1、第4章 GPIB總線技術(shù),第2頁,4.1 概述,4.2 GPIB總線的基本特性與總線結(jié)構(gòu),4.3 基本接口功能,4.4 GPIB總線系統(tǒng)中消息及其傳遞,4.5 三線聯(lián)絡(luò)基本過程,4.6 IEEE 488.2標(biāo)準(zhǔn),4.7 GPIB接口芯片及接口設(shè)計,第3頁,4.1概述,國際通用的儀器接口標(biāo)準(zhǔn)最初由美國HP公司研制，稱為 HP-IB標(biāo)準(zhǔn)。 1975年IEEE在此基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，將其規(guī)范化為 IEEE488標(biāo)準(zhǔn)予以推薦。1977年IEC又通過國際合作命名為 IEC625國際標(biāo)準(zhǔn)。此后，這同一標(biāo)準(zhǔn)便在文獻(xiàn)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G

2、PIB。,通用接口總線（General Purpose Interface Bus, GPIB），主要用于連接和控制多個可編程儀器，組建自動測試系統(tǒng)。,第4頁,HP 設(shè)計 HP-IB,1965,1975,1987,1990,1992,1993,HP-IB成為 IEEE488,IEEE488.1-1987 IEEE488.2,SCPI被引入IEEE488,修訂IEEE488.2,Standard Commands for Programmable Instruments,4.1概述,第5頁,4.2 GPIB總線的基本特性與總線結(jié)構(gòu),第6頁,4.2.1 基于GPIB總線的測試系統(tǒng),TCCK 瞬態(tài)波

3、形 存儲器,GPIB總線,IEEE 488,打印機(jī),繪圖儀,鍵盤,監(jiān)示器,圖4.1 武器參數(shù)測試分析系統(tǒng),第7頁,4.2.1 基于GPIB總線的測試系統(tǒng),在一個GP-IB標(biāo)準(zhǔn)接口總線系統(tǒng)中，要進(jìn)行有效的通信聯(lián)絡(luò)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(jī)等），在一個 GP-IB系統(tǒng)中，可以設(shè)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(jī)、信號源等），在一個GP-IB系統(tǒng)中，可以設(shè)置多個聽者，并且允許多個聽者同時工作。,控者是數(shù)據(jù)傳輸過程中的組織者和控制者，例如對其

4、他設(shè)備進(jìn)行尋址或允許“講者”使用總線等。控者通常由計算機(jī)擔(dān)任，GP-IB系統(tǒng)不允許有兩個或兩個以上的控者同時起作用。,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(jī)一般同時兼有講者、聽者 與控者的功能。,第8頁,GP-IB標(biāo)準(zhǔn)接口系統(tǒng)的基本特性如下： （1） 可連接的儀器數(shù)量?？梢杂靡粭l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1兆字節(jié)每秒。 （3） 總線上

5、傳輸?shù)南⒉捎秘?fù)邏輯。低電平（0.8V）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。,4.2.2 GPIB的總線特征,第9頁,4.2.3 GPIB總線信號,圖4.2 GPIB總線系統(tǒng),GPIB總線電纜內(nèi)共有16條信號線，按功能可分為以下三組：,第10頁,4.2.3 GPIB總線信號,圖4.3通用并行接口總線結(jié)構(gòu)與接口能力,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(biāo)準(zhǔn)沒有專門的地

6、址總線和控制總線，因此必須用其余兩組信號線來區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)總線上信息的類型。,3條數(shù)據(jù)掛鉤聯(lián)絡(luò)線（DAV，NRFD和NDAC） 作用：控制數(shù)據(jù)總線的時序，以保證數(shù)據(jù)總線能正確、有節(jié)奏地傳輸信息，這種傳輸技術(shù)稱為三線掛鉤技術(shù)。,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),第11頁,GPIB的信號線除8條地線外，有以下三類信號線： （1）DIO1DIO8，數(shù)據(jù)總線，雙向 除了用于傳送數(shù)據(jù)外，還用于“聽”、“講”方式的設(shè)置，以及設(shè)備地址和設(shè)備控制信息的傳送。即在D7D0上可以傳送數(shù)據(jù)、設(shè)備地址和命令。這是因為該總線沒有設(shè)置地址線和命令線，這些信息要通過數(shù)據(jù)

