仪表总线技术及应用第4章GPIB总线技术课件.ppt
第4章GPIB总线技术,第2页,4.1 概述,4.2 GPIB总线的基本特性与总线结构,4.3 基本接口功能,4.4 GPIB总线系统中消息及其传递,4.5 三线联络基本过程,4.6 IEEE 488.2标准,4.7 GPIB接口芯片及接口设计,第3页,4.1概述,国际通用的仪器接口标准最初由美国HP公司研制，称为HP-IB标准。 1975年IEEE在此基础上加以改进，将其规范化为IEEE488标准予以推荐。1977年IEC又通过国际合作命名为IEC625国际标准。此后，这同一标准便在文献资料中使用了HPIB，IEEE488，GPIB，IECIB等多种称谓，但日渐普遍使用的名称是GPIB。,通用接口总线（General Purpose Interface Bus, GPIB），主要用于连接和控制多个可编程仪器，组建自动测试系统。,第4页,HP 设计 HP-IB,1965,1975,1987,1990,1992,1993,HP-IB成为IEEE488,IEEE488.1-1987IEEE488.2,SCPI被引入IEEE488,修订IEEE488.2,Standard Commands for Programmable Instruments,4.1概述,第5页,4.2 GPIB总线的基本特性与总线结构,第6页,4.2.1 基于GPIB总线的测试系统,TCCK瞬态波形存储器,GPIB总线,IEEE 488,打印机,绘图仪,键盘,监示器,图4.1 武器参数测试分析系统,第7页,4.2.1 基于GPIB总线的测试系统,在一个GP-IB标准接口总线系统中，要进行有效的通信联络至少有“讲者”、“听者”、“控者”三类仪器装置。,讲者是通过总线发送仪器消息的仪器装置（ 如测量仪器、数据采集器、计算机等），在一个 GP-IB系统中，可以设置多个讲者， 但在某一时刻，只能有一个讲者在起作用。,听者是通过总线接收由讲者发出消息的装置（如打印机、信号源等），在一个GP-IB系统中，可以设置多个听者，并且允许多个听者同时工作。,控者是数据传输过程中的组织者和控制者，例如对其他设备进行寻址或允许“讲者”使用总线等。控者通常由计算机担任，GP-IB系统不允许有两个或两个以上的控者同时起作用。,控者、讲者、听者被称为系统功能的三要素，对于系统中的某一台装置可以具有三要素中的一个、两个或全部。GP-IB系统中的计算机一般同时兼有讲者、听者与控者的功能。,第8页,GP-IB标准接口系统的基本特性如下：（1） 可连接的仪器数量。可以用一条总线互相连接若干台装置，以组成一个自动测试系统。 系统中装置的数目最多不超过15台，互连总线的长度不超过20m。（2） 数据传输采用并行比特（位）、串行字节（位组）双向异步传输方式，其最大传输速率不超过1兆字节每秒。（3） 总线上传输的消息采用负逻辑。低电平（0.8V）为逻辑“1”，高电平（2.0V）为逻辑“0”。（4） 地址容量。单字节地址：31个讲地址，31个听地址；双字节地址：961个讲地址，961个听地址。（5） 一般适用于电气干扰轻微的实验室和生产现场。,4.2.2 GPIB的总线特征,第9页,4.2.3 GPIB总线信号,图4.2 GPIB总线系统,GPIB总线电缆内共有16条信号线，按功能可分为以下三组：,第10页,4.2.3 GPIB总线信号,图4.3通用并行接口总线结构与接口能力,8条双向数据总线（DIO1DIO8）作用：传递仪器消息和大部分接口消息，包括数据、命令和地址。由于这一标准没有专门的地址总线和控制总线，因此必须用其余两组信号线来区分数据总线上信息的类型。,3条数据挂钩联络线（DAV，NRFD和NDAC）作用：控制数据总线的时序，以保证数据总线能正确、有节奏地传输信息，这种传输技术称为三线挂钩技术。