（电力电子与电力传动专业论文）用于验证scpi翻译模块的gpib接口设计.pdf

西华大学硕士研究生毕业论文 片实现：g p i b 控制器的九种接口功能及其状态机实现，遵循i e e e 一4 8 8 协议规 范，对数据通路进行了较为细致的说明。最后用带g p i b 接口的电压标准源验 证s c p i 翻译模块，实现p c 机对电压标准源的程控，其中硬件是基于a g i l e m 公 司的p c i g p i b 卡( 8 2 3 5 0 ) ，软件控制是在l a b v i e w 环境下完成的。 关键词：s c p i ；c p l d ；g p i b 控制器；状态机；i e e e 一4 8 8 i l 西华大学硕士研究生毕业论文 g p i bi n t e r f a c ed e s i g nu s e dt ov a l i d a t et h es c p i t r a n s l a t i o nm o d u l e t h es p e c i a l t yo f p o w e re l e c t r o n i c sa n dp o w e rd r i v e s m a s t e rx i a oy a nt u t o r y a n gj i n g c h a n g w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，e q u i p m e n ti n d u s t r yh a s a l s ou n d e r g o n ead r a m a t i cc h a n g e ，a n dt h em a n u a lo p e r a t i o no fe q u i p m e n tc h a n g et o c o m p u t e r - c o n t r o l l e da u t o m a t i ct e s t ，h ew o r l d sl e a d i n ge q u i p m e n tm a n u f a c t u r e r s j o i n t l ys t u d ya n df o r m u l a t eap r o g r a m - c o n t r o l l e dm a c h i n e s c a nb eu s e df o rt h e s t a n d a r d o r d e r , n a m e l y s c p i i ta c h i e v e da p r o g r a m - c o n t r o l l e d 。e q u i p m e n t s t a n d a r d i z a t i o nf o rt h ed e v i c e sn e w s ，a n dt h eo v e r a l lg o a li st os h o r t e nt h ep r o c e d u r e s f o rt h ea u t o m a t i ct e s t e q u i p m e n td e v e l o p m e n tt i m e ，a t t h es a m et i m e ，p r o t e c t e q u i p m e n t m a n u f a c t u r e r sa n du s e r so fb o t ht h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e i n v e s t m e n t , p r o v i d ea 、加d er a n g eo fc o d ee n v i r o n m e n t a lf o rt h ei n s t r u m e n tc o n t r o l a n dd a t a e q u i p m e n t sg r a m m a ra n a l y s i sw h e nt h e yr e c e w e dt h en e w so fs c p i ： r e c e i v es t r i n gn e w s ，l e x i c a la n a l y s i s ，g r a m m a ra n a l y s i s ，i n t e r m e d i a t ec o d eg e n e r a t i o n , o p t i m i z a t i o na n dt a r g e tc o d eg e n e r a t i o n , g r a m m a ra n a l y s i sm o d u l ep e r f o r m a n c e a i r e c t l y a f f e c t st h ee f f i c i e n c yo ft h ei m p l e m e n t a t i o no fp r o g r a m c o n t r o l l e d t o f u r t h e rs i m p l i f yt h ee q u i p m e