GPIB自动测试系统总线(一).ppt

自动测试系统 GPIB通用接口总线 推荐的参考书 IEC 625通用接口及应用 张礼勇 计量出版社 自动测试系统 孙家琪 机械工业出版社 微机接口技术 董方武 中国水利水电出版社 微型计算机接口技术及应用 刘乐善 华中科技大学出版社 第一章绪论 1 1测量与系统测量就是把被测量与和它同种类的作为单位的量进行比较 得出被测量是单位量的多少倍的倍数值和符号的过程 概括的说 测量是测量者从被测对象获取所需信息的行为或过程 测量三要素 被测对象 测量装置和测量者 图1 1测量三要素 发展自动测试技术的必要性 随着测量范围和测量对象的与日俱增 使得人工测量难以胜任 人们所追求的高精度 高速度 多功能 多参量 低故障 低成本的效果 只有自动测试才能办到 举例 大规模集成电路或功能较强的印刷电路板的测试自动测试系统是一个在人工最少参与的情况下能自动进行测量 数据处理并以适当方式给出测量结果的测量系统 自动测试系统构成 1 控制器 通常为计算机 2 激励源或信号源 3 测量单元 4 测量线路转换装置 图1 2自动测试系统的构成框图 测量仪器 数字万用表记录仪器 打印机 绘图仪控制仪器 计算机 微计算机 图1 3自动测试系统的构成举例 1 2接口 接口 为使各设备之间信息的传递得以顺利进行 必须按照一定的码制 速度 电平 和方式来传递 这就需要一个在各设备之间起协调作用的的专用设备 这一专用设备就是接口 接口系统 在一个测试系统中 包括软件 硬件在内的接口的总体 就称之为接口系统 1 3测量总线及自动测试技术的发展 1969年 西欧各国从事于科学研究的组织制定了计算机自动测量和控制仪器及接口系统规范 即CAMAC ComputerAutomatedMeasurementAndControl 后来成为国际标准 它是适于组建模块化的大型测控系统的仪器与系统总线规范 带接口的仪器产品 由于各公司的接口不是兼容的 在一个系统中仅能用同一厂家的仪器 这对用户十分不便 1972年美国HP公司发表的了一种标准接口系统 称为HP IB 1974年被美国电气及电子工程师协会 IEEE 采用作为IEEE488标准 1975年被国际电工委员会采用作为IEC625标准 该接口系统的名称在一些地区和文献中也被称为GPIB 通用接口总线GeneralPurposeInterfaceBus 当时 对于在GPIB系统中传送的器件消息的代码格式 协议等并没有规定统一的标准 只是提出以IEEE728作为推荐使用的编码和格式惯例 IEC将其作为IEC625 2标准 1987年IEEE发布了有关器件消息的规范IEEE488 2标准代码 格式 协议和公用命令 同时将原来的IEEE488命名为IEEE488 1 1987年由五家大的仪器公司 Hewlett PackardCo Racal danaInstruments WavetechCorp Tektronix ColoradoDataSystem 联合推出了VXIbus VMEbusExtensionsforInstrumentation 它是一个开放式的规范 以后又经几次修订 最新版本是1992年 VXIbus1 4版本 VXI总线主要是关于模块化仪器的硬件和接口功能方面的规范 1993年一些VXI技术和产品的领先厂商成立了VXI即插即用 VXIplug play 系统联盟 并随后发布了VXI总线即插即用规范 即VPP规范 特别是虚拟仪器软件结构VISA VirtualInstrumentationSoftwareArchitecture 的提出为虚拟仪器概念的实现迈出了重要一步 NI公司将PCI总线扩展应用于测量仪器与系统的研究 并于1997年发布了PXI PCIextensionsforInstrument 由于PCI总线是目前计算机领域应用最广的总线技术 它的软硬件技术环境良好 其规范也包括了软件构架的内容 目前 该规范也得到一些厂商的支持并受到用户的欢迎 已形成了与VXI总线并驾齐驱的态势 1995年 VXI总线联合体发布了VXIbus 1TCP IP网络仪器变换规范 目前 网络化的仪器系统正引起人们的关注 基于无线网络的仪器系统也开始了研究 第二章GPIB概述 2 1引言 GPIB源自HP公司的HP IB 后为IEEE和IEC采用作为各自的标准 编号分别为 IEEE488 现在为IEEE488 1和IEC625 现在为IEC6Q625 它们都是等同采用HP IB的规范 GPIB已在世界范围普及至今仍是应用最广的测量仪器总线 