7、線上的編碼來產(chǎn)生。,GPIB總線信號定義說明,第12頁,（2）字節(jié)傳送控制線，在IEEE 488總線上數(shù)據(jù)傳送采用異步握手（掛鉤）聯(lián)絡(luò)方式，即用DAV、NRFD和NDAC 3根線進(jìn)行握手聯(lián)絡(luò)。 DAV(Data Available)數(shù)據(jù)有效線。當(dāng)由發(fā)送器控制的數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)有效時，發(fā)送器置DAV為低電平，(邏輯1)，指示接收器可以從總線上接收數(shù)據(jù)。 NRFD(not ready for data)未準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)線，只要連接在總線上被指定為接收器中的設(shè)備，尚有一個未準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)，接收器就置NRFD線為有效低電平，示意發(fā)送器不要發(fā)出數(shù)據(jù)。當(dāng)所有接收器都準(zhǔn)備好時，NRFD變?yōu)楦唠娖健?NDAC

8、(not data accepted)未接收完數(shù)據(jù)，當(dāng)總線上被指定為接收器的設(shè)備，有任何一個尚未接收完數(shù)據(jù)，它就置NDAC線為低電平，示意發(fā)送器不要撤銷當(dāng)前數(shù)據(jù)。只有當(dāng)所有接收器都接收完數(shù)據(jù)后，此信號才變?yōu)楦唠娖健?GPIB總線信號定義說明,第13頁,（3）接口管理線，包括接口清零線、服務(wù)請求線、監(jiān)視線、識別線和遠(yuǎn)程控制線。 IFC(interface clear)接口清零線。該線的狀態(tài)由控制器建立，并作用于所有設(shè)備。當(dāng)它為有效低電平時，整個IEEE 488總線停止工作，發(fā)送器停止發(fā)送，接收器停止接收。使系統(tǒng)處于已知的初始狀態(tài)。它類似于復(fù)位信號RESET?？捎糜嬎銠C(jī)的復(fù)位鍵來產(chǎn)生IFC信號。

9、SRQ(service request)服務(wù)請求線。它用來指出某個設(shè)備請求控制器的服務(wù)，所有設(shè)備的請求線是“線或”在一起的，因此任何一個設(shè)備都可以使這條線有效，來向控制器請求服務(wù)。但請求能否得到控制器的響應(yīng)，完全由程序安排，當(dāng)系統(tǒng)中有計算機(jī)時，SRQ是發(fā)向計算機(jī)的中斷請求線。,IEEE 488總線信號定義說明,第14頁,ATN(attention line)監(jiān)視線。它由控制器驅(qū)動，用它的不同狀態(tài)對數(shù)據(jù)總線上的信息作出解釋。 當(dāng)ATN“1”時，表示數(shù)據(jù)線上傳送的是地址或命令，這時只有控制器能發(fā)送信息，其它設(shè)備都只能接收信息。 當(dāng)ATN“0”時，表示數(shù)據(jù)總線上傳送的是數(shù)據(jù)。 EOI(end or

10、identify)結(jié)束或識別線。該線與ATN線一起指示是數(shù)據(jù)傳送結(jié)束，還是用來識別一個具體設(shè)備。當(dāng)ATN“0”時，這是進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，當(dāng)傳送最后一個字節(jié)使EOI“l(fā)”，表示數(shù)據(jù)傳送結(jié)束，當(dāng)ATN“1”時，若EOI“l(fā)”，則表示數(shù)據(jù)總線上是設(shè)備識別信息，即可得到請求服務(wù)的設(shè)備編碼。 REN(remote enable)遠(yuǎn)程控制線。該信號為低電平時，系統(tǒng)處于遠(yuǎn)程控制狀態(tài)，設(shè)備面板開關(guān)、按鍵均不起作用；若該信號為高電平，則遠(yuǎn)程控制不起作用，本地面板控制開關(guān)、按鍵起作用。,GPIB總線信號定義說明,第15頁,4.2.3 GPIB總線信號,表4.1 標(biāo)準(zhǔn)接口總線信號線,將GPIB通用接口的16條信號的名稱