n tw i t h i nt h eg r a m m a ra n a l y s i sm o d u l et oi m p r o v et h e e f f i c i e n c yo ft h ei m p l e m e n t a t i o no fp r o g r a m - c o n t r o l l e d , i nt h i sp a p e r , w ei n t r o d u c ea w a yt h a ta d da t r a n s l a t i o nm o d u l eb e t w e e np ca n di n s t r u m e n t t h ed e s i g no f e q u i p m e n t w i l l g r e a t l ys i m p l i f y t h es o f t w a r e w o r k , n o to n l y t oa c h i e v e s t a n d a r d i z a t i o no fe q u i p m e n t ，b u ta l s oc a ni m p r o v et h el a n g u a g eo ft h er e m o t e l 西华大学硕士研究生毕业论文 c o n t r o la p p a r a t u sr e s p o n s er a t e ，w h i c hi nt h er e s e a r c hl a b o r a t o r i e sw i t h i nt h e s e l f - m a d ee q u i p m e n tw o u l db eu s e f u l w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e g r a t e dc i r c u i t s ，t h ec o m i n go ft h es o c ，i n c l u d i n g t h ec p l da n df p g ap r o g r a m m a b l ea s i cd e v i c e sc a nn o to n l ym e e tt h es y s t e mo n ac h i pd e s i g nr e q u i r e m e n t s ，b u ta l s oh a v et h eu n i q u e a d v a n t a g e sf o rr e - p r o g r a m m i n g i ns y s t e m g p i bc o n t r o l l e rc h i pi st h ec o r eo fa u t o m a t i ct e s ts y s t e m , w i d e l yu s e di n t h et e s ta r e a s t h i s p a p e r t ob ed i s c u s s e dg p i bc o n t r o l l e rc h i p d e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o nb a s e do i lt h ec p l d si n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i # t s g p i b c o n t r o l l e rc h i ph a r d w a r ed e s i g nc a nb ed i v i d e di n t ot h er e a l i z a t i o no fs t a t em a c h i n e ， d a t aa c c e s sa n dm i c r o - p r o c e s s i n gi n t e r f a c ed e s i g n w h e nu s e di nt h ed e s i g no ft h e m o d u l a rd e s i g nb a s e do i lt h ei d e at od e s i g ng p i bc o n t r o l l e r , c o m p l e t et h e d e s c r i p t i o no ft h ef u n c t i o n a lm o d u l ew i t hv e r i l o gh d ll a n g u a g e ，a n dt h e nu s et h e q u a r t u s s i m u l a t i o n , i n t e g r a t e dm o d u l e t h u sc o m p l e t i n gt h ed e s i g no fg p i b c o n t r o l l e rc h i p t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h ed e s i g no ft