GPIB控制器軟件的IP核設(shè)計(jì)方案詳解

GPIB控制器軟件的IP核設(shè)計(jì)方案詳解隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與通信技術(shù)的高速發(fā)展，測試儀器和測試技術(shù)發(fā)生了革命性變化，“網(wǎng)絡(luò)就是儀器”確切地概括了測試儀器間的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展趨勢。組建網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)資源共享，而且組建系統(tǒng)方便，還可提高測試系統(tǒng)的復(fù)雜度，拓寬其應(yīng)用范圍。筆者采用CPLD芯片實(shí)現(xiàn)GPIB控制器的IP核設(shè)計(jì)完成芯片NAT9914的產(chǎn)權(quán)自主化，從而大大降低了開發(fā)成本。1GPIB控制器方案設(shè)計(jì)通用接口總線（GeneralPurposeInterfaceBus，GPIB）使自動化測試儀器的互聯(lián)有了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，極大地推動了自動測試技術(shù)的發(fā)展。GPIB總線具有并行總線傳送速度快、有效數(shù)據(jù)速率高、驅(qū)動能力強(qiáng)、通信距離可達(dá)20m、抗干擾能力良好及通用性特點(diǎn)，總線上最多可掛接15臺設(shè)備并且傳輸速度可以達(dá)到8Mbit/s，因此有良好的應(yīng)用前景［1］，其自動測試系統(tǒng)組建如圖1所示。圖1GPIB控制器組建的自動測試系統(tǒng)框圖GPIB控制器IP核設(shè)計(jì)采用模塊化思想，主要模塊包括狀態(tài)機(jī)模塊、數(shù)據(jù)通路模塊和譯碼電路模塊。對狀態(tài)機(jī)模塊的設(shè)計(jì)包括8個(gè)小模塊（如源方掛鉤及受方掛鉤等），采用VHDL語言對各個(gè)小模塊進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，最后調(diào)用各子模塊并用原理圖的方式進(jìn)行狀態(tài)機(jī)頂層模塊設(shè)計(jì)，并在Synplify以及QuartusⅡ平臺進(jìn)行分析和仿真。對數(shù)據(jù)通路的設(shè)計(jì)也采用同樣的方式，先對各個(gè)子模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行整體設(shè)計(jì)。最后調(diào)用狀態(tài)機(jī)頂層模塊、數(shù)據(jù)通路頂層模塊及多線消息譯碼電路模塊等進(jìn)行GPIB控制器IP核的頂層設(shè)計(jì)。完成整個(gè)IPCore設(shè)計(jì)后，通過JTAG下載方式將Core下載到選定的DE2專用開發(fā)套件CPLD芯片進(jìn)行通信設(shè)置驗(yàn)證，成功后再搭建硬件，從而得到實(shí)體化GPIB控制器。2GPIB控制器IP核設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)2．1接口控制電路的工作原理GPIB總線是一種24芯的并行無源總線，由8根地線和16根信號線組成。16根信號線為8根數(shù)據(jù)線（DIO1～DIO8）、3根握手線（DAV、NRFD、NDAC）和5根管理線（ATN、REN、IFC、EOI、SRQ）。數(shù)據(jù)傳輸采用位并行、字節(jié)串行的雙向異步傳輸方式。需要注意的是：GPIB采用的是負(fù)邏輯，即低電平（不大于0．8V）為邏輯1，高電平（不小于2．0V）為邏輯0［2］。GPIB總線的基本原理是將控者作為服務(wù)器，利用編程并通過GPIB總線實(shí)現(xiàn)對各個(gè)儀器的控制，同時(shí)各個(gè)儀器也通過操作GPIB控制芯片來實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸，其輸出到GPIB母線上的信號符合IEEE488標(biāo)準(zhǔn)，從而達(dá)到自動控制和測試的目的。2．2模塊設(shè)計(jì)GPIB控制器的設(shè)計(jì)主要包括3個(gè)模塊：接口功能模塊、多線消息譯碼器和數(shù)據(jù)通路模塊。2．2．1與GPIB母線通信的接口功能模塊在GPIB系統(tǒng)中，把器件與GPIB總線的一種交互作用定義成一種接口功能，實(shí)質(zhì)上是一組邏輯功能，實(shí)現(xiàn)IEEE488通信協(xié)議。該功能模塊是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，在接口功能子集的選擇上也有一定的要求，主要實(shí)現(xiàn)各子接口功能，即：源方掛鉤SH、講者T、聽者L、服務(wù)請求SRQ及遠(yuǎn)控本控RL等。各接口模塊功能采用同步MOORE狀態(tài)機(jī)（只與當(dāng)前信號有關(guān)，與輸入信號無關(guān)）實(shí)現(xiàn)。