（控制理论与控制工程专业论文）基于虚拟仪器测试系统的pcigpib控制器的设计和研究.pdf

ab 目口心 硕士论文 ab s t r a c t a 。 切 叮 u 石 c t es t s ys既 w 址 chisb as edongpibs tan止 盯 d b usis wid ely u s edinn 龙 江 l y fil e d s . a u to 住 以 ti c 下 es t s y s t 。 口 ， w hi cbi l ltegrates data 扭 闷 ul si ti on， 匕 川 5 而ssion， di s posal， h 戈 。 n 能 绍 th e 加卯rtad t p artofin fo n 刀 目 石 on忱 hool o gy the l ates t a u to lnati c t es t s ys t e n l 目叩招 v inu al众 场 tl u m en t “ hdof o gy. on the b ac k gr o u n d ofd esignl d g a u t o 宜 ia ti c t 韶 t s y s te mw hi chisb as e d onv ir tu alir 。 ” n 挂 泊 t 抚 hno l o gy， th e th es is stud y ofd esignand 戏 活 已 叮 c hc o n tr o ll erin泪血沈 w hi ch isu s e d inl e s t s yste m. the d es i gnad o p t v i rt 曰 目 泊 5 o u m ent technologyind es i gn 川 g the s ys 加 n 大 g ra p hi c 如9 朋g e ， 1 习 b v ie wisapp li edinwriti n g m 始 . re 飞 习 n tl . 1 户 rd g 冠 m . k m a k esu seofman y 加 n c ti ons l a b v iewsup p ly，in c l u d e d a ta“ 刀 u l 滋 ti on， con trdl ofgpiband s e ri als pe氏 山.a p pe ar， d 别 以 s to re比. and ad 0 p t s o ft w 解 5 恤止 叮 d ofv 】 s a an d s c plinwn 血9 件 。 歹 田 . ofc o 。 。 伍 n g in stru r n e n t . a cc o td in g toth e n ec es si tyofpcl gpibc o 0 tr o 1 1 er in 泊 九 c e m edu l e ， 阳目 y zing th e pcl b u s ， g p ib b u s and in t er fa c e fu n c ti onind e 面】 ， th e d es i gn暇 。 m p li s he d th e fo n c ti onofcon v ersi 0 n ofp r o 叹 沁 0 1 ， fo gi c c on仃 0 1 阳 d soon. ail ast d i 义 u s s e s the 面v erand a p p li c a 巨 ond esi gn b y v 六 l ld ri v erandv is ual c 什. k e y w 心 r ds; a u to n . ti c 予 昭 t s y s te 巩l a b v 正砚 c p ibb us ， p c i b us ， driv e r， v 汤 1 1 d ri v er 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果， 尽我所知， 在本 学位论文中， 除了加以标注和致谢的部分外， 不包含其他人已 经发表或 公布过的研究成果， 也不包含我为获得任何教育机构的 学位或学历而使 用过的材料。 与我一同工作的同 事对本学位论文做出的贡献均己 在论文 中作了明确的说明。 研究生签名二 一 查鱼 学 争 刁 年 7 月 声 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档， 可以 借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容， 可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、 借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。 对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名健遥 率 公 供 月 加 南京理工大学硕士学位论文 基千虚拟仪器测试系统的p c i 一 o pib控制器的设计和研究 1 绪论 自动测试系统是在计算机的控制下， 由各种测量仪器对电量和非电量进行 自 动测量和数据处理， 并以显示或打印等适当方式给出测量结果。