IEEE488 1主要规定了应用分立的台式仪器构成测试系统的接口总线的功能规范 电气规范和机械规范 系统应用和对设计者与使用者的要求 IEEE488 2则规定了应用IEEE488 1接口系统组建的系统中有关器件消息的编码 格式 协议和公用命令 GPIB是为满足各方面对自动测试系统越来越多的要求 同时又希望能用已有的分立的台式仪器 方便灵活的组建自动测试系统而产生的面向测量的系统总线 一般适用于组建实验室条件下工作的小型系统 对总线系统的要求 构成简单 适用于各种仪器和产品 不会改变仪器原有的功能和性能 对系统中的控制器无特殊要求 允许系统中有多个控制器 应具有异步的数据传送方式 可在仪器间直接进行数据传送 价格便宜等 GPIB的主要性能和特性 1 适用于在电气噪声小 范围不大的实验室或生产环境中构成测试系统 2 接在总线上的仪器台数最多不超过15台 这是由仪器的输出电路对总线的驱动能力所决定的 3 在一个系统中的各仪器接口之间的连接线的总长度不应超过20m或小于等于仪器数 2m 这是为保证信息的传送速度所必需的 现在生产的单根电缆线的长度有4m 2m 1m 0 5m四种 4 总线中包括16根信号线 其中 8根为数据线 另8根分别为接口管理线和握手线 5 消息传送方式为字节串行 位并行 应用三线握手技术异步地传送数据 6 消息的最高传送速率在限制的总线长度内为1M字节 秒 一般工作在数十K至数百K字节 秒 传送速率受总线长度及发送 接收器等的限制 实际的数据传送速率也取决于正在通信中的仪器的工作速率 7 地址能力 每个仪器都有自己的编号 地址 以供相互区别和通信联络 供选择的单字节地址有31个 双字节地址有961个 在系统中某一时刻发送数据信息的仪器 称为讲者 只能有一个 接收数据的仪器 称为听者 最多可有14个 8 控制权转移 在系统中具有多于一个控制器 控者 的情况下 在某一时刻 仅能有一个控者起作用 现在正起作用的控者可以传递或转移控制权至别的控者 处在未起控制作用的控者可以要求控制权 但是 仅被设定为系统控者的控者才有要求控制的能力 9 驱动器和接收器的线路一般是TTL电路或电平与之兼容的其他电路 10 仪器间的连接方式可有星型 线型性或混合型 GPIB系统是具有通用性 灵活性 经济性和可靠性的用于可程控测量仪器的标准接口总线 2 2GPIB的主要内容 2 2 1机械规范机械规范主要规定了电缆和连接器的尺寸 形状及连接器各接脚与信号线的相应连接位置 图2 1GPIB连接器 GPIB电缆实物图 GPIB仪器的线型连接 GPIB仪器的星型连接 2 2 2电气规范 在电气规范中 对逻辑状态与电平的关系 对驱动器和接收器 仪器负载及接地等方面的要求 对电缆特性和状态变迁时间等进行了规定 设备内的接口电路正负逻辑均可 母线上应为正电平负逻辑 即 逻辑 1 2V 接收器或发送器可采用OC门或三态门 接收 驱动器类型的选择是根据信息传送速度的要求及信号线的功用决定的 图2 2接收 驱动器 2 2 3功能规范 仪器功能 Devicefunction 次级接口 接在GPIB总线上的仪器内部包括实现各类仪器特定的工作性能的部分 它因仪器的性能不同而异 接口功能 Ineterfacefunction 初级接口 为使仪器能接入系统工作就要求仪器应具有和其它仪器进行通信联系的部分 由于其功能是为实现与其它仪器进行通信的 仪器功能会有千差万别 但是这部分的功能总的来说应是同样的 GPIB标准在功能规范中主要规定了仪器接口功能的功能划分 即十种接口功能 接口功能状态图 消息的概念 远地消息编码和传输等 1 系统应用和设计指南 2 系统要求和使用者指南 3 仪器消息的代码和格式惯例 2 3GPIB接口及接口功能 图2 3带接口的仪器与接口系统 带接口功能的仪器的主要变化是有了接口功能 这就使它有两种操作方式 一种是通过接口接受外部 远地 的控制进行工作的远地工作方式 另一种是和原来不带接口时的仪器一样 通过仪器面板的操作按键进行操作的本地工作方式 接在GPIB上的仪器按他们在系统中的作用可分为三种控制系统工作的控者可被寻址向其它仪器发送消息的讲者可被寻址接收其它仪器发送消息的听者某一台仪器可具有控者 讲者 听者的全部功能 如 在一个系统中 控者的主要工作是控制系统的运行 但有时也作为听者或作为讲者工作 但是在某一时间之内仅能起一种作用 即在某时只能是听者或讲者或控者 在一个系统中可以接有多台可作为控者的仪器或多台作为讲者或听者的仪器 但是 在某一时刻只能有一个控者起控制作用 