h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e ， i n t r o d u c e dg p i bi n t e r f a c ed e s i g ni d e a su s e dt ov a l i d a t et h es c p it r a n s l a t i o nm o d u l e b a s e do nt h ec p l d t h e ne l a b o r a t e do ng p i bc o n t r o l l e rc h i p ：g p i bc o n t r o l l e r n i n e i n t e r f a c ef u n c t i o n sa n da c h i e v e m e n to ft h es t a t em a c h i n e ，f o l l o wt h ei e e e - - 4 8 8 s t a n d a r da g r e e m e n t t h ed a t ap a t ht oam o r ed e t a i l e dd e s c r i p t i o n f i n a l l y ，s c p i t r a n s l a t i o nm o d u l e i sv e r i f i c a t e db yt h es t a n d a r dv o l t a g es o u r c ew i t hg p i bi n t e r f a c e ， a n di m p l e m e n tp cp r o g r a m - c o n t r o l l e df o rt h es t a n d a r dv o l t a g es o u r c e ，w h i c h h a r d w a r ei sb a s e do i l a g i l e n t sp c i - g p i bc a r d ( 8 2 ，35 0 ) ，s o f t w a r ec o n t r o l i s c o m p l e t e di nt h el a b v i e w e n v i r o n m e n t k e y w o r d s ： s c p i ；c p l d ；g p i bc o n t r o l l e r ；s t a t em a c h i n e ；i e e e4 8 8 i v 西华大学硕士研究生论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。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，也不包含为获得西华大学或其他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工作所作的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师的指导下取得的，论文 成果归西华大学所有，特此声明。 作者签名：徽 新獬嘶 日 日 1 吖勿 月 月s 亏 年 年 辨萨 西华大学硕士研究生论文 第一章绪论 1 1 本课题提出的背景及意义 s c p i 翻译模块的验证是通过一个带g p i b 接口的电压标准源在s c p i 规范 下p c 机程控电压标准源的输出电压来验证的。g p i b ( 通用接口总线) 在自动测 试系统中有着广泛的应用。然而由于g p i b 接口芯片的量产受到专业用途的 限制，价格居高不下，使智能仪器的成本无法降低而a l t e r a 公司的m a x 3 0 0 0 系列芯片的价格仅为专用的g p i b 接口芯片的四分之一。用m a x 3 0 0 0 系列芯 片来设计不带控制功能的g p i b 接口芯片其内部的触发器能够满足要求，还有剩 余的门电路可供给智能仪器的其它功能电路使用这种设计方式可以使智能仪 器的设计成本大幅度降低。又由于采用c p l d 设计的智能仪器内部分离逻辑电 路的数量减少，其可靠性可以得到一定的提升。所以本设计采用c p l d 实现 g p i b 控制器芯片。在g p i b 消息基模块中，研究设计s c p i 翻译模块对g p i b 消息基模块及可编程仪器设计具有重要意义口1 。s c p i 翻译模块的目标就是要减 少a t ea u t o m a t i ct e s te q u i p m e n t 自动测试设备程序的开发时间。它通过给仪 器的控制和数据的用法提供了一个一致的编程环境完成了这一目标，而一致的 编程环境的取得是通过定义编程信息，仪器响应及数据格式来实现的。那些定 义囊括了所有的s c p i 设备而不考虑生产厂商，使用相同的命令和参数去控制 具有相同功能的仪器。编程命令和参数可以从一个控制器发送给任何一个使用 g p i b 接口的仪器。s c p i 翻译模块在接受宽泛的命令和参数格式上具有很大的 灵活性，使得仪器便于编程。仪器反馈给控制器的响应是数据。