自 动测试系统己 在众多领域中 得到广泛的应用， 他集信息获取、 传输、 处理为一体， 成为信息 技 术的重要组成部分. 新一代的自 动测 试系统 采用虚拟仪 器技术。 虚拟仪器是计算 机系统技术和仪器测量技术相结合的产物， 它利用计算机系统的强大功能， 结合 相应的硬件，大大突破传统仪器在数据处理、显示、传输、存储等方面的限制， 让使用者 可以 方便地对其进行硬件 维护， 功能 扩展和软 件升级。 l l 自 动 月 试系 统的 发 履护 121 测试系统在工业生产中起着把关者和指导者的作用， 广泛应用于炼油、 化工、 冶金、电力、电子、轻工和纺织等行业.自动测试技术创始于 50 年代，发展历 经了以下三个阶段: 第一代自动测试系统开始采用计算机技术， 主要用来进行逻辑定时控制。由 于它没有标准接口，技术比较复杂， 只能用于大量的要求重复、快速、高可靠和 对人员健康有害又难于接近的测试场合。 这种 自 动测试技术初级产品的主要功能 是进行数据自动采集和 自 动分析， 用它完成大量重复的测试工作， 承担繁重的数 据运算和分 析任务， 以 便快速准确 地获得测试结果. 这类设备没 有通用接口， 它 们多数是专用的。 第二代 自 动测试系统又可称为智能仪器系统。随着微电子技术的迅速发展， 微处理器、 单片计算机开始推广应用， 人们开始用微处理器来设计仪器仪表。 由 于微处理 器和单片计算机具有强大的 数据运算能力和数据处理能力， 因 此， 这种 新型的仪器在性能和综合测试能力方面比传统仪器仪表强得多。 有些用传统仪器 无法测试的参数或需要人工运算才能得到的结果， 现在可以借助计算机的推演运 算直接得到.因 此人们常称这类新型 仪表为 “ 智能仪器” 或 “ 智能仪表” 。 这种 仪器一般配有标准接口 如串行通 信接口r s 一 232c， r s 4 2 2 ， r s 4 2 3 等，并 行通 信接口正 e e 4 8 8( gpib) ， 正 王 e 一 8 3( c a ma c ) 等， 可以 方便 地组成自 动测 试系统. 随着计算 机技术的 发展和普及， 人 们开始 用pc 机来开发新一代自 动测试系 统， 第三 代pc 个人仪器测量系统应运而生， 它也称为 “ 虚拟仪器” . 按照当前 自 动测试行业流 行的说 法， 虚拟仪器定义为:虚拟仪器是以个人计算机为核心、 通 过测量软 件支 持( 若干独立仪器功能由软 件实现 ) 、具有虚拟仪器面板功能和足 够的仪器硬件以及通信功能的测量信息处理机械。 绪 论.一一一一 一 一一 一一 一 一一 一一 一 一一 一一 一 一竺 竺迷 i j盛 拟仪 器 的 撰 念 与 特点 阁 虚拟仪器的概念是由美国 国家仪器 ( n atio “ 习in s tl 刀 m e n ts以下简称nl) 公司 首先提出，是对传统仪器概念的重大突破。其概念可具体描述为 “ 虚拟仪器是利 用现有的陀 计算机、加上特殊设计的仪器硬件和专用软件，形成既有普通仪器 的基本功能，又有一般仪器所没有的 特殊功能的新型仪器. 虚拟仪器 特点可归纳概括为以 下几 个方面: . 丰富和增强了 传统仪器的功能。 虚拟 仪器将 信号分析、显 示、 存储几打 印和其他管理集中交由计算机来处理， 充分利用了计算机强大的数据处理、 传输 和 发 布 能 力 ， 使 得 系 统 组 建 变 得 更 加 灵 活 、 简 单 .、 . 仪器由 用 户自己 定义. 虚拟仪器通过提供给用户组建自己 仪器的可重用 源代码库，可以很方便地修改仪器功能和面板，设计仪器的通讯、定时和触发功 能， 实现与外设、 网络及其他应用的连接， 给了用户一个充分发挥自己 能力和想 象力的空间。 . 开发的工业标准。虚拟仪器的硬件和软件都制定了开发的工业标准，因 此 用户可以将仪器的设计、 使用和管理统一到虚拟仪器标准， 使资源的可重复利 用率提高，功能易于扩展，管理规范，生产、维护和开发费用降低。 . 便于构成复杂的测试系统，经济性好。 虚拟仪器既可以作为测试仪器独 立使用， 又可以 通过高 速计 算机网 络构成复杂的 分布式测试系 统， 进行远程测试、 监 控与故障诊断。 此外， 用基于软 件体系结构的虚拟仪器代替基于硬 件体系结构 的传统仪器，还可以大大节约仪器购买和维护费用。 i j裸题的研究背景 测试工程中 常用仪器设备种类繁多、 功能各异、 独立性强， 而在一个实际系 统中往往需要多 台不同 类型的 仪器协同工作。 因 此， 工程上越来越希望将常用仪 器设备与 计算机 连接起来组成一个由 计算 机控制的智能 测试系统。 gp田自 动测 试系统正是适合这一需 求的 产物。 gpib自 动测试系具有以 下三个显著 特点: . c p ib接口 编程方便， 减轻了 软件设计负担， 可使用高级语言编程。 . 提高了 仪器设备的标准指标。 利用 计算机 对带有gpib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。 . 