 8 8 2 仪器之间讲话，通过 这样，一个完整的i e e e 4 8 8 2 适配系统是高度可靠和有效的，同时这个标准也要求 i e e e 4 8 8 2 设备能够和现存的i e e e 4 8 8 1 设备在一起工作，可以作为一个听者来接收其广 泛的指令和数据格式。 i e e e 4 8 8 2 主要集中于软件协议方面，保持了和倾向于硬件的i e e e 4 8 8 1 标准的适配性。 2 2 1 l e e e 4 8 8 2 控制器 l e e e 4 8 8 2 精确的定义了i e e e 4 8 8 2 控制器发送指令和数据的方法和附加功能。正是这 些i e e e 4 8 8 2 控制器条件，使仪器制造商能设计出更合适和高效的仪器，这个标准化给测试 系统开发者带来的好处是开发时间缩短和开发价格更低，主要是它解决了由于仪器不适配， 不同的指令结构和数据格式所带来的问题。 4 堕室塑皇盔堂堡主塑壅生堂焦堡三j ! ；兰三主鱼! ! 曼塑坚 i e e e 4 8 8 2 对控制器定义了许多条件，包括有一套正确的i e e e 4 8 8 1 接口能力，例如给 接口清0 线( i f c ) 施加1 0 0 微秒的脉冲，设定和检测e o i ，设定和确认r e n 线，检测s r q 线的状态和传输，检测n d a c 的状态和对任何i ，o 传输进行限制超时，其它的控制器的关键 条件是总线控制序列和总线协议。 2 2 。2l e e e 4 8 8 2 控制序列 i e e e 4 8 8 2 控制序列描述了g p i b 的正确状态和每一个定义操作的指令信息的顺序， i e e e 4 8 8 2 控制序列消除了可能的总线条件的含糊性，这样仪器和控制器匹配的更好了。由 于正确的定义了总线状态和设备怎样响应特殊信息，i e e e 4 8 8 2 解决了这样的问题。 i e e e 4 8 8 2 标准定义了控制序列，这个控制序列给出了发自控制器的正确的i e e e 4 8 8 1 信息和多重信息时的顺序。有1 5 个必须的控制序列和有四个可选择的控制序列，具体的控制 序列可以见t 2 1 控制序列 描述条件 s e n dc o m m a n d 发送a t n 真指令强制 s e n ds e t u p 发送数据的地址强制 s e n dd 卢汀ab y t e s发送a t n 伪指令强制 s e n d 发送一个程序信息强制 r e c e i v es e t u p 发送接收数据的地址 强制 r e c e i v e ，r e s p o n s em e s s a g e 接收a t n 伪数据 强制 r e c e i v e 接收一个响应信息强制 s e n d i f c给i f c 线施加脉冲强制 d e v i c ec l e a r 使设备为d c a s 强制 e n a b l el o c a lc o n t r o l s 使设备为本地状态强制 s e t r w l s 使设备为远程但本地锁状态 强制 s e n dl l o 使设备为本地锁状态 强制 r e a ds 1 a t u sb y t e 读i e e e 4 8 8 1 状态字节强制 t r l g g e r 发送组执行触发器( g e t ) 信息 强制 f ) a s sc o n t r o l把控制交给另一个设备可选 p e r f o r mp a r a l l e lp o l l 引导一个并行协商 可选 p a r a l l e lp o l lc o nf | g u r e 构造设备的并行协商响应可选 p a r a l l e l p o l lu n c o n f i g u r e 去掉设备的并行协商能力 可选 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章g p i b 协议 表t 2 1i e e e 4 8 82 控制序列 2 2 3i e e e 4 8 8 2 协议 把许多控制序列组合在一起来执行共同的测试系统操作。i e e e 4 8 8 2 定义了两个必须的 协议和六个可选择的协议。