11、、使用者、傳遞消息的類別歸納于表4.1中,第16頁,4.2.4 GPIB總線的連接器,目前，國際上流行兩種接插件標(biāo)準(zhǔn)：即25芯的IEC 625針形連接器和24芯的IEEE 488簧片形連接器，如圖4.4所示。,圖4.4兩種總線連接器,第17頁,GPIB總線使用24線組合插頭座，其各引腳定義見下表。,第18頁,4.3 基本接口功能,4.3.1 十大接口功能,接口功能的任務(wù)：完成系統(tǒng)中各儀器設(shè)備之間的通訊，確保系統(tǒng)正常工作。 GPIB標(biāo)準(zhǔn)把全部邏輯功能概括為十種接口功能： 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)可靠進(jìn)行

12、三線掛鉤，又設(shè)置了源掛鉤功能（SH）和受者掛鉤功能（AH）。,第19頁,4.3 基本接口功能,表4.2 GPIB十大接口功能,第20頁,4.3.2 器件功能,儀器功能的任務(wù)：把收到的控制信息變成儀器設(shè)備的實際動作，如調(diào)節(jié)頻率、調(diào)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(shè)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。,4.3.3 接口功能的子集,表4.3 接口功能的子集（1）,第21頁,4.3.1 十大接口功能,表4.3 接口功能的子集（2）,第22頁,4.4 GPIB總線系統(tǒng)中消息及其傳遞,總線消息的分類：,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(yuǎn)地消息兩種。遠(yuǎn)地消

13、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(nèi)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。,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。,4.4.1 消息分類,第23頁,4.4.2 接口消息及其編碼,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

14、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。,表4.4 多線接口消息分類,第24頁,4.4.3 多地址使用情況,在實際應(yīng)用中，有的器件往往具有不止一個講功能與聽功能，例如，紙帶記錄儀有負(fù)責(zé)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的一對講功能與聽功能，還另設(shè)一聽功能來專門接收程控指令。兩個聽功能必須對應(yīng)兩個聽地址。這樣做的優(yōu)點是不僅有利于器件功能的設(shè)計，而且能簡化程序的編制。,1. 第二主地址,圖4.5 具有兩個聽地址的設(shè)備,2. 擴(kuò)展地址,圖4.6 設(shè)備用擴(kuò)展尋址,第25頁,4.4.4 接口系統(tǒng)的消息傳遞,圖4.7 器件內(nèi)功能配置及消息傳遞途徑,圖4.7概略地說明了一

15、個器件內(nèi)部功能的配置以及消息的傳遞途徑。,B區(qū)為器件功能區(qū)域，即所謂器件的次接口，它的功能是與器件的具體特性密切相關(guān)的。其任務(wù)在于把接收到的編碼信息變換成器件的實際動作（如變換波段、調(diào)節(jié)頻率、調(diào)節(jié)信號電平、改變器件本身的工作方式等）。,A區(qū)為接口功能區(qū)域，在此區(qū)域，設(shè)計者必須嚴(yán)格遵照通用接口系統(tǒng)的各項有關(guān)規(guī)定，不能自行規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)以外任何新的接口功能。,第26頁,4.5 三線聯(lián)絡(luò)基本過程,GPIB標(biāo)準(zhǔn)接口系統(tǒng)每傳遞一個字節(jié)或一個多線接口消息，都要進(jìn)行一次三線聯(lián)絡(luò)過程，只有這樣才能確保消息正確、可靠、異步的傳遞。因此，在源者和受者之間頻繁地進(jìn)行信息交換的過程中，也就頻繁地伴隨著三線聯(lián)絡(luò)過程。,4.5

16、.1 三線聯(lián)絡(luò)的基本原則,三線聯(lián)絡(luò)的基本原則是：對于多線消息發(fā)送者，即源者而言，只有當(dāng)接收者，即受者（聽者）都做好了接收消息的準(zhǔn)備，才能宣布送到數(shù)據(jù)線上的消息是有效的；只有所有受者都接收完以后才能撤消數(shù)據(jù)線上的消息。對于受者而言，只有確知數(shù)據(jù)線上的消息是自己應(yīng)該接收的并且在源者宣布數(shù)據(jù)有效時才接收。,第27頁,4.5.2 三線聯(lián)絡(luò)的基本過程,圖4.8 三線聯(lián)絡(luò)過程流程圖,圖4.9 三線聯(lián)絡(luò)波形圖,第28頁,GPIB總線傳送數(shù)據(jù)時序,GPIB總線上數(shù)據(jù)傳送采用異步方式，即每傳送一個字節(jié)數(shù)據(jù)都要利用DAV，NRFD和NDAC 3條信號線進(jìn)行握手聯(lián)絡(luò)。數(shù)據(jù)傳送的時序圖如圖所示。 從時序圖可見，總線上