便于将多台 带有g p ib接口的 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。 在新一代的侧试系统中虚拟仪器技术广泛应用，虚拟仪器软件产品中 助b v ifw编程简单， 人机界面良 好，提供了 几乎所有经典的 信号处理函数和大 南京理工大学硕士学位沦文 基于虚拟仪器测试系统的例 皿. g p ib 控制器的设计和研究 量现 代的高级 信号分析工具， 而 且可以和多种主流的工业现场总线通讯以 及与大 多数通用标准的实时数据 库链接 而被广泛应用于测试系统中 。 组建基于g p ib总线的自 动测 试系统中， 其核心是gpib控制机。 g p ib控制 机最简单的 实现方法是在一台咒 机上挂接一个g p 田控制器， 并辅以 相应的 驱 动软件和控制软件。 这样就存 在g p ib控制器和pc 机的接口 问题。 有基于各种 总线的g p 田 控制器，如u s b 、 pci 、1 3 94 以 及 p c m c 认等。 其中pci 总线因 为在速度快、 开放性、 高性 能、 低成本、 通用操作系统等方面的优势得到迅速普 及和发展， 采用基于pci 总线的g p ib 控制器在自 动测试系统中得到广泛应用。 但目 前g p ib控制器基本被国外的 产商垄断， 价格昂贵， 且出 现问 题难于维护。 基于以上原因研究基于虚拟仪器的自动测试系统的软硬件平台的设计和设 计pcl g p ib控制器对于国内自 动测试技术的 发展都 具有重要的意 义。 1 .4论文的 主要工作和结构安排 本论文主要对基于虚拟仪器的自动测试系统软硬件平台的设计， 以及对在此 背景下的pcl g p ib控制器的软硬件设计做了较为深入的探讨。 论文作者主要工作: (1 )基于 虚拟仪器的自 动测试系统的软硬件平台的设 计; (2 ) 在熟 悉pc俐gpib总 线的 基础上，完成p c l gpib控制器的 硬件设计; (3 )依 据pci- gpib控制 器的 硬件设计， 开发驱动程序并设计 咒l gpib控制器 的调试程序。 论文结构安排如下: 第一章: 介绍自 动测试 系统的 发展、 虚拟仪器技术的 概况和论文研究背景及 主要工作。 第二章: 介绍基 于虚拟仪器自 动测试系统的总体 方案设计。 第三章:介绍基于虚拟仪器自动测试系统的软件实现. 第四章:从 pcl gpib 控制器的作用与原理出发，讨论硬件总体设计方案。 从硬件设计角度，介绍接口 芯片的资 源，完 成咒喂 口 和 gp ib接口 电路的设 计， 接着讨论利用c p l d 完成协议转换， 逻辑控制的功能， 最后说明电路 设计中的注意事项。 第五章:主要讨论了 pcl gpib控制器的驱动程序开发和 调试应用程序设计。 第六章:总结设计，提出不足。 荃于虚拟仪器自 动测试系统的总体方案设计 硕士论文 2 基于虚拟仪器自 动侧试系统的总体方案设计 一般来说， 一个完整的自 动测试系统由接口 控制器、 测试仪器、 测试软件以及接 口总线四大部分组成.本章以 测试v w + r t d 传感器检测仪为例介绍如何组建自 动测 试系统。v w+ r t d 传感器检测仪是作者教研室自 主开发的应用于大坝安全监测中的 渗流监测的检测设备，在应用于实际工程前，需要对v w+ r t d 传感器检测仪进行测 试。 v w传感器，是利用钢弦固有振动频率随钢丝张力变化的原理， 通过测量频率得 到压力. r 】 d传感器用于温度测量。 2. 1自 动洲试系统洲试设备的选定 通过对被测对象的分析， 对检测仪如下的信号进行测试， 以达到能够根据测试数 据判断检测仪是否正常工作， 检测仪工作时的精度及如有问题时能准确判定在检测仪 哪个模块部分: (l ) 电 压:各芯片的供电电 压、电 源模块的输入输出电 压: 这些信号是检测仪正 常工作的基础; 盯d 传感器未经放大的电压及经放大电路后的电压: 通过测试 这些信号可以了解检测仪是否能准确地检测温度。 (2 ) 频率: v w 传感器未经滤波的和经过滤波整形的频率波形: 通过这些信号能 够很好地反应出检测仪是否能够准确地检测出压力。 (3 ) 传感器的 激励电 流: 精确度要求很高， 这是保证准确测量温度的前提。 根据以上需要测试的 信号和己 有的设备，选用以下测试设备: . tek tl 勺 iu x 的示波器t d s rolz，它能够对电 压以 及经过滤波整形的频率波 形进行测量，测试精度也满足要求。 . nl的高速数据采集卡pci6 o 23e ， 最高采集速度2 (x)k s i s ， 能够对v w传感 器未经滤波的 频率波形进行测量。 采用数据采集卡测量这个信号是因为 检测仪激振信号的突发性和v w传感器信号存在时间短暂的特点，该频 率波形很难用示波器分辨出。 . h p 的数字万用表h 史 冲 扣1 ，它能够电流进行精确测量。 2 2自 动翻试系统的硬件结构 自 动视 4 试系统硬件结构如图 2 2.1 所示。 计算机内 挂有 n l 的 pcl g p ib控制器， g p ib 控制器通过g p ib电缆与示波器和外用表相连接;数据采集卡代巧 o 2 3 e 通过计算机内 南京理工大学硕士学位论文基于虚拟仪器洲试系统的p c i 一 g p 阳控 啥器的设计和研究 部的p c i 插槽与p c 相连接;检测仪自 带的串口可与计算机串口相连接。 