s c p i 翻译模块 较好定义了响应格式，使在明确反馈的信息是数据还是状态，这一问题上简化 了编程工作。数据信息被s c p i 格式化了，因此是设备独立的和测量独立的s c p i 编程的一致性是水平的，也是垂直的。垂直编程一致性规定了同一类别的仪器 的编程信息，比如使用相同的命令从不同的仪表中读取交流电压。水平一致性 是用相同的命令完成相近的功能而不管仪器的类别，比如具有相同的触发功能 西华大学硕士研究生论文 的计数器、示波器和函数发生器可以用相同的触发命令编程。一致性的关键是 控制相近仪器功能的多径性的减少。s c p i 翻译模块的原则就是减少自动测试设 备程序的开发时间，实现相同的命令控制相同的功能。它按s c p i 规范编程使 得p c 机能与仪器间能很好的通讯。实现p c 机对带g p i b 接口的电压标准源远 程控制。 1 2 国内外发展概况 目前国外只有德州仪器( n ) 、n a t i o n a li n s t r u m e n t ( n i ) 和n e c 三家公司生产基于i e e e - 4 8 8 协议的g p i b 控制器芯片，国内还没有生产此类芯 片的厂家。鉴于此，国内在组件g p i b 测试系统时，核心技术方面完全受制于 以上生产厂商，这对整个国内测试领域技术的发展以及军事等相关领域的应用 都会有不同程度的负面影响。随着最近几年e d a 等新技术的不断引入，以及 c p l d 等新型器件的广泛应用，无论是在理论创新层面还是在工程需求方面都 完全有必要而且也具备可能实现g p i b 控制器的自主知识产权研发。本课题正 是基于这样的契机以及业界的需求而决定选用c p l d 实现完全独立自主的 g p i b 控制器。 随着光电测量技术和仪器技术的发展，越来越多的测量设备加入到智能标 准测试仪器行列中。这些智能仪器的特征之一是带有标准的接口，如 r s 2 3 2 ，g p i b 以及v x i 总线接口等。通过这些标准的接口，不同厂家、不同功 能的仪器可以被集成到同一个测试系统中，也就是说具有了硬件上的兼容性。 但是，各厂家功能语言却不具兼容性，相同的命令在不同厂商提供的仪器中具 有不同的意义，因此程序员不得不逐个学习每个仪器厂家提供的功能语言，系 统开发变得烦琐而漫长n 刮。1 9 9 0 年，多家仪器制造商联合提出s c p i 标准。 这个标准构建在i e e e 4 8 82 标准定义的仪器特殊命令结构之上，并致力于定义 一整套通用的仪器特殊的命令集。现在，市面上很多虚拟仪器都与s c p i 标准 兼容。现在通用的是s c p l 9 9 。s c p i 己逐渐向数字化发展，发展趋势是以d s p 、 c p l d f p g a 等可编程器件为平台，具有稳定性好、灵活移植的特点。s c p i 翻 译模块是为了进一步简化仪器内语法分析模块、提高程控执行效率，在设计仪 器时将大大简化软件工作，既能实现仪器语言标准化又能提高仪器对远程控制 西华大学硕士研究生论文 的响应速度，这在研究实验室内的自制仪器时将是很有用的。 1 3 本课题所完成的工作 研究了g p i b 接口芯片的工作原理。 设计g p i b 接口控制器芯片。 完成了c p l d 实现g p i b 控制器芯片与a t 8 9 s 5 2 连接的硬件及软件设计。 将上位机通过g p i b 接口与单片机进行联调，实现程控电压标准源的输出 电压，其中g p i b 接口控制芯片的实现为本设计的重点和难点。本设计实现的 g p i b 控制器芯片的功能参照1 1 公司的n a t 9 9 1 4 ，其中包括对寄存器的读写访 问，和微处理器的通信机理，以及同g p i b 仪器通信等。状态机设计完全符合 i e e e 4 8 8 协议，所以本设计具有极强的通用性。并且所有核心模块完全采用 v e r i l o g h d l 语言实现，这不仅能具备专用芯片的功能而且在移植方面更具灵活 性。 由于g p i b 芯片设计占用了比较多时间，s c p i 翻译模块的设计仅构想出初 步思路，设计了带g p i b 接口的电压标准源来验证该翻译模块。 西华大学硕士研究生论文 第二章用于验证s c p i 翻译模块的g p i b 接口的设计思想 s c p i 翻译模块的验证是通过一个带g p i b 接口的电压标准源在s c p i 规范 下p c 机程控电压标准源的输出电压来验证的。电压标准源提供g p i b 和 r s 2 3 2 接口实现程控功能，利用可程控仪器的标准命令s c p i 对仪器进行远 控。在自动测试领域中，由于虚拟仪器的发展，仪器往往可以借用计算机的资 源。而一般的微机都会配置r s 2 3 2 接口，这种接口直接运用即可。所以g p i b 接口的设计就成了电压标准源程控接口的设计重点。 2 1 实现g p i b 控制器芯片的方案选取 可程控仪器g p i b 接口电路的设计主要有以下实现方法嘲： 1 ) 利用g p i b 专用芯片如1 1 公司的t n t 4 8 8 2 、n a t 9 9 1 4 实现g p i b 接c i 功 能，这是目前最主要的g p i b 接口实现方法。