见表t 2 2 协议名称协议描述 条件 r e s e t 重设系统强制 f i n d r o s 找设备请求服务可选 a l l s p o l l 串行协商所有设备强制 p a s s c t l传送控制 可选 r e q u e s t c t l请求控制 可选 f i n d s t n 找昕者可选 s e l a d d 设地址。但要有f i n d s t n可选 t e s t s y s 自测可选 表t 2 - 2i e e e 4 8 8 2 控制器协议 这些协议由于它们组合了几个指令来执行任何测试系统都必须的最共同的操作，大大缩 减了开发时间。r e s e t 协议保证了g p i b 已被初始化，所有设备都被清0 并处在一种已知状 态。a l l s p o l l 协议和每一个设备串行协商返回每一个设备的状态字节。p a s s c t l 和 r e q u e s t c t l 协议在总线的许多不同设备之间传递控制。t e s t s y s 协议给每一个设备发 出指令进行自测试，并且给控制器报告是否存在问题或准备就绪可以操作了。 f i n d s t n 和f i n d r q s 两个协议比较重要些，f i n d s t n 协议占有i e e e4 8 8 2 控制器 监视总线能力的优势，给总线上听者进行定位，控制器通过发布一个特殊的听者地址然后监 视n d a c 握手线来确定这个地址上是否存在着一个设备，这是控制器执行f i n d s t n 协议的 过程。f i n d s t n 协议的结果就是所有定位了的设备的地址表。f i n d l s t n 总是用在应用程 序的一开始，这样可以保证构造合适的系统并且提供出一个具体的g p i b 设备表，这个表被 用做是所有其它i e e e 4 8 8 2 协议的输入参数。i e e e4 8 8 2 控制器的监视总线能力也用于检测 和诊断测试系统内的问题。 2 1 4i e e e 4 8 8 2 仪器 i e e e 4 8 8 2 的仪器特征会对组件或硬件造成很大影响的，但是l e e e 4 8 8 2 仪器更容易编 程的，因为它们响应着共同的指令并且使用标准的信息交换协议和数据格式，而且以一种定 义的很好的方式进行询问。i e e e 4 8 8 2 信息交换协议是s c p i 标准的基础，用s c p i 对测试 6 堕塞堂皇查兰堕主至! 塞兰兰垡笙苎 苎三童鱼型! 垫鲨 系统编程更加容易。i e e e 4 8 8 ，2 定义了一套仪器必须具备的最小的i e e e 4 8 8 1 接口能力，这 就是所有的设备都能够发送和接收数据，请求服务和响应清设备信息。l e e e 4 8 8 2 精确的定 义了发送给仪器的指令格式和仪器响应时发送的码和格式。 所有的仪器必须执行一定的操作进行总线通讯并且报告状态。因为这些操作对所有设备 都是一样的，i e e e 4 8 8 2 定义了执行这些操作的编程指令和用于接收共同状态信息的询问方 式。表t 2 3 说明了i e e e 4 8 8 2 协议强制共同指令。 助记符组描述 i d n ?系统数据认可询问 r s t内部操作重置 t s t ? 内部操作自测询问 0 p c 同步完成操作 + o p c 7 同步完成操作询问 v v a i ? 同步等待完成 c l s状态和事件清状态 + e s e状态和事件事件状态使能 e s e ? 状态和事件事件状态使能询问 e s r ? 状态和事件事件状态寄存器询问 s r e 状态和事件服务请求使能 s r e ? 状态和事件服务请求使能询问 + s t b ?状态和事件读状态字节询问 表t 2 3i e e e 4 8 8 2 协议强制共同指令 由于i e e e 4 8 8 2 标准化了状态报告，控制器可以准确的知道怎样去获取系统中每一个仪 器的状态信息，这个状态报告模型是建立在i e e e 4 8 8 1 状态字节上的，所以它提供了更详细 的状态信息，状态报告模型见图f 2 2 。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章g p i b 协议 t 月，j “ f r l l ；“8 _ 镕$ * - n t 图f 2 - 2i e e e 4 8 8 2 状态报告模型 2 3s c p l i e e e 4 8 8 2 定义了g p i b 总线的编码、句法格式、信息交换控制协议和公用程控命令语 义。但未定义与任何仪器相关的命令，使设备数据和命令的标准化仍存在一定困难。