针 算机 被测试的 电路板 p c i 接 日 高精度数字万用表 vw斗 r l ， d 传 感 器 检 侧 仪 据采集卡 上位机洲试程序 p c 毛 p ! b 数字存储示波器 图2. 2. 1自 动测试系统硬件结构 计算机与测试仪器的通讯包括:1 、通过p c l g p ib控制器对万用表和示波器发送 控制指令， 读取测试数据; 2 、 通刘 少 c l 总线读取数据采集卡采集到的数据， 并对数据 进行处理与分析; 3 、通过串口 与检测仪相连接采集检测仪工作时检测到传感器的数 据。 z j自 动匆试系统的软件设计 2 盘1 盛拟仪器软件标居1 习 可编程仪器标准命令(s “ 口 ds 川c o n 皿 旧 . dsfor prog 冠 m 功 a b l e此仃 u m e n ts 简称 s cpd ，虚拟仪器软件体系 ( 明 州 泊 allnstru刃 n e n tssof tw are 户 c 饭 tectu r e 简称v 1 s a)，是自 动测试领域里两个最重要的虚拟仪器软件标准。 z j . 1 . i v s ia标准 v l s a 实质上是一个砌接口 软件库及其规范的总称。以往的虚拟仪器开发过程 中，f o 接口设备驱动控制软件的开发没有制定同一的规范，仪器厂商按照各自的标 准开发f o 接口设备驱动控制软件出售给用户。由于没有同一的规范约束，只能专用 而没有通用性，因此不同类型的或不同厂家的f o 接口设备必须专门来设计它的驱动 程序。 由于这种不可互换性， 因而造成用户在集成、 使用和维护虚拟仪器系统时重复 投 入了 大量 的 资 金. 为了 推 动虚 拟 仪 器 软 件 标 准 化的 进 程， v x ip l u g 第二部分 “ 命令标记”主要给出s c pi要求和可供选择的命令; 第三部分“ 数据交换格式” 描述了在仪器与应用之间， 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。 2 3 )软件开发平合 软件设计是整个测试系统的灵魂， 也是最复杂的部分， 因此软件设计的质量高低， 软件开发平台的先进与否，对于整个系统的维护和功能升级都是极其重要的。 根据调查比较选择了美国m公司的ub y iew7 . 1 为软件开发平台.强大，灵活的 仪器控制功能是加b v ie w区别于其他编程语言的主要特点。他不仅提供了数百种不 同接口 测试仪器的驱动程序，而且支持v 侣a. s c p 卿w噜 最新程控软件标准，为设 计开发先进的测试系统软件提供了最新的软件平台. 在此自 动测试系统中， 涉及了到 s erial 接口、 g p m接口等设备。 对它们的控制既可以应用lab v ie w编程环境中s eri公 . 、 g p ib仪器f o 接口的功能节点进行设计， 也可应用比b v lew编程环境中的v isa 下面的 功能节点进行设计。 根据设计目 标中易于维护， 便于升级的要求， 在编制软件时采用 了v isa 软件规范。 2 3 3 自 动洲试系统的 软件结构 本测试软件采用模块化的设计方法， 按照测试要求， 可把测试程序分为五个功能 模块:1 、 c p ib仪器通迅模块 2 、 数据采集模块 3 、串口 通迅模块 4 、数据存储模块 5 、报表生成模块。如图 2 3 3 . 1 所示。 基于虚拟仪器自动测试系统的总体方案设计 硕 士 论 文 图2. 3 . 3. 1自 动测试系统软件结构 gp ib仪器通迅模块实现的 是对带有gpib接口 示波器 和万 用表的程控操作，实现 对电 流、电压、频率的 测量; 数据采集模块通过对数据采集卡p c r 刃 2 3 e 的操作， 实 现对 v w传感器原始频率的 测量;串口 通迅模块通过对检测仪串口 的操作， 实现对检 测仪的工作时检测到的结果进行测量; 数据存储模块实现对采集的数据进行存档保 存， 以 便于调用查询; 报表生成模块实现数据报表按标准的 格式输出， 以便于打印 和 保存数据。 2 . 4小结 本章以 测试检测仪为 例， 介绍了 如何从自 动测试系统的要求选择测试设备、 设计 测试系统的 硬件和软件结 构。 并介绍了 软件实现的开发平台 lab v 正w，它的主要特 点是提供了 数百 种不同接口 测试仪器的 驱动程 序，而且支持v i s a和s c pi最新程控 软件标准，为设计开发先进的测试系统软件提供了最新的软件平台。 南京理工大学硕士学位论文基于虚拟仪器测试系统时p c i 一 c p ib控制器的设计和研究 3自 动刹试系统的软件实现 本章的任务是要在l a b v iew平台上开发出实现自 动测试系统的软件。根据上一 章节的软件设计， 测试系统软件应包含下面五个测 试模块: 1 、 gpib仪器通迅模块 2 、 数据采集模块 3 、串口 通迅模块 4 、数据存储模块 5 、报表生成模块。 3.igp ib l a b v ie w与带g p ib接口的仪器通迅前， 首先得进行g p ib地址设置，当在系统中 安装有多块c p ib控制器时，就需要 指出 板卡的地址。 