市面上流行的一些芯片的介绍： ( 1 ) m c 6 8 4 8 8 ，m o t o r o l a 公司制造，具有除控功能以外的其余九种接口功能，除 并行查询采用p p 2 子集外，其余八种功能都具有完全的能力，常和m c 3 4 4 8 双 向发送接收器配合使用。( 2 ) i n t e l 8 2 9 1 及其改进型8 2 9 1 a ，为i n t e l 公司研 制，具有除控功能以外的其余九种接口功能。这种芯片不但性能与m c 6 8 4 8 8 类似，而且主要引脚名称也完全相同，这种芯片常配用1 9 t e 2 8 2 9 3 、8 2 9 6 、8 2 9 7 发送接收器工作。( 3 ) t m s 9 9 1 4 ，是1 1 公司研制的，它具有包括控功能在内 的十种接口功能，是作为控者或者说母线控制器的较好运用接口芯片。它的时 钟与微机系统的时钟无关，因而可与8 0 8 0 、6 8 0 0 、9 9 0 0 等各类微处理器兼容。 这种芯片常配用s n 7 5 1 6 0 、s n 7 5 1 6 1 、s n 7 5 1 6 2 发送接收器。( 4 ) ! t t p d 7 2 1 0 ，为 n e c 公司研制，它不但具有包括控者功能在内的十种接口功能，而且每种接口 功能都具有完全的能力，是接口功能能力最强的一种集成芯片，也是作为控者 或者说母线控制器的较好通用接口芯片。它主要与8 0 8 0 系列微处理器兼容， 例如与8 0 8 0 、8 0 8 5 、8 0 8 6 等均能方便地配合。在目前应用较广的m m p c 个 人微计算机中，比较普遍地采用这种芯片构成g p i b 接口。p a r d 7 2 10 芯片可与 4 西华大学硕士研究生论文 s n 7 5 1 6 0 、7 5 1 6 2 及m c 3 4 4 8 发送接收器配用。( 5 ) m 公司的n a t 9 9 1 4 和 n a t 7 2 1 0 芯片，具有十种接口功能，编程方便，可与s n 7 5 1 6 0 、7 5 1 6 2 配用。 总之利用g p i b 专用芯片其优点为速度快，对c p u 的占用少，现在生产的 计算机、测试仪器上的g p i b 接口电路，绝大多数采用专用芯片实现。但此类 芯片只有国外少数公司能生产，不仅价格昂贵，而且购买不便瞳3 。 2 ) 利用f p g a c p l d 等器件实现g p i b 接口功能。大规模集成电路技术的 发展，使得可以采用一至几片集成芯片完成通用接口功能，。从而简化了g p i b 接口的外围电路，减小了接口的体积、重量和功耗，提高了它的可靠性，使其 易于实现。随着e d a 等新技术的不断引入，以及c p l d f p g a 等新型器件的 广泛应用，无论是在理论创新层面还是在工程需求方面都完全有必要而且也具 备可能实现g p i b 控制器的自主知识产权研发 8 1 。本设计正是基于这样的契机 以及业界的需求而决定选用c p l d f p g a 实现完全独立自主的g p i b 控制器1 。 采用c p l d 后，我们可获得一种“软”硬件的崭新概念，使得电子系统的硬件设 计变得像软件设计那样灵活而又易于修改。其本质是数字逻辑专用软件编译并 存储起来，然后通过一根由器件供应商提供的专用下载电缆将该逻辑下载到电 路板上的c p l d 芯片中。所需要的接口引脚仅需要4 根( t d i 、t d o 、t c k 、 s ) ，其符合i e e e l l 4 9 1 规范。在制作电路板时，只要事先将c p l d 对应的 4 根引脚，加电源和地共6 根引脚引出便可以实现在线系统编程。上面介绍的 这些芯片都是要求与微处理器连接配合使用的，而且功能和价格各不相同，我 们综合考虑，参考了已有的多种具有g p i b 接口的自动测量仪器的基本原理和 设计经验后，我们决定参考1 1 公司的n a t 9 9 1 4 芯片设计硬件电路n 制。 2 2 用于验证s c p i 翻译模块的g p i b 接口的设计结构 用于验证s c p i 翻译模块的基于g p i b 接口的电压标准源设计的基本思想为： p c 机通过l a b v i e w 编写的控制界面发送s c p i 标准命令，经单片机中编写的 s c p i 翻译模块程序翻译后实现程控电压标准源的输出电压，从而验证s c p i 翻 译模块构思的可行性。其主要包括三个模块设计，即：g p i b 接口芯片模块设 计、电压标准源模块设计、s c p i 翻译模块设计。其设计框图如下图所示： 西华大学硕士研究生论文 产生 0 - 4 0 9 5 v 电压 墅卜 晡 一地址l u 诅田 - 广l1 锁存器r 广1州 l r s 2 3 2 卜 田lc p l d u l g p 工bp c 一1 卜、 jl j h 板 机 、广- 1 广1 s n i 广1 l 电压标准源产生电路 + - 碗岔 i f i g2 1f r a m eo fs y s t e m 图2 - 1 整体框图 各功能模块的功能为： 1 ) g p i b 接口芯片模块：通过对g p i b 接口控制芯片n a t 9 9 1 4 内部结构的了 解，最终用c p l d 实现g p i b 接口控制芯片n a t 9 9 1 4 的部分功能。本文主要负 责此模块的设计。 