在某一时刻起讲者作用的器件也只能有一个 而听者器件则允许同时有多个 GPIB标准接口功能时可供选择的十种功能 1 听者或扩展听者功能L或LE ListenerorExtendedListener 2 讲者或扩展讲者功能T或TE TalkerorExtendedTalker 3 源握手功能SH SourceHandshake 4 受者握手功能AH AcceptorHandshake 5 服务请求功能SR ServiceRequest 6 并行点名功能PP ParallelPoll 7 远地 本地功能R L RemoteLocal 8 仪器清除功能DC DeviceClear 9 仪器触发功能DT DeviceTrigger 10 控者功能C Controller 2 3 1听 L 功能或扩展听 LE 功能这是为使系统中的仪器具有能接收其它仪器发送至总线上的消息所必须的功能 这一功能是自动测试系统中所有的仪器都应具有的 2 3 2讲 T 功能或扩展讲 TE 功能这是为使仪器能将消息发送到总线上 借助SH功能传送给其它仪器的功能 系统中的测量仪器都须具有这一功能 2 3 3受者握手 AH 功能这是为协助听功能使仪器准确 可靠 无误地接收总线上的消息所必须的功能 它与讲者仪器的SH功能进行三线握手来保证仪器间消息的准确无误地传送 2 3 4源握手 SH 功能这是为协助讲功能使仪器具有准确 可靠 无误地向其它仪器发送消息所必须具有的功能 SH功能与一个或多个仪器的AH功能进行所谓的三线握手来保证仪器之间信息的准确传送 2 3 5服务请求 SR 功能这是使仪器具有向管理和控制GPIB系统的控制器提出服务请求能力所需的功能 在器件受到查询时该功能还要能输出表明自己是否发出了服务请求的消息 为输出表明器件状况的消息 具有该功能的器件还必须具有T或TE功能及SH功能 2 3 6并行点名 PP 功能当控制GPIB系统工作的控制仪器欲了解系统中其它仪器的工作情况时 可同时向各仪器发出询问的命令 各仪器分别用一根线将表明其状况的信息发送给控制仪器 这种使仪器能随时接受控制器的询问并能和其它仪器同时将表明自身状况的信息发送给控制仪器的能力叫做并行查询功能 2 3 7远地 本地 R L 功能这是为了选择仪器是依据从接口来的命令进行工作 远地 还是依据从面板来的命令进行工作 本地 等所需要的功能 2 3 8仪器清除 DC 功能这是为使仪器接收到控制器发来的使仪器功能清零的命令时 使仪器功能初始化 清零 的能力 2 3 9仪器触发 DT 功能这是为使仪器接收到控制仪器发来的群执行触发命令时产生一个触发仪器功能的内部信号 使仪器功能执行某一动作的能力 2 3 10控 C 功能具有C功能的仪器才能成为系统的控者 即能向系统中的其它仪器发送各种不同的命令 控制GPIB测试系统的运行 这是一个负责指挥具体测试过程的功能 拥有此功能的设备可充当负责控者 控者正是通过此功能向设备发出各种母线命令 任命讲者 听者 接收中断请求 进行串行点名 执行中断服务程序 转移控制权 控者 讲者 听者仪器与十种接口功能中的控功能 讲功能 听功能的区别 前者是按仪器的整体在系统中所起作用的分类后者是一个仪器的接口功能中的某种功能 2 4GPIB总线构成 16根信号线由三部分组成 8根数据线 5根管理线和3根握手线 图2 4总线构成 母线结构 1 数据输入输出 DIO DataInputOutput 线DIO1 8由它实现位并行 字节串行 异步 双向地传送数据 当管理线ATN 1 低电平 时 控者用DIO线发送接口消息 当ATN 0 高电平 时 讲者或控者用DIO线传送器件消息 对应两种模式 命令模式 commandmode 和数据模式 datamode 数据模式 这时ATN线呈高电平 即ATN 0 包括传送数据字节 状态字节 程控指令 程控数据 程控命令 命令模式 这时ATN线呈高电平 即ATN 1 包括传送用以控制接口功能的专用母线命令 讲地址 听地址 副地址等 根据IEC推荐 无论是命令模式还是数据模式均采用ISO7位码 ASCII标准码 第八根线允许作奇偶校验或处于任意状态 2 接口管理线 Interfacemanage 它们传送的消息用于管理接口系统的工作和区别数据总线上传送消息的性质 共5根 1 ATN Attention 注意 控制器通过该线发送ATN消息 系统中的器件根据该线的状态区别数据总线上的消息是接口消息还是器件消息ATN 1时 DIO线上传送接口消息 ATN 0时 DIO线上传送器件消息 2 