例如:系统中安装有两块gpm 控制器， 其中一块设为 gpib o ， 另一块则为gpibi 。 如果只有一脚即m控制器则默认 为g p ibo;在一条总线上所有设备必须具有各不相同的仪器地址。仪器地址是在硬 件上设定的， 不同的仪器有不同的设置仪器地址的方法: 有的是通过拨动仪器内部或 后面的微型开关，有的是通过菜单选择来设置g p ib地址。现在以在晓k 。 o ni x 的示波 器t d s 1 0 12设置为例，它就是通过菜单选择来设置c p ib地址的， 按下辅助功能一选 件一c p ib设置菜单的选项按钮，为示波器分配唯一的地址。 地址设置后可实现l 山 v iew与c p ib仪器通讯。c p ib仪器通迅流程图如图3 . l l 。 图3. 1 . i g p ib仪器通迅流程图 自 动侧试系统的软件实现 硕士论文 按照流程图 3 . 1 . 1 编写程序，其前面板程序如图3 . 1 .2 所示。程序有三个部分组成: 仪器初始化部分、控制仪器部分即对g p ib仪器的写、对g p m仪器的读部分。 图3. 1 .2g p ib仪器控制方框图 下面介绍一下常用的 gpib模块函 数，掌握这几个函数就可以 完成对仪器的设置 和数据的读写。 表3 . 1 . i g p ib部分模块函数简述 函数简述 、 1 . t . ， 咄 z d o 、 d - - 一 ， 二 :豁 叹 习厂一 对gpib仪器进行写操作， 可以写入 scpi 命令对仪 器操作 “. 州 阅电. ，匕 .艺私。 . j eesees es 门 . ， 弋 .e ;“一到 任疏峨 二 二 二，t“. 军二 优二 丁 - 一 一“ 对g pib 仪器进行写 操作 “ 触 ” 沈 : 览 下二德黔 一一竺 t 吐 “ _ 弧吨 “ 滋票 j 漪 淤 一 一 ” 。 ” “ 扮 1 1皿 忿 r . 1 .叮t 。 诫 gpi b 错误报告 对g p ib仪器控制，可以 通过程控仪器命令s cpi 完成。利用s c p 瑜令可以 使测试 仪器自 动完成对被测对象的信号的采集。scpi 命令分为仪器公用命令 或称正 e e 488 .2 命令) 和s cpi 主干命令两部分。 具体的操作命令可以 参考示波器和万用表的 程 序员命令手册。 仪器公用命令如表3 . 1 . 2 。 表3 . 1 .2 ie e e 48民 2 命令简表 ， 南京理工大学硕士学位论文基于虚拟仪器测试系统的p c i 一 g p ib控制器的设计和研究 *t e钊自测试查询一* o p ( !操作完成 * op c ?操作完成查询 *认叭1等待操作完成 *cl 万清状态寄存器.e s e事件状态使能 *e s e ?事件状态使能查询*e s r?事件状态寄存器查询 *s re服务状态使能* s r e ?服务状态使能查询 *s t b?状态字查询 tt rg触发 *rcl恢复所有状态*5 八 v存储当前状态 如图3 . 1 . 3 为向示波器1 刀51012 发送了一段s c p i 命令字符串， 用于初始化示波器。 图3. 1 . 3示波器初始化 3 j数据采集棋块 由 于检测仪器激振信号的突发性和钾传感器信号存在时间短暂的特点，在使用 示波器t ds1 012 检测信号时， 由 于示波器性能上的限制， 使得很难在整个模拟电路工 作阶段分辨出 传感器信号， 用己 有的nl pci 高速数据采集卡pci 6 o 23e( 最高 采集速 度z ooks/ 5) 和l abview软件开发环境， 制作数据采集程序并分辨出 传感器返回的 衰 减的正弦频率信号， 然后借助比b v i ew强大数据分析工具检测出这段伴有噪声的振荡 信号的频率。对钾传感器信号检测方案如图32 ， 1 所示。 检侧仪运行. 产生激振信号 傲振结束发送触发信号 数据采集开始 以1 00为5 的速度采集0 ， ， 图3 念1采集程序操作流程 南京理工大学硕士学位论文 基于虚拟仪器测试系统的例 刀 心p ib控制器的设计和研究 3 .4盈据存储和报表生成模块 l abview有丰富的文件操作函 数库，可以 方便地进行文件存储操作. l a b v i e 贾 在 向一个新的或已 存在的文件存储数据分三步的过程: 首先打开或创建一个文件， 然后 按一定格式存储数据到文件， 最后关闭 文件。 本次 数据存储按照电子表格格式(e xcel) 进行存储， 这就对文件格式有一定的要求， 例如用制表位符号做列标记、 用行尾符号 做行标记。图3 . 4 . 1 为数据存储的程序框图。 图3 .4. 1数据存储的 程序框图 l a b v 工 研 自 身仅带有生成甘 】，犯 j 文档的报表工具， 无法直接生成e x c e l 或肠rd报 表， 借助nl 公司的报表生成工具就可以方便的设计出e xcel或肠rd格式的数据报表 文件。安装完报表生成工具包后就可以在 report gener ati on 函数块中使用这些子 vls 了。工具包提供了 在excel 或肠rd 中生成格式文档，表格以 及曲 线图形的常用 报表功能。如图3 . 4 . 