,5条接口管理控制线（ATN，IFC，REN，EOI和SRQ）作用：控制GPIB总线接口的状态,第11页,GPIB的信号线除8条地线外，有以下三类信号线： （1）DIO1DIO8，数据总线，双向 除了用于传送数据外，还用于“听”、“讲”方式的设置，以及设备地址和设备控制信息的传送。即在D7D0上可以传送数据、设备地址和命令。这是因为该总线没有设置地址线和命令线，这些信息要通过数据线上的编码来产生。,GPIB总线信号定义说明,第12页,（2）字节传送控制线，在IEEE 488总线上数据传送采用异步握手（挂钩）联络方式，即用DAV、NRFD和NDAC 3根线进行握手联络。 DAV(Data Available)数据有效线。当由发送器控制的数据总线上的数据有效时，发送器置DAV为低电平，(逻辑1)，指示接收器可以从总线上接收数据。 NRFD(not ready for data)未准备好接收数据线，只要连接在总线上被指定为接收器中的设备，尚有一个未准备好接收数据，接收器就置NRFD线为有效低电平，示意发送器不要发出数据。当所有接收器都准备好时，NRFD变为高电平。 NDAC(not data accepted)未接收完数据，当总线上被指定为接收器的设备，有任何一个尚未接收完数据，它就置NDAC线为低电平，示意发送器不要撤销当前数据。只有当所有接收器都接收完数据后，此信号才变为高电平。,GPIB总线信号定义说明,第13页,（3）接口管理线，包括接口清零线、服务请求线、监视线、识别线和远程控制线。 IFC(interface clear)接口清零线。该线的状态由控制器建立，并作用于所有设备。当它为有效低电平时，整个IEEE 488总线停止工作，发送器停止发送，接收器停止接收。使系统处于已知的初始状态。它类似于复位信号RESET。可用计算机的复位键来产生IFC信号。 SRQ(service request)服务请求线。它用来指出某个设备请求控制器的服务，所有设备的请求线是“线或”在一起的，因此任何一个设备都可以使这条线有效，来向控制器请求服务。但请求能否得到控制器的响应，完全由程序安排，当系统中有计算机时，SRQ是发向计算机的中断请求线。,IEEE 488总线信号定义说明,第14页,ATN(attention line)监视线。它由控制器驱动，用它的不同状态对数据总线上的信息作出解释。当ATN“1”时，表示数据线上传送的是地址或命令，这时只有控制器能发送信息，其它设备都只能接收信息。当ATN“0”时，表示数据总线上传送的是数据。EOI(end or identify)结束或识别线。该线与ATN线一起指示是数据传送结束，还是用来识别一个具体设备。当ATN“0”时，这是进行数据传送，当传送最后一个字节使EOI“l”，表示数据传送结束，当ATN“1”时，若EOI“l”，则表示数据总线上是设备识别信息，即可得到请求服务的设备编码。REN(remote enable)远程控制线。该信号为低电平时，系统处于远程控制状态，设备面板开关、按键均不起作用；若该信号为高电平，则远程控制不起作用，本地面板控制开关、按键起作用。,GPIB总线信号定义说明,第15页,4.2.3 GPIB总线信号,表4.1 标准接口总线信号线,将GPIB通用接口的16条信号的名称、使用者、传递消息的类别归纳于表4.1中,第16页,4.2.4 GPIB总线的连接器,目前，国际上流行两种接插件标准：即25芯的IEC 625针形连接器和24芯的IEEE 488簧片形连接器，如图4.4所示。,图4.4两种总线连接器,第17页,GPIB总线使用24线组合插头座，其各引脚定义见下表。,第18页,4.3 基本接口功能,4.3.1 十大接口功能,接口功能的任务：完成系统中各仪器设备之间的通讯，确保系统正常工作。 