2 ) 电压标准源模块：由m a x 6 2 41 提供4 0 9 6 v 的基准电压给d a 转换芯片 m a x 5 7 2 2 构成。 3 ) s c p i 翻译模块：s c p i 翻译模块是在p c 机和仪器间加入一个s c p i 翻译模 块的方法，处理来自p c 机发出的控制命令，通过单片机中编写的s c p i 翻译模 块程序进行翻译工作后实现程控电压标准源的输出电压；由于g p i b 芯片设计 占用了比较多时间，s c p i 翻译模块的设计仅构想出初步思路，本文设计了用带 g p i b 接口的电压标准源来验证该翻译模块。 2 3c p l d 芯片简介 复杂可编程逻辑器件c p l d 和现场可编程门阵列f p g a 同属于近年来发展 迅速的大规模可编程专用集成电路( a s i c ) 。c p l d 器件的在系统可编程技术和 f p g a 器件的现场可编程技术使可编程器件在使用上更为方便，大大缩短了设 计周期，减少了设计费用，降低了设计风险。现场可编程门阵列c p l d 是一种 高密度的可编程逻辑器件，其集成密度最高达1 0 0 万f - j 片，系统性能可达 2 0 0 m h z 。c p l d 主体结构是与或阵列，具有i s p 功能的c p l d 器件由于具有同 ，f p g a 器件相似的集成度和易用性，在速度上还有一定的优势，使其在可编程 6 西华大学硕士研究生论文 逻辑器件技术的竞争中与f p g a 并驾齐驱，成为两支领导可编程器件技术发展 的力量之一。 2 3 1c p l d 与f p g a 性能特点比较分析口2 | 虽然c p l d 和f p g a 同属于可编程a s i c 器件，都具有用户现场可编程特 性，都支持边界扫描技术，但由于c p l d 和f p g a 在结构上的不同，决定了 c p l d 和f p g a 在性能上各有特点羽： ( 1 ) c p l d 更适合于触发器有限而移项丰富的结构，而f p g a 更适合于触发 器丰富的结构。 ( 2 ) 集成度：f p g a 可以达到比c p l d 更高的集成度，同时也具有更复杂的布 线结构和逻辑实现。 0 ) c p l d 通过修改具有固定内连电路的逻辑功能来编程，f p g a 主要通过改 变内部连线的布线来编程：f p g a 可在逻辑门下编程，而c p l d 是在逻辑块下编 程，在编程上f p g a 比c p l d 具有更大的灵活性。 ( 4 ) 从功率消耗上看，c p l d 功耗一般要比f p g a 大，且集成度越高越明显。 ( 5 ) 从速度上，c p l d 优于f p g a 。由于f p g a 是门级编程，且采用分布式互 连；而c p l d 是逻辑块级编程，且其逻辑块互连是集总式的。因此，c p l d 比 f p g a 有较高的速度和较大的时间可预测性，产品可以给出引腿到引腿的最大 延迟时间。 ( 6 ) 编程方式：目前的c p l d 主要是基于e 2 p r o m 或f l a s h 存储器编程，编 程次数达1 万次。其优点是在系统断电后，编程信息不丢失。c p l d 又可分为 在编程器上编程和在系统编程两种。i s p 器件的优点是不需要编程器，可先将 器件装焊于印制板，再经过编程电缆进行编程；其编程、调试和维护都很方便。 f p g a 大部分是基于s r a m 编程，其缺点是编程数据信息在系统断电时丢失， 每次上电时，需从器件的外部存储器或计算机中将编程数据写入s r a m 中。其 优点是可进行任意次数的编程，并可在工作中快速编程，实现板级和系统级的 动态配置，因此可称为在线重配置( i c r ) 的p l d 或可重配置硬件( r h p ： r e c o n f i g u r a b l eh a r d w a r ep r o d u c t ) ( 7 ) 从使用方便性上看，c p l d 优于f p g a 。c p l d 的编程工艺采用e 2 p r o m 或f l a s h 技术，无需外部存储器芯片，使用简单，保密性好。而基于s r a m 西华大学硕士研究生论文 编程的f p g a ，其编程信息需存放在外部存储器上，需外部存储器芯片，且使 用方法复杂，保密性差。 2 3 2m a x 3 0 0 0 系列芯片介绍 基于器件的特性及本系统的实际需要，我们决定使用a l t e r a 公司的 m a x 3 0 0 0 系列芯片。m a x 3 0 0 0 系列芯片是a l t e m 公司1 9 9 9 年推出的3 3 v 低 价格、高集成度的可编程逻辑系列，其结构与m a x 7 0 0 0 系列芯片基本一样， 集成度范围为6 0 0 5 0 0 0 可用门、3 2 5 1 2 个宏单元、3 4 1 2 8 个可用i o 引脚。这 些基于e e p r o m 器件的组合传输延迟快至4 5 n s ，1 6 位计数器的频率可达 1 9 2 3 m i - i z 。m a x 3 0 0 0 系列芯片具有多个系统时钟，还具有可编程的速度功耗 控制功能。m a x 3 0 0 0 器件提供j t a gb s t 回路和i s p 支持，工业标准四引脚 j t a g 接口实现在线编程。