2 所示生成报表的l a b v i ew程序。 图3. 4 .2生成报表 3 占小结 本章介绍了如何利用虚拟仪器软件l a b v i 研编写自 动测试系统的程序， 分别介绍 了编写印ib仪器通讯程序， 数据采集程序，串口 通讯程 序，数据存储和报表生 成程 序。 l 5 p c i 一 g p ib控制器的硬件设计预 士论文 4 pc l g p ib 控制器的硬件设计 自 动测试系统中， pci p ib 控制器的 作用就是用户给计算机输入命令，操作系 统便会通过驱动程序向民1 总线上的控制器发 起一个相应的数据交易， 接着控 制器把 交易中所得到的数据转换成符合gpib 协议的控制 信号 和数据 信号， 这样用户就可以 通过 对计算机的操作来控制挂接在gpib母线上的各个测试仪器。 4. i p c 】 峨 井 p 口控制器硬件电 路总体设计 依据 pcl 一 gpib 控制器的原理， 硬件电路的设计可以大致分为三个部分: 一是p ci 总 线接口 电路部分， 实 现计算机pci 接口 与控制器pci 接口 的对接; 二是逻辑控制部 分， 主要完成pc工 协议到g p ib协议之间的逻辑转换和控制; 三是gpib总线接口电 路 部分，实 现测试仪器gpib接口 与 控制器g p ib接口 的 对接。 pci 总线 接口 电路的实现有效 方案有两 种: 采用可编程逻辑器件和采用专用接口 芯片 实现。 使用可编程逻辑器件的 优点在于灵活性很高，但设计起来比 较困难: 采用 专用的pci 总线 接口 芯片， 这些 芯片由 专业的 厂商设计生产， 性能 相对稳定， 功能也 比较 完备， 可以 大大的 减少pci 设备接口 逻辑设计的工作量。 笔者根据实际的功能需 求以 及成本的投 入情况，最终选 择p lx公司的pci g o 54作为pci 总 线的接口 控制器。 逻辑控制部分，主要完 成pci 协议到gpib协议之间的逻辑转换，即在整个设计 中， 充当了 协议转换的作 用。 完成逻辑控制可以 选择复杂可编程逻辑器件来实现， 选 用 c pl d 主要是 考虑到它的时 序延迟是均匀的 和可预测的， 速度较快，电 路设计周期 短， 笔 者 根 据成 本、 功 能 和 引 脚的 分 析， 最 终 选 用x i l i nx公 司 的x c 9 5 1 44 xl ， 它 是 一款高性能、 低功耗的的可编 程逻辑器件。同 时， x i li nx 公司 的产品 i se 7 . 1 开发 软件易学易 用，电路设计人员在 很短的 时间内 就可以 完成电 路的输入、编译、 优化、 仿真。 g p i b总线 接口 电路的实现大多 采用专 用大规模 集成电路， 这是因为 专用大规模 集成电 路芯片本身功能较强， 许多 功能都能够在芯片内部完成， 只需再加少量外围电 路就能实现ieee4 88接口的 功能。笔者比较了 几款常用的g p ib接口 芯片，最终选用 了n l 公司的n a t 9914。 选用接口 芯片完之后得选用gpib母线发送 / 接 受器， 这样才 能和g p i b 母线 连接。总线收发 器选用t l 的s n 7 5 1 6 0 b 和sn7 5 1 6 2 b . 根据所选的硬 件，硬件电路的 结构图 如图4 . 1 . 1 : 南京理工大学硕士学位论文 墓于虚拟仪器测试系统的p c i 一 g p ib 控制器的设计和研究 4 j j zp c i 总线特点和操作时序 pcl 总线规范建立了高性能总线标准:陀1 规范提供了参数选择，以 便达到多种 性能价格比 标准，允许在不同的系统和部件级应用。 pci 总线具有以下优点: . 优越的数据传输性能:总线宽度 32位( 可扩展至64 位) ， 支持突发(b urst) 传输工作方式。 此工 总线规范2 . 0 版支持33m h z 总线操作， 2 . 1 版增加了 对6 6 m h z 的 支持，32位33油zpci 总线在读写操作中峰值传输率可达132 韶/s。 . 良 好的兼容性:pc工总线部件和插卡的设计独立于处理器，所有现在的和将 来的处理器都能被很好的支持。预留64位扩展，定义了3 . 3v和sv两种信号环境。 . 即插即用: 每个pci 设备上都有配置空间， 能实现自 动配置， 使得系统bios 和操作系统的系统层软件能自 动配置陀1 总线部件和插卡。 . 总线主控和同步操作: pci 总线接口 芯片可以 主控总线，直接对系统存储器 进行读写:pci 独特的同步操作功能可以保证c pij和总线主控同时操作。 . 低成本:多路复用结构减少了pci 器件的引 脚数目 和封装尺寸; 优化器件内 部设计，电气及频率规范遵守标准a s ic技术和其它典型的处理方法。 下面以写操作为例，介绍一下 pcl总线操作的过程，其写时序如图 4 ， 2 . 1 . 2 . 1 所示。 图4. 2. 1 2 1 p c i 写操作时序图 在 c l k的第一个上升沿， 发起设备检查总 线是否空闲，因f r a m 王 # 和琅 d y# 都无效因此总线处于闲置状态. 在c l k的第二个上升沿，发起设备发送地址，同时 c i b e信号线发送传输 命令。 