17、每傳送一個字節(jié)數(shù)據(jù)，就有一次DAV，NRFD和NDAC 3線握手過程。,第29頁,GPIB總線傳送數(shù)據(jù)時序,原始狀態(tài)講者置DAV為高電平；聽者置NRFD和NDAC兩線為低電平。 講者測試NRFD，NDAC兩線的狀態(tài)，若它們同時為低電平時，則講者將數(shù)據(jù)送上數(shù)據(jù)總線D7D0。 中虛線表示一個設(shè)備接著一個設(shè)備陸續(xù)做好了接收數(shù)據(jù)準(zhǔn)備(如打印機(jī)“不忙”)。 所有接收設(shè)備都已準(zhǔn)備就緒，NRFD變?yōu)楦唠娖健?當(dāng)NRFD為高電平，而且數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)已穩(wěn)定后。講者使DAV線變低，告訴聽者數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)有效。 聽者一旦識別到這點，便立即將NRFD拉回低電平，這意味著在結(jié)束處理此數(shù)據(jù)之前不準(zhǔn)備再接收另外的數(shù)據(jù)。

18、,第30頁,聽者開始接收數(shù)據(jù)，最早接收完數(shù)據(jù)的聽者欲使NDAC變高(如圖中虛線示)。但其它聽者尚未接收完數(shù)據(jù)；故NDAC線仍保持低電平。 只有當(dāng)所有的聽者都接收完畢此字節(jié)數(shù)據(jù)后，NDAC線才變?yōu)楦唠娖健?講者確認(rèn)NDAC線變高后就升高DAV線。 講者撤銷數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)。 聽者確認(rèn)DAV線為高后置NDAC為低，以便開始傳送另一數(shù)據(jù)字節(jié)。至此完成傳送一個數(shù)據(jù)字節(jié)的3線握手聯(lián)絡(luò)全過程。 以后按圖定時關(guān)系重復(fù)進(jìn)行。從數(shù)據(jù)傳送的過程可見，GPIB總線上數(shù)據(jù)傳送是按異步方式進(jìn)行的,總線上若是快速設(shè)備，則數(shù)據(jù)傳送就快，若是慢速設(shè)備，則數(shù)據(jù)傳送就慢。也就是說數(shù)據(jù)傳送的定時是很靈活的。這意味著可以將不同速度的

19、設(shè)備同時掛在GPIB總線上。,GPIB總線傳送數(shù)據(jù)時序,第31頁,GPIB總線傳送數(shù)據(jù)時序,第32頁,4.6 IEEE 488.2標(biāo)準(zhǔn),GPIB接口總線的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)IEEE488.1主要規(guī)定了GPIB總線的硬件接口功能及數(shù)據(jù)傳送的三線聯(lián)絡(luò)方式，保證了系統(tǒng)中各儀器間有正確的電氣操作和機(jī)械連接，并提供傳送數(shù)據(jù)的可靠方法。,但I(xiàn)EEE 488.1對軟件運行的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)要求，即代碼格式，通信協(xié)議和公用命令方面并沒有做出統(tǒng)一規(guī)定。各儀器制造商在遵循IEEE 488.1標(biāo)準(zhǔn)的條件下，可自行規(guī)定數(shù)據(jù)格式及通信協(xié)議，因此系統(tǒng)設(shè)計者為保證系統(tǒng)的正確運行，除了必須知道各種儀器本身的測量功能外，還必須了解系統(tǒng)中每個儀器