这些器件也支持热拔插和多电压接口，其i o 引脚 与5 o v 、3 3 v 和2 5 v 逻辑电平相容。它除了传统塑封j 引线芯片封装( p l c c ) ， 还有薄四角扁平封装( t q f p ) 。本设计考虑编程适配器选用和性价比，安装调 试诸多问题，选用e p m 3 2 5 6 a t c l 4 4 - 1 06 l c c1 4 4 - p 蛐1 。 2 3 3 a l t e r a 可编程逻辑器件开发设计n 2 1 a l t e r a 公司在推出各种可编程逻辑器件的同时，也不断升级其相应的开发 工具软件。目前，其主要开发软件有m a x + p l u si i 和q u a r t u si i 。本次设计采 用的是q u a r t u si i 。 使用q u a r t u si i 的设计过程包括以下几步，若任一步出错或未达到设计的 要求则应修改设计，然后重复以后各步。设计流程如下图： i 器件蜷 i 一1 纪瀑俪口。l 挖古i ? 。i 时“i 斥 编饪罐试l 完成 l 缆。h 玳7 、 7 j 捌晔。舅吲 i 7 哆肄勺征明竹狮r ， 胜 扯二jl r 1 r ”“” 1 1 f i g2 - 2 t h ed e s i g nf l o wc h a r to fc p l d 图2 - 3c p l d 芯片的设计流程 西华大学硕士研究生论文 第三章c p l d 实现g p i b 控制器芯片设计 3 1g p i b 协议简介 3 1 1g p i b 基本特性与特点 g p i b 于二十世纪6 0 年代末诞生于惠普公司，现已成为工业控制及可编程 仪器的标准接口之一，它是由国际电子电气工程师协会于1 9 7 4 年9 月制定的 一种标准接口总线，又称i e e e 4 8 8 总线。g p i b 自推出以来，一直受到各仪器 厂商的青睐，经久不衰。同时，g p i b 本身也在不断的发展，1 9 9 0 年出现的s c p i 对仪器命令实施了标准化，使g p i b 系统互换性和互操作性更强。1 9 9 3 年推出 的h p 4 8 8 使g p i b 的最高传输速率从1 m b p s 提高到8 m b p s 。g p i b 接口高速传 输性能以及完整的控制协议，使得基于g p i b 接口的数据采集，温度监控，波 形测量等便携式设备获得了广泛的应用；同时也出现了趋于取代串口和并口的 许多设备，如微型打印机，除了i - i p 公司的仪器设备，越来越多的设备也提供 了g p i b 接口，如m i t e q 卫星通信设备公司就提供了很多集成该接口的设备【3 。 g p i b 接口采用面向对象的软件编程使系统功能易扩展和维护，增强了它的生 命力。各种程控仪器与计算机通过g p i b 接口相连接，让计算机能同时控制这 些程控仪器，并发出各种程控命令，接收数据、字节等。它是一种在有限距离 内的通用系统，异步通信，数据速率可容许在宽广范围内变化，g p i b 接口结 构简单，通用性能强，使用灵活方便，在这种环境要求下发展起来的i e e e 4 8 8 标准接口系统具有以下几个方面的基本特征n 叭刎儿矧： 1 ) 用总线连接若干台可控程控仪器组成自动测试系统。系统中仪器数量最 多不超过1 5 台。驱动电流最大不允许超过4 8 m a 。母线中信号线有1 6 条，其 中包括8 条数据线、3 条挂钩线和5 条管理线。8 条数据线，从d 1 0 1 到d 1 0 8 ， 传递命令、地址和数据；5 条控制线分别为a 1 n ( a t o n - 一注意) 线、 i f c ( i n t e r f a c ec l e a r 接口清除) 线、r e n ( r e m o t ee n a b l e 远控 可能) 线、s r q ( s e r v i c er e q j e s t - 一服务请求) 线和e o i ( e n d o i ) 哪y _ 结束或识别) 线，用来管理通过接1 ：3 的有序信息流；3 条挂钩 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 西华大学硕士研究生论文 送消息方( 源方) 和接收消息方( 受方) 利用这3 条挂钩线进行三线挂钩，以保证数 据线上的消息( 命令或数据) 能准确无误地传送。 2 ) 在传送系统中，至少有一个控制器( 即控者) ，专门负责角色分配，发送 各种控制消息，并在测试过程中自始至终的对系统进行控制和管理。某一时间 内只能有一个控制器起作用，其余必须处于空闲状态。 3 ) 数据传输采用并行比特( 位) 、串行拜特( 字节) 双向异步传输方式，采用三 线挂钩技术。信息逻辑采用负逻辑，低电v - 2 0 v 为逻 辑0 。 4 ) 数据传输速率：标准接口母线在2 0 米距离内，若每2 米内等效的标准负 载相当于使用4 8 毫安的集电极开路发送器，则最高上作速率为2 5 0 kb i t s 。若 采用三态发送器，则一般的上作速率为5 0 0 kb i f f s ，但根据经验，认为超过 1 m b i t s 是可以实现的h 。 典型的g p i b 接口系统由一台计算机、一块g p i b 接口卡和若干台g p i b 仪 器通过g p i b 电缆连接而成。