下一个c l k周期，发送第一个数据， t r d y#有效， 表 示目 标设备顺利接收， 在发送完第二个数据后， c l k的第五个上升沿检测到爪 d y # 无效，说明发起设备还没准备好下一个数据，因此等待一个c l k周期，c l k第六个 p c i 一 g p ib控制器的硬件设计 硕士论文 上升沿检测到皿 d y#有效， 说明 第 三个数据己 经准备好， 同 时 也检测 到奴a 州 田 # 无 效，说明 这个数据是本次传输的 最后一个数据， 此时t 只 d y#无效， 说明目 标设备还 没准备好接收数据，因此， 第三个数据在数据线上维持直到c l k的第八个上升沿检 测到t r d y#有效，目 标设备接收第三个数据，到此.本次传输完毕，释放总线。 pci 读时序与写时序类似， 唯一不同的地方是u 以 ir # 读写信号的状态不同， 因此 不再赘述了。 4 j zp c 卫 沁 54结构和特性 如图4. 2. 2. 1 是pcd o 54 内部结构图。 pcu o 54 内 部有5 个内部寄 存器组: 此1 配置寄存器组、l o c a l配置寄存器组、 d m 人 寄存器组、 运行寄存器组、消息队列 寄存器组。其中pci 配置寄存器配置p c d 054的p ( !1 总线接口方面的属性， l 父 al配 置寄存器配置p c 19 o 54 的局部总线接口的属性。 垦 县 梦目遥 斤 . 夕称叨加比，溺 到 艺 。 匆l 几 ， . 臼 推 它户 只 右m 乡如 . . 二 . ”咬 创 己 . 妈 1 习几 口 . . 攀比 叭 1.: 。 肠 ” ， ， ，1 二 l . 翻日 ， 犷 5 幼妞 翻白翻阳的j 国 霓) 扮 p 七 亡 自. 5 涵1 日 m.少翻 目 . 争 奋 、 知曰 . 目 的 如 刘 翻 . 一f 、. 自. 内 口 卜曲 卜 目。 ， ， _ _ _ l 毛 。 已 翻生 切. 阳 户 0 . . .一 1 、一参 ，阳 遭 气 二呈 1舒 口 口 . 留 闪匕门二 n尸 份曰 “ 别 刃 r 匕l上二 爪二二 1 一 一 1月下 匕 纬 卜， 一一旧 ，口， 一司 曰 ， . j ， 帐七 忿 公 氏t 公 公 欢 七 口 ， 与 主 形 . 若 亡 口 旧 门 . 自 曰 州 脑臼吐 .洲 书以对 a盛 公刃国 山 飘掩 云训 l日 h二一卜 目 归 认阶 1 u钾 劝门 1 卜 n r . “ 呼 r 吃一 。 ， j ， 、; 日 乙 n一 一一11 t 卜一 仁竺 竺 竺1 1闺升 玉 ， 一 竺 夸 乙、 咭 二 一 1 1 傀 . 只 习尹 礴 : . 序 咬 仁 1一 户 - 一 卜 卜 协 即、 羚 一广茵 孟 孟 篇 瑰广气茹犷吮陈万瑟忿品翻几蔽森石力扮 l 乓声1 点- 一 ” . 一 俨 1二，一 . 门 一一一 一 一 图4. 2 一 2 . i p c 愁 幻 5 布 内部结构框图 p c 19 0 5 4 主要有以 下特性: . 支持32位数据、 33m h z 速率的p c i 总线。 . 提供了两个独立的可编程 d m a控制器，每个通道均支持 5 习 也 泪 c 翻 lh er的 d m a方式， d m a通道0 支持请求d m a方式。 . p c i 与局部总线间的数据传输速率可达1 32mb ls 。 . 串 行e e p r o m接口， 用于加载p c 19 o 54的配置信息。 南京理工大学硕士学位论文基于虚拟仪器测试系统的例 o p ib控制器的设计 和研究 具有8 个32玩 t mallbox 寄存器和2 个犯位d oor b ell寄存器。 三个pci 总线到局部总线的地址访问空间， 分别为: s pac e o ， s pac ei 、 扩 展 r o m。 可实现大、小e n 山 an 格式的转换。 : 4 2 jp c 毛 沁 引与1 ， ! 机接口的连接 这部分硬件接口 是pc】 9 0 54与pc 微机上p c i 总线插槽间的连接. 接口 完全符合 pci 规范，只要将对应的引脚连在总线上即可。连接信号包括地址数据复用信号 a d 3 1 :0，总线命令信号c b e 口 :01 # 和尤1 协议控制信号p a r ， f r a m e ， 压 d y#， t r d y # ，s t o p#，ds e l ， d e v s e l p等。 设计时需要注意的是p c i 信号中prs n t i 和prs n t z引脚。 prs n t i 和prs n t l 两者必须有一个接地， 否则操作系统不能识别总线设备，即肺胃 找不到卡。实际上， 主板上电自 检( p o s 叨就是根据这两个信号来判断每一插槽上是否有卡。 此外， prs n n 和 prs n 1 2还提供了pci 设备对电源功率要求的 有关信息。本次设计采用的电源功 率是7. 5 、 v 。表4. 2. 3. 1 给出了具体的情况，其中0 表示悬空或开路，1 表示接地。 表4 .2. 