1 9 9 0 年， 由仪器制造商国际协会提出的s c p l ( s t a n d a r dc o m m a n df o rp r o g r a m m i n gi n s t r u m e n t ) 语言 是在l e e e 4 8 8 2 基础上扩充得来的。可编程标准命令s c p i 是为解决程控仪器编程进一步标 准化而制定的标准程控语言，目前已经成为重要的程控软件标准之一。s c p i 的推出与g p i b 、 i e e e 4 8 8 2 的公布一样，都是可程控仪器领域的重要事件。 对仪器软件编程指令来讲，s c p i 既是一个完整的又是一个可扩充的标准。 2 3 1s c p i 仪器模型 s c p i 与过去的仪器的根本区别：s c p i 命令描述的是试图测量的信号而不是用以测量的 信号的仪器。因此，人们可以集中精力研究如何解决实际应用问题。相同的s c p i 命令可以 用于不同类型的仪器，这是s c p i 的“横向兼容性”；s c p i 还可以扩展随着仪器功能的增加而 升级扩展，这称为s c p i 的“纵向兼容性”。标准s c p i 仪器的程控消息，响应消息，状态报告 结构和数据格式的使用只与仪器测试功能，性能及精度有关，与具体仪器型号和厂家无关。 8 塑塞些皇查堂堡主堕壅竺兰堡堡苎 笙三兰鱼! 堕堡堡 为了满足程控命令与仪器的前面板、硬件无关的要求，即面向信号而不是面向具体仪器 的要求。s c p i 提出了一个描述仪器功能的通用仪器模型。如图所示f 2 3 ： 图f 2 3 s c p i 仪器模型 2 3 2s c p i 命令句法 s c p i 程控命令标准是由三部分构成：第一部分“语言和式样”，描述s c p i 命令的产生规 则以及基本的命令结构；第二部分“命令标记”，主要给出s c p i 要求或可供选择的命令；第三 部分“数据交换格式”描述了仪器与应用之间，应用与应用之间或仪器与仪器之间可以使用的 数据集的标准表示方法。具体的s c p i 指令可参考相关的g p i b 仪器编程说明。 2 4h s 4 8 8 协议 国家仪器公司开发出了有自主专利的高速g p i b 握手协议( h s 4 8 8 ) ，用于增加g p i b 系统 的数据传输速率。在所有数据传输中的设备必须都能用h s 4 8 8 协议，当含有非h s 4 8 8 设备 时，h s 4 8 8 设备会自动使用标准的i e e e 4 8 8 1 握手来保证系统的适配性。h s 4 8 8 是l e e e 4 8 8 标准的高一级标准。 h s 4 8 8 的传输速率取决于系统电缆的总长度和设备的数目，电缆每2 米一个设备时，两 个设备之间的h s 4 8 8 数据传输率，最高是8 m 字节，秒，对满载的系统有1 5 个设备和1 5 米 长的电缆，h s 4 8 8 传输率可以达到1 5 m 字节，秒。 h s 4 8 8 控制器常常使用i e e e 4 8 8 1 标准的3 线握手传输g p i b 指令( 认可了a t n 的字节) 。 关于h s 4 8 8 的详细资料，可参考具体文献，在此不作赘述。 2 5g p i b 总线技术 g p i b 接口具有以下一些基本特点i 2 5 1 电气物理特性 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章g p i b 协议 g p i b 设备一般都是用2 4 芯电缆连接在一起，一端是插头，一端是插座。可以采用的线 型或者星型的连接方式。见图f 2 4 、f 2 - 5 ： 图f 2 - 4g p i b 星型连接方式 图f 2 5g p i b 线型连接方式 g p i b 母线上采用与丌l 电平相容的正极性、负逻辑，即以低于或等于0 8 v 为。r r l 低电 平；以大于或等于2 0 v 为t t l 高电平。 一个典型的g p i b 系统是由一台p c ，一块g p i b 接口板卡和若干台g p i b 仪器通过g p i b 标准总线连接而成。 一个g p i b 系统典型工作限制：两个设备之间最大距离4 米，整个电缆的长度不得超过 2 0 米( 第一个器件与最后一个器件之间的距离) 。g p i b 母线上最多可挂1 5 个器件，这主要 是受t t l 接口收发器驱动能力限制。