一般系统具有以下四个显著的特点n 州矧： 1 ) g p i b 接口编程方便，减轻了软件的设计负担，可使用高级编程语言。 2 ) 提高了仪器设备的性能指标，利用计算机对带有g p i b 接口的仪器实现操 作和控制，可实现系统的自校准、自诊断等要求，从而提高了测量精度。 3 ) 便于将多台带有g p i b 总线的仪器组合起来，形成较大的测试系统，高效 灵活的完成各种不同的测试任务，而且组建和拆散灵活，使用方便。 4 ) 便于扩展传统仪器的功能，由于仪器与计算机相连，因此，可在计算机的 控制下对测试数据进行更加灵活、方便的传输、处理、综合、利用和显示，使 原来仪器采用硬件逻辑很难解决的问题迎刃而解。 3 1 2g p l l 3 接口功能系统 接口功能系统总的目的是提供一种有效的通信联络手段，使一群相互连接 的器件之间实现消息传递，而且这种消息传递应该是毫不含混的、绝无二义的。 按自动测试系统的需要恰当地设立接口功能是实现上述目标的重要因素。消息 的传递要靠接口与接口系统之间的交互作用来实现。在通用接口系统中，不是 将器件的初级接口做成一整块，而是将其分成若干种基本功能，不同的器件可 以选用不同的功能，以“积木”方式组合成初级接口n 。基本功能是按接口与接 1 0 西华大学硕士研究生论文 口系统的交互作用来划分，凡接口与接口系统之间的每一种交互作用便称为一 种接口功能，纵观各种自动测试系统之后，人们发现欲在互联的器件之间实现 消息传递，并使自动测试系统能应付各种情况，包括正常情况和非正常情况， 不但需要一些主要的接口功能，如听者功能，讲者功能等，而且还需要一些辅 助接口功能，如器件清除功能，器件触发功能等。在g p i b 系统中，把设备与 g p i b 接口的一种交互作用定义成一种接口功能。g p i b 标准接口共定义了1 0 种接i ：3 功能如下口伽： 。 1 ) 控者( c o n t r o l l e r ) 功能，简称c 功能。这种接口功能主要是为系统中能起控 制作用的设备而设立的h 5 1 。 2 ) 讲者( t a l k e r ) 功能，简称t 功能。一个设备( 仪器或计算机) 如果需要通过总 线向别的设备传送程控数据、测试数据或状态，则它必须具有讲者功能，例如 将一台电压表或一台功率计采集到的测量数据送往打印机或绘图仪记录，便可 以通过讲者功能来实现嘲汹3 。 3 ) 听功能( l i s t e nf u n c t i o n ) ：简称l 功能。l 功能是为一切需要从母线上接 收来自讲者发送的消息的设备而设立的，例如，本设计中的电压标准源要将p c 机设置的电压值经母线传出的数据接收下来通过电压标准源输出电压就必须 通过听者功能来实现。讲者功能和听者功能仅仅可以使设备具有基本的发送和 接收数据的功能，要保证数据传输的可靠性与正确性，则必须要使接口实现三 线挂钩，即下面的两种基本功能口伽乜利。 4 ) 源方挂钩( s o u r c eh a n ds h a k e ) 功能，简称s h 功能。源方挂钩功能是为讲者 功能或控者功能服务的，必须配合t 功能或c 功能使用h 3 。 5 ) 受方挂钩( a c c e p t e rh a n ds h a k e ) 功能，简称a h 功能。a h 功能是为需要从 母线上接受数据或命令的器件而设立的。在接收控者发出命令时，a h 功能仅 只同控者的s h 功能挂钩，保证器件能收下控者发出的命令。在接收数据时， a h 功能负责对内和对外挂钩。 6 ) 服务请求( s e r v i c er e q u e s t ) 功能，简称s r 功能。s r 功能不仅可供器件出现 临时故障时向控者发出s q r 消息，而且也为正常运行的器件与控者联系而提 供了一种渠道n 0 1 。 7 ) 并行查询( p a r a u a lp o l l ) 功能，简称p p 功能。器件出现故障后可通过s r 功 西华大学硕士研究生论文 能向控者提出服务请求，在接受控者查询时再通过讲者功能，但是有些器件本 身不需要配置讲者功能。不具有讲功能的器件可以通过p p 功能来接受控者的 查询。 8 ) 远地本地( r e m o t el o c a l ) 功能，简称i u 功能。用来选择远地或本地工作 方式。 9 ) 器件触发( d e v i c et r i g g e r ) 功能， 以启动有关的仪器功能进行工作。 1 0 1 器件清除( d e v i c ec l e a r ) 功能， 使某仪器功能回到初始状态。 简称d t 功能。产生一个内部触发信号， 简称d c 功能。产生一个内部清除信号， 通用接口系统一共设立了上述1 0 种接口功能，每一种接口功能虽然只起 一定的作用，赋予器件有限的能力。但是，1 0 种接口功能配合使用，各施其能， 本设计虽然只实现了其中部分功能，但就电压标准源器件而言还能胜任。 3 1 - 3g p i b 握手协议( 三线挂钩过程) 三线挂钩过程由于g p i b 系统中各器件的工作速度可能相差悬殊，为了保 证多线消息能双向、异步、准确可靠地传递，g p i b 母线中设置了三条握手线， 分别为： 1 ) d a y ( d a t av a l i d ) ：数据有效线d a v = i 表示数据有效。此线由源方使用。