3- i prs n t i 尼信号信息 p rs tnip r s n飞 2含义 00不存在总线设备 0l 存在，最大功耗 1 5 w 10 存在，最大功耗25w ll 存在，最大功耗7 .s w 4 2月局部总线栩述 pc19 0 54 的局部总线支持三种工作模式: m模式、 c模式、 j 模式。 局部总线工 作模式通过设置引脚m o d e 【 1 :01 实现，见表4 2 .4.1 。图4. 2. 4. 1 说明 在不同的 模式有 些引脚需要有不同的连接方式。 去 表4. 2. 4 . 1 只 皿 侧 卫 吟局部总线工作模式 m以妞 0m仪七 1模式总线类型 llm 3 2 位地ha数据非复用 01保留 l0j 3 2 位地ha数据复用 00c 3 2 位地址2 数据非复用 p c i 一 g p ib控制器的硬件设计 硕 士 论 文 口3-主 rr一一 rr-一 c 和j 卜 肠 ， d . : 朋 拟卜 衬甲:携 盆袭 r22_ _ 1 1 】 呱 咎 蒸 芝 篮 芝 黑 芝 器 芝 蒸 图4. 2. 4.1不同模式下引脚不同的连接方法 m总线模式与m o to ro 妞m p c 850 和m p c 8 60 处理 器的总 线接口 完全兼 容，能 进 行配置寄存器的访问、 p c i 主控器的操作、 pci目 标的操作、 d ma操作以及 mm ajs d m a操 作。 c模式和j 模式与ih tel ig 印 及ibm p p c 4()1 系 列处理器的总线 接口兼容，能进行配置寄 存器的访问、 p c i 主控器的操作、 pci目 标的操作、 d m a 操作。 从表4. 2. 4. 1 中可以 看出j 模式下地址总线和数据总线 是复 用的，时 序比 较复 杂， 所以倾向 于使用m或c模 式。 由 于m模式是大端结 束的， 不太符合连接习 惯。 所以 在该本次设计中，使用的是c模式。 4 2 5pc u 用 54 c 摸式下的局部总 线设计 由于采用了p c i 总线接口芯片， 设计重点可以集中在 b x 川总线上。 系统中采用 可编程逻辑c p l d器件来模拟公 又 a 】 c p u工作，由 于 本次用的 工作模式是在c模式 下， 这就需要对c m ode 下pc】 9 0 54 的 局部总线 信号 进行研究。 局部总线信号常用的 信号有数据信号、 地址信号、 读 写信号、 总线请求信号、 总线请求应 答信号、 a d s#、 r e a d y# 、 b l a s t#， 、 日 囚 t 岑 信号等等. p c i 总线规范中指出“ # ” 表示该信号 低电 平 有效， 没有这个标志的 表明 该信号是高电 平有效， 其中的 特殊 情况 是读写信号u 胃 瓜# ， 其表示的含义是高电平是写操作，低电平是读作. 下面就对本次设计中 用到的代19 054 局部总线 信号进行介绍: l a 31: 2: 地址信号， 考 虑到本次 使用的c p l d的10 资源 有限，故与c p l d相 连接的 地址信号 只有la i4 :2， 用于通过c p l d控制n a i ， 9 1 4 的r s z 一 r s o 寄存器选 择信号.与 cp l d相连接作为输入信号。 1 刀13 卜 0 :数据 信号。 与c p l d相连接作为作为 输入信号。 lbe3 :0 1 # : 字节 使能 信号，在 进行16位或8 位传输的时候，产生必要的 低地 址位。与 c p l d相连接作为输入信号。 a d s#:地址有效信号， 表明一个新的 总线访问周 期开始， l a 【 31: 2 信号线上有 22 南京理工大学硕士学位论文基于虚拟仪器侧试系统的洲 刀 c p ib控制器的设计和研究 一个有效的地址。与c p l d相连接作为b u fl 免 r 信号。 l h o l d:总线请求信号，p c 19 0 54 要申请局部总线时，有效此信号。与 c p l d 相连接作为输入信号。 l h o 山a : 请求应答信号， cpld 收到pcd 0 54 的总 线请求 信号 ( l h o l d ) 时， 如 果总线正 在空闲， 有效此信号， 把总线的 所有权给p c e 旧 54。 与c p l d相连接作为输 出信号。 b l a s t#:突发传输结束 (b叨 rs t l as t ) ， 在传输本次传输的最 后一组数据时，发起 设备有效此信号。与c p l d 相连接作为输 入信号。 u 从 叹 井 :读写信号，低电平为读，高电 平为写，这个信号需要 通过 c p l d与 n a f 9 9 1 4的 信号进行逻辑匹配，因为两个 接口芯片的读写逻辑相反。与c p l d相连 接作为输入信号。 r e a d y#: 输入 输 出 准 备 仅巴 y lnpu 口 c 泊 中 u o ，目 标 设 备 准 备 好 接 收 后， 有 效 此 信号。 与c p l d相连接作为b u 月 免 r 信号。 c c s#:配置寄存器选择， 此信号接地。 l c l k :l oca l 时钟输入，l c l k是l oca l 处理器和 fc d 0 54 之间的同步信号。 l int 毋 :l ocal中断引脚。与c p l d相连接作为b u 月 池 r 信号。 l r路e t( 讲:l 父 a