GPIB标准把全部逻辑功能概括为十种接口功能： 一、前述的控者功能（C）、讲者功能（T）和听者功能（L）是一个自动测试系统中必不可少的三种最基本的功能。 二、为使系统可靠进行三线挂钩，又设置了源挂钩功能（SH）和受者挂钩功能（AH）。,第19页,4.3 基本接口功能,表4.2 GPIB十大接口功能,第20页,4.3.2 器件功能,仪器功能的任务：把收到的控制信息变成仪器设备的实际动作，如调节频率、调节信号电平、改变仪器的工作方式等等，这与常规仪器设备的功能基本相同，不同测量仪器的仪器功能存在很大差异。,4.3.3 接口功能的子集,表4.3 接口功能的子集（1）,第21页,4.3.1 十大接口功能,表4.3 接口功能的子集（2）,第22页,4.4 GPIB总线系统中消息及其传递,总线消息的分类：,按传递的途径来分，总线上传递的消息可分为本地消息和远地消息两种。远地消息是经总线传递的消息，它可以是仪器消息也可以是接口消息，用三个大写英文字母表示，如MLA（我的听地址）。本地消息是由仪器本身产生并在仪器内部传递的消息， 用三个小写英文字母表示，如pon（电源开）。,按使用信号线的数目来分，总线上传递的消息可又分为单线消息和多线消息两种。用两条或两条以上信号线传递的消息称多线消息，例如各种通令、指令、地址数据等。通过一条信号线传输的消息称为单线消息，例如ATN，IFC等。,按用途来分，总线上传递的消息可分为接口消息和仪器消息两大类。,4.4.1 消息分类,第23页,4.4.2 接口消息及其编码,为确保接口的通用性，接口消息编码格式必须作出统一明确的规定。单线接口消息通过一条信号线传输消息，无需编码。多线接口消息是通过DIO线来传输的消息， 需要统一编码。,表4.4 多线接口消息分类,第24页,4.4.3 多地址使用情况,在实际应用中，有的器件往往具有不止一个讲功能与听功能，例如，纸带记录仪有负责发送和接收数据的一对讲功能与听功能，还另设一听功能来专门接收程控指令。两个听功能必须对应两个听地址。这样做的优点是不仅有利于器件功能的设计，而且能简化程序的编制。,1. 第二主地址,图4.5 具有两个听地址的设备,2. 扩展地址,图4.6 设备用扩展寻址,第25页,4.4.4 接口系统的消息传递,图4.7 器件内功能配置及消息传递途径,图4.7概略地说明了一个器件内部功能的配置以及消息的传递途径。,B区为器件功能区域，即所谓器件的次接口，它的功能是与器件的具体特性密切相关的。其任务在于把接收到的编码信息变换成器件的实际动作（如变换波段、调节频率、调节信号电平、改变器件本身的工作方式等）。,A区为接口功能区域，在此区域，设计者必须严格遵照通用接口系统的各项有关规定，不能自行规定标准以外任何新的接口功能。,第26页,4.5 三线联络基本过程,GPIB标准接口系统每传递一个字节或一个多线接口消息，都要进行一次三线联络过程，只有这样才能确保消息正确、可靠、异步的传递。因此，在源者和受者之间频繁地进行信息交换的过程中，也就频繁地伴随着三线联络过程。,4.5.1 三线联络的基本原则,三线联络的基本原则是：对于多线消息发送者，即源者而言，只有当接收者，即受者（听者）都做好了接收消息的准备，才能宣布送到数据线上的消息是有效的；只有所有受者都接收完以后才能撤消数据线上的消息。对于受者而言，只有确知数据线上的消息是自己应该接收的并且在源者宣布数据有效时才接收。,第27页,4.5.2 三线联络的基本过程,图4.8 三线联络过程流程图,图4.9 三线联络波形图,第28页,GPIB总线传送数据时序,GPIB总线上数据传送采用异步方式，即每传送一个字节数据都要利用DAV，NRFD和NDAC 3条信号线进行握手联络。数据传送的时序图如图所示。 