在各子接口模塊功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行頂層狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)，即：調(diào)用各子模塊，用原理圖方式對其進(jìn)行互聯(lián)式設(shè)計(jì)，并用VHDL語言完成對狀態(tài)機(jī)的描述，實(shí)現(xiàn)的邏輯功能如圖2所示。其中，輸入信號有：GPIB母線信號（ATN、DAV、IFC、REN、NDAC、NRFD、EOI、SRQ），多線消息（MTA、MLA、OTA、LLO、GTL、GET、DCL、SDC、UNL、SPD、SPE），輔助寄存器產(chǎn)生的內(nèi)部消息及本地消息（swrst、lon、rsv、ton）等。這些輸入的信號均通過譯碼電路產(chǎn)生，輸出信號對接口功能的狀態(tài)進(jìn)行控制。圖2與GPIB母線通信功能邏輯下面以源方掛鉤SH為例說明其邏輯的實(shí)現(xiàn)，邏輯圖如圖3所示。圖3SH功能實(shí)現(xiàn)的邏輯電路主要代碼為：IFRESET=‘1’OR（NOTATNANDNOT（LACSORLADS））=‘1’THENC_ST＜=ST1;RFD＜=‘1’;DAC＜=‘1’;AIDS＜=‘1’;ANRS＜=‘0’;ACRS＜=‘0’;AWNS＜=‘0’;ACDS＜=‘0’;ELSIFCLK‘EVENTANDCLK=’0‘THENCASEC_STISWHENST1=＞IFATN=’1‘ORLACS=’1‘ORLADS=’1‘THENC_ST＜=ST2;RFD＜=’0‘;DAC＜=’0‘;AIDS＜=’0‘;ANRS＜=’1‘;…ELSEC_ST＜=ST1;RFD＜=’1‘;DAC＜=’1‘;AIDS＜=’0‘;…WHEN…．ELSIFDAV=’1‘THENC_ST＜=ST4;RFD＜=’0‘;…ELSEC_ST＜=ST2;RFD＜=’0‘;DAC＜=’0‘;……不同種狀態(tài)定義…2．2．2數(shù)據(jù)通路模塊設(shè)計(jì)其模塊實(shí)現(xiàn)微處理器端到GPIB接口功能端的數(shù)據(jù)，對控制器內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀、寫操作。2．2．3多線消息譯碼器電路譯碼電路的目的是產(chǎn)生邏輯功能信號，對控者發(fā)送的遠(yuǎn)地消息和本地消息譯碼，實(shí)現(xiàn)各接口功能的控制。2．3程序設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)主要完成接口初始化、主控PC向儀器發(fā)送消息以及接收消息并對數(shù)據(jù)分析處理等工作。母線上各種動作均是通過PC機(jī)向NAT9914內(nèi)部寄存器寫入或讀取數(shù)據(jù)，使接口實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能變化。2．4實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過對整體系統(tǒng)搭建，完成儀器與總線間的數(shù)據(jù)傳輸。以AH與L功能配合接收GPIB總線的數(shù)據(jù)為例分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。AH與L功能接收數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果波形如圖4所示。圖4受方接收數(shù)據(jù)波形由圖4可以看出，在信號WRITE及地址RS［2．．0］=010（ADR在寄存器中的地址）的作用下，儀器通過INDATA［7．．0］數(shù)據(jù)端口向地址寄存器ADR內(nèi)寫入該儀器在GPIB總線上的地址11H。在第4個(gè)時(shí)鐘下降沿器件收到ATN信號，表明AH功能從AIDS狀態(tài)進(jìn)入ANRS狀態(tài);第5個(gè)時(shí)鐘下降沿仍然有ATN信號，表明AH功能從ANRS狀態(tài)進(jìn)入ACRS狀態(tài)，同時(shí)發(fā)出RFD信號，告訴控制者已經(jīng)準(zhǔn)備好接收GPIB接口命令;在6個(gè)時(shí)鐘下降沿，檢測到總線傳輸?shù)腄AV信號，表明AH功能從ACRS狀態(tài)進(jìn)入ACDS狀態(tài)。隨后，系統(tǒng)控制者通過DIO線發(fā)送地址命令31H，通過多線消息譯碼器輸出MLA信號，在第7個(gè)時(shí)鐘下降沿，L功能在MLA＆ACDS的作用下從LIDS進(jìn)入LADS狀態(tài)，表明儀器已經(jīng)受命于聽者，接收接口消息結(jié)束后，便會產(chǎn)生一個(gè)T信號;在第8個(gè)時(shí)鐘下降沿，GPIB控制器檢測到T信號，表明AH功能進(jìn)入AWNS狀態(tài)，并發(fā)出DAC信號，告訴控制者接口命令接受完畢;在第9個(gè)時(shí)鐘下降沿，系統(tǒng)控制者撤銷DAV信號和ATN信號，表明AH功能進(jìn)入ANRS狀態(tài)，至此一個(gè)三線掛鉤的過程已經(jīng)完成。在ATN為0的作用下，L功能進(jìn)入LACS狀態(tài)，此時(shí)儀器正式進(jìn)入聽者狀