当测试系统有必要使用多于1 5 个器件时，只需在控制 器上再添置一个g p i b 接口，即可多拉一个母线，多挂1 4 个器件。最大的数据传输速率 1 m b s ，在2 0 m 总线上最高可工作于5 0 0 k b s 。 2 5 2 接口信号线 g p i b 接口是一种2 4 引脚数字并行总线，由1 6 条信号线和8 条地址线组成。1 6 根信号 线分为8 条数据线。5 条控制线和3 条握手线。具体见图f 2 - 6 ： 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章g p i b 协议 藿fl 一 暮 辨线 l 毒 接口管理线i 。一 j 、_ _ _ _ _ _ _ _ _ - l = = 地线 = = = r 图f 2 6 g p i b 接口总线 其中8 条数据线，从d 1 0 1 到d 1 0 8 传送命令、地址和数据，用a t t e n t i o n ( a t n ) 线的 状态来确定是数据信息还是指令信息，所有指令和绝大多数数据都使用7 位a s c i i 或i s o 码 集，在这种情况下，第8 位的d 1 0 8 ，要么不使用，要么做奇偶校验用。 5 条控制线，具体的管理功能参见t 2 _ 4 ： 名称管理功能 各注 a t n 当控制器要用数据线发送指令时它驱动a t n 为真当一个注意 讲话者可以发送数据信息时，控制器驱动a t n 为伪 l f c 系统控制器驱动t f c 线对总线进行初始化并成为责任控制器清接口 r e n系统控制器驱动r e n 线可以使设各成为远程模式或本地模式 远控使能 s r q任何设备都可以驱动s q r 线，异步向控制器请求服务 服务请求 e o f 两个作用：讲话者用e o i 线来标注一个信息串的结束：控制器结束或确认 使用e o i 线来告诉设备在一个并行协商区内确认它们的响应 t 2 - 4 控制线管理功能 3 条握手线，d a v 线，n r f d 线和n d a c 线，用于控制设备之间消息字节的传送。发送 消息方和接收消息方利用这3 条握手线进行3 线挂钩，以保证数据线上的消息( 命令或数据) 能准确无误地传送。具体的功能见下表t 2 5 ： 名称管理功能备注 d a v 指出一个设备已经准备就绪来接收一个字节或还没有准备就数据未准备好 绪，这根线在接收指令时是被所有的设备驱动的在接收数 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章g p i b 协议 据信息时是被所有听者驱动的，当使能h s 4 8 8 协议时是被所 有讲话者驱动的 n r f d指出一个设备己经接收到了一个信息字节或还没有接收到。 未接收到数据 这根线在接收指令时是被所有的设备驱动的，在接收数据信 息时是被所有听者驱动的 n d a c当数据线上的信号稳定时，告诉设备可以安全的接收了。当控 有数据 制器发送指令时它就驱动d a v ，当讲话者发送数据信息时 讲话者驱动d a m t 2 5 握手线功能 2 5 3 接口功能 在g p i b 系统中，把设备与g p i b 总线的一种交互作用定义成一种接口功能。例如，把设 备向母线发送数据定义为讲者功能；反之，设备从母线上接收数据定义定义为听者功能。g p i b 标准共定义了1 0 种接口功能：包含5 种基本接口功能和5 种辅助功能。 5 种基本功能，是g p i b 数字接口功能的要素的核心，用于保证消息字节在数据输入输出 线上双向异步、准确无误传递，即用于管理和控制消息字节传递。 ( 1 ) 控者功能c o n t r o l l e r 简称c 功能 这种接口功能主要是为计算机或者其他控制器而设立的。一般来说，自动测试系统都由 计算机来控制和管理。在系统运行中，根据测试任务的要求，计算机需要向有关设备发布各 种命令，比如复位系统，启动系统，寻址某设备为听者或者讲者，处理服务请求等，这些活 动都可以通过控者功能实现。 ( 2 ) 讲者功能一t a i k e r 简称t 功能或者t e 功能 一个设备如果要向别的设备传送数据必须具有讲者功能。例如一台频率计要将采集到的 数据送往打印机，便可以通过讲者功能实现。 ( 3 ) 听者功能l i s t e n e r 简称l 功能或者l e 功能 此功能是为一切需要从总线上接收数据而设立的。例如