从时序图可见，总线上每传送一个字节数据，就有一次DAV，NRFD和NDAC 3线握手过程。,第29页,GPIB总线传送数据时序,原始状态讲者置DAV为高电平；听者置NRFD和NDAC两线为低电平。讲者测试NRFD，NDAC两线的状态，若它们同时为低电平时，则讲者将数据送上数据总线D7D0。中虚线表示一个设备接着一个设备陆续做好了接收数据准备(如打印机“不忙”)。所有接收设备都已准备就绪，NRFD变为高电平。当NRFD为高电平，而且数据总线上的数据已稳定后。讲者使DAV线变低，告诉听者数据总线上的数据有效。听者一旦识别到这点，便立即将NRFD拉回低电平，这意味着在结束处理此数据之前不准备再接收另外的数据。,第30页,听者开始接收数据，最早接收完数据的听者欲使NDAC变高(如图中虚线示)。但其它听者尚未接收完数据；故NDAC线仍保持低电平。只有当所有的听者都接收完毕此字节数据后，NDAC线才变为高电平。讲者确认NDAC线变高后就升高DAV线。讲者撤销数据总线上的数据。听者确认DAV线为高后置NDAC为低，以便开始传送另一数据字节。至此完成传送一个数据字节的3线握手联络全过程。 以后按图定时关系重复进行。从数据传送的过程可见，GPIB总线上数据传送是按异步方式进行的,总线上若是快速设备，则数据传送就快，若是慢速设备，则数据传送就慢。也就是说数据传送的定时是很灵活的。这意味着可以将不同速度的设备同时挂在GPIB总线上。,GPIB总线传送数据时序,第31页,GPIB总线传送数据时序,第32页,4.6 IEEE 488.2标准,GPIB接口总线的基础标准IEEE488.1主要规定了GPIB总线的硬件接口功能及数据传送的三线联络方式，保证了系统中各仪器间有正确的电气操作和机械连接，并提供传送数据的可靠方法。,但IEEE 488.1对软件运行的统一标准要求，即代码格式，通信协议和公用命令方面并没有做出统一规定。各仪器制造商在遵循IEEE 488.1标准的条件下，可自行规定数据格式及通信协议，因此系统设计者为保证系统的正确运行，除了必须知道各种仪器本身的测量功能外，还必须了解系统中每个仪器器件的接口功能及各仪器制造商规定的控制指令的数据格式和通信协议。,4.6.1 IEEE 488.2标准的主要内容,用功能子集的形式规定了器件在IEEE 488.2必须有IEEE 488.1讲者、听者、 源挂钩、听者挂钩、器件清零和服务请求等接口功能作为最低要求的配置。,明确规定了程控和响应消息语法结构。,定义了包括出错处理在内的详细信息处理规程，确保可靠传递主控者发出的程控命令和仪器发生的响应信息。,第33页,4.6.1 IEEE 488.2标准的主要内容,定义了具有广泛用途的公用命令。,规定了标准的状态报告结构,定义了系统地址分配和同步规程协议。,4.6.2 IEEE 488.2器件功能命令集,表4.5 IEEE 488.2必须的公用命令,IEEE 488.2规定了一套代码和格式，提供给挂接在IEEE 488.1总线上的仪器器件使用，同时还定义了不限定于特定仪器的信息交换通信协议的统一标准和仪器使用的公用命令。,规定了标准的状态报告结构,定义了系统地址分配和同步规程协议。,第34页,4.6.3 IEEE 488.2控制器,表4.6 IEEE 488.2必选的和可选的控制序列,控制序列,控制器协议,表4.7 IEEE 488.2控制器协议,第35页,4.6.4 IEEE 488.2的状态报告模型,图4.10 IEEE 488.2状态报告模型,IEEE 488.2规定了标准化的状态报告，从这状态报告中，控制器能精确地知道如何从系统中的每台仪器获得状态信息。这状态报告模型建立在IEEE 488.2状态字节之上，提供更详细的状态信息说明。图4.10为一状态报告模型。