IFC InterfaceClear 接口清除 控者 系统控者 通过发送IFC消息使接口系统复位到规定的初始状态 3 REN RemoteEnable 远地可能 由控者经过该线发REN消息使所有器件具备进入远地工作方式的条件 4 SRQ ServiceRequest 服务请求 由器件用该线向控者发SRQ消息 请求控者服务 5 EOI EndofIdentify 结束或识别 此线与ATN线联合使用 有两种情况 1 EOI 1 ATN 0 此时为讲者使用 用以表示讲者正在发出最后一个字节 2 EOI 1 ATN 1 此时为控者使用 表示正在进行一次识别操作 即正在并行点名 注 ATN 0 EOI 0 讲者发送消息 数据模式 但未到达最后一个字节 ATN 1 EOI 0 控者发送接口消息 3 三根握手线 Handshake 三根握手线 通信联络线 是为保证控者或讲者在DIO线上发送的接口消息或器件消息准确无误地传送给听者 1 NRFD NotReadyforData 未准备好接收数据 所有听者的受者握手功能都用该线向控者或讲者表明是否准备好接收控者或讲者发来的数据 若NRFD 1 低电平 表明听者没准备好接收数据 若同时有多个听者 则在所有听者均准备好接收数据时 NRFD线的状态才能为高电平 即NRFD为0 RFD 1 否则NRFD保持低电平 即NRFD为1 RFD 0 表明系统中仍有听者没准备好接收数据 2 DAV DataValid 数据有效 控者或讲者的源握手功能通过DAV线发送数据有效消息 DAV 1向听者表明所发送的数据已放好在数据总线上 听者可以接收 3 NDAC NotDataAccepted 未接收到数据 听者通过该线向控者或讲者表明是否接收到数据 若NDAC 1 低电平 表示听者没接收到数据 若NDAC 0 高电平 表示听者接收到数据字节 若同时有多个听者时 则在所有听者均接收完数据时 NDAC线的状态才能为高电平 即NDAC0 DAC 1 否则 NDAC保持为低电平 即NDAC为1 DAC 0 表明系统中仍有听者未接收完数据 2 5三线握手 为保证在消息源 控者或讲者 与消息受者之间准确无误地传送和接收数据 而采用三根握手线NRFD DAV与NDAC进行通信联络的技术称为三线握手 控者或讲者通过源握手功能 SH 控制DAV 传送DAV消息 受者 听者 通过受者握手功能 AH 控制NRFD和NDAC线发送准备好接收数据RFD和接收完数据DAC消息 1 基本过程 1 发送者向数据母线发送数据 但并不宣布数据有效 即令DAV 0 2 接收者相继准备好接收数据 然后共同用NRFD 0向发送者表示已准备好接收数据 3 发送者确认所有接收者均已做好接收数据的准备 就发出DAV 1 4 当接收者确认数据可以接收时 信号NRFD 0已不必要再保留下去 因而恢复NRFD 1的状态 为下一次循环作准备 5 接收者开始接收数据 6 由于接收数据速度不同 接收者相继收到数据 当接收速度最慢的那一设备也接收完毕时 使母线NDAC为0状态 即令NDAC 0表示所有接收者均已接收数据完毕 7 当发送者确认各接收者都已接收数据完毕 原来发的 数据有效 信息DAV 1已不必保留了 故发DAV 0 同时将数据母线上的数据亦撤掉 8 各接收者根据收到的DAV 0信息恢复NDAC 1 到此DAV NRFD NDAC三线均已恢复原态 表示一次互锁联络循环的结束 并为下一次循环做好了准备 2 以波形图解释三线互锁联络过程 图2 5三线握手过程 t0 讲者初始态 DAV 0 听者初始态 NRFD 1 NDAC 1 t1 第一听者准备好接收数据 即nrfd 1 0 t2 数据源将数据放到DIO1 8线上 此时DAV 0 t3 系统中的多个听者都准备好接收数据时 NRFD 0 即发送RFD 1消息 t4 数据源收到RFD 1 确认所有听者都准备好接收数据后 通过源握手功能控制数据有效DAV线发出DAV 1 低电平 消息宣布数据有效 t5 作为听者收到数据有效消息DAV 1后 可以开始接收数据总上的字节 同时使NRFD线拉回低电平为下一字节的传送进行联络 因为继续保持RFD消息为真已无意义 t6 系统中所有的听者都接收完数据后 通过使未接收完数据线NDAC为 0 高电平 即发出DAC 1 告知数据源数据已接收完 t7 数据源收到DAC 1 确认所有的听者均接收完数据 继续保持DAV 1已无意义 为了做下一个字节传送联络的准备将DAV置为高电平 DAV 0 即数据无效 t8 当数据源发出DAV 0时