20、器件的接口功能及各儀器制造商規(guī)定的控制指令的數(shù)據(jù)格式和通信協(xié)議。,4.6.1 IEEE 488.2標(biāo)準(zhǔn)的主要內(nèi)容,用功能子集的形式規(guī)定了器件在IEEE 488.2必須有IEEE 488.1講者、聽者、 源掛鉤、聽者掛鉤、器件清零和服務(wù)請求等接口功能作為最低要求的配置。,明確規(guī)定了程控和響應(yīng)消息語法結(jié)構(gòu)。,定義了包括出錯處理在內(nèi)的詳細(xì)信息處理規(guī)程，確?？煽總鬟f主控者發(fā)出的程控命令和儀器發(fā)生的響應(yīng)信息。,第33頁,4.6.1 IEEE 488.2標(biāo)準(zhǔn)的主要內(nèi)容,定義了具有廣泛用途的公用命令。,規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)的狀態(tài)報告結(jié)構(gòu),定義了系統(tǒng)地址分配和同步規(guī)程協(xié)議。,4.6.2 IEEE 488.2器件功能命令

21、集,表4.5 IEEE 488.2必須的公用命令,IEEE 488.2規(guī)定了一套代碼和格式，提供給掛接在IEEE 488.1總線上的儀器器件使用，同時還定義了不限定于特定儀器的信息交換通信協(xié)議的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和儀器使用的公用命令。,規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)的狀態(tài)報告結(jié)構(gòu),定義了系統(tǒng)地址分配和同步規(guī)程協(xié)議。,第34頁,4.6.3 IEEE 488.2控制器,表4.6 IEEE 488.2必選的和可選的控制序列,控制序列,控制器協(xié)議,表4.7 IEEE 488.2控制器協(xié)議,第35頁,4.6.4 IEEE 488.2的狀態(tài)報告模型,圖4.10 IEEE 488.2狀態(tài)報告模型,IEEE 488.2規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)化的狀態(tài)報

22、告，從這狀態(tài)報告中，控制器能精確地知道如何從系統(tǒng)中的每臺儀器獲得狀態(tài)信息。這狀態(tài)報告模型建立在IEEE 488.2狀態(tài)字節(jié)之上，提供更詳細(xì)的狀態(tài)信息說明。圖4.10為一狀態(tài)報告模型。,第36頁,4.6.5 IEEE 488的性能擴(kuò)展,圖4.11 GPIB通用接口總線儀器標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展過程 D層 器件功能；C層 公共系統(tǒng)功能；B層 消息功能；A層 接口功能。,在GPIB總線的發(fā)展中，從IEEE 488.1標(biāo)準(zhǔn)定義了硬件接口功能及數(shù)據(jù)傳送的三線掛鉤方式，到IEEE 488.2標(biāo)準(zhǔn)增加規(guī)定了GPIB控制和通信軟件中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、語法規(guī)則和控制語句。這在很大程度上解決了使用GPIB控制時所遇到的軟件標(biāo)準(zhǔn)問題

23、。,IEEE 488.1、IEEE 488.2和SCPI標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展過程和其性能范圍如圖4.11所示 ：,第37頁,4.7 GPIB接口芯片及接口設(shè)計,4.7.1 GPIB接口芯片,GPIB接口芯片分為以下兩種類型：,芯片必須與微處理器配合使用，經(jīng)過編程才能形成各種接口功能。因此這類芯片又稱為可編程GPIB接口芯片。屬于這類接口芯片的主要有Motorola公司的MC-68488、Intel公司的8291/8292、Texas Instruments公司的TMS-9914、NEC公司的PD7210等。,芯片不需要微處理器的支持，它的各種接口功能不是依靠軟件編程設(shè)定，而是由硬件邏輯電路產(chǎn)生的。因此，

24、這類芯片又稱為不可編程GPIB接口芯片。屬于這類接口芯片的主要有Fairchild公司的96LS488、NPC公司的SM8530B、Philips公司的HEF4738等。,第38頁,4.7.2 TMS-9914A可編程GPIB接口芯片應(yīng)用,TMS-9914A的連接,TMS-9914A的內(nèi)部寄存器,TMS9914A接口功能的指定,TMS9914A的編程實例,第39頁,4.7.2 TMS-9914A可編程GPIB接口芯片應(yīng)用,圖4.16 TMS-9914A與MCS-51單片機(jī)的連接,TMS-9914A的連接,第40頁,TMS-9914A的內(nèi)部寄存器,表4.14 TMS-9914A內(nèi)部寄存器,4.7.2 TMS-9914A可編程GPI