,第36页,4.6.5 IEEE 488的性能扩展,图4.11 GPIB通用接口总线仪器标准的发展过程D层 器件功能；C层 公共系统功能；B层 消息功能；A层 接口功能。,在GPIB总线的发展中，从IEEE 488.1标准定义了硬件接口功能及数据传送的三线挂钩方式，到IEEE 488.2标准增加规定了GPIB控制和通信软件中的数据结构、语法规则和控制语句。这在很大程度上解决了使用GPIB控制时所遇到的软件标准问题。,IEEE 488.1、IEEE 488.2和SCPI标准的发展过程和其性能范围如图4.11所示 ：,第37页,4.7 GPIB接口芯片及接口设计,4.7.1 GPIB接口芯片,GPIB接口芯片分为以下两种类型：,芯片必须与微处理器配合使用，经过编程才能形成各种接口功能。因此这类芯片又称为可编程GPIB接口芯片。属于这类接口芯片的主要有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。,芯片不需要微处理器的支持，它的各种接口功能不是依靠软件编程设定，而是由硬件逻辑电路产生的。因此，这类芯片又称为不可编程GPIB接口芯片。属于这类接口芯片的主要有Fairchild公司的96LS488、NPC公司的SM8530B、Philips公司的HEF4738等。,第38页,4.7.2 TMS-9914A可编程GPIB接口芯片应用,TMS-9914A的连接,TMS-9914A的内部寄存器,TMS9914A接口功能的指定,TMS9914A的编程实例,第39页,4.7.2 TMS-9914A可编程GPIB接口芯片应用,图4.16 TMS-9914A与MCS-51单片机的连接,TMS-9914A的连接,第40页,TMS-9914A的内部寄存器,表4.14 TMS-9914A内部寄存器,4.7.2 TMS-9914A可编程GPIB接口芯片应用,第41页,4.7.2 TMS-9914A可编程GPIB接口芯片应用,控者功能指定,讲者功能任命,听者功能任命,TMS9914A接口功能的指定,第42页,4.7.2 TMS-9914A可编程GPIB接口芯片应用,TMS-9914A的编程实例,图4.17 INIT初始化程序流程图,图4.18子程序EXDATA程序流程图,初始化子程序INIT,任命讲者、听者子程序EXDATA,发送设备消息子程序SDATA,第43页,图4.17 INIT初始化程序流程图,4.7.2 TMS-9914A可编程GPIB接口芯片应用,初始化子程序INIT,第44页,4.7.2 TMS-9914A可编程GPIB接口芯片应用,图4.18子程序EXDATA程序流程图,任命讲者、听者子程序EXDATA,第45页,Y,Y,N,N,通过MCS-51读中断状态寄存器使BO复位,MCS-51取听者地址码，写入数据输出寄存器，任命听者,MCS-51辅令寄存器写入ton=1辅令，任命自己为讲者,MCS-51向辅令寄存器写入gts=1辅令,发送ATN=0，使控功能暂停,MCS-51读取寻址状态寄存器，询问自己是否为TACS（讲作用态）,设备消息首址（DE）设备消息字节数（BC）,MCS-51把设备消息写入数据输出寄存器,（BC）=0？,（DE）+1（DE）（BC）+1（BC）,用中断方式（BO）发送,这是最后一个字节MCS-51写辅令寄存器feoi=1驱动EOI,用中断方式（BO）发送,MCS-51写辅令寄存器tcs=1，使ATN=0，使控者为作用态,MCS-51读总线状态寄存器，判别ATN=1,MCS-51向辅令寄存器写入的ton辅令，使讲者地位解除,返 回,N,Y,4.7.2 TMS-9914A可编程GPIB接口芯片应用,图4.19 SDATA子程序流程图,发送设备消息子程序SDATA,The End,
