越來(lái)越多的測(cè)量?jī)x器提供GPIB(General Purpose Interface Bus)總線接口,，通過(guò)該總線可以方便快捷地連接帶有GPIB接口的儀器及計(jì)算機(jī),，組成一個(gè)GPIB網(wǎng)絡(luò),。GPIB設(shè)備與計(jì)算機(jī)連接時(shí),，需要借助GPIB接口板卡，但這些GPIB接口板卡價(jià)格昂貴,，給儀器與計(jì)算機(jī)連接帶來(lái)不便,。在大多數(shù)情況下計(jì)算機(jī)只連接一臺(tái)GPIB接口儀器，并不需要這些功能復(fù)雜價(jià)格昂貴的GPIB板卡,。面對(duì)單臺(tái)儀器與計(jì)算機(jī)連接的功能需求,，本文設(shè)計(jì)了一種性價(jià)比突出的RS232-GPIB控制器，該控制器利用計(jì)算機(jī)最常用的RS232接口,，控制帶有GPIB接口的儀器,，在計(jì)算機(jī)與儀器之間建立數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ馈Ｍ瑫r(shí),，支持SCPI(Standard Commands for Programmable Instrumentation) 指令集,，只需在Windows操作系統(tǒng)自帶的工具軟件超級(jí)終端中輸入SCPI指令，便可方便地對(duì)儀器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和讀取測(cè)試結(jié)果,。
　　RS232-GPIB控制器的設(shè)計(jì),，旨在連接計(jì)算機(jī)和帶有GPIB接口的測(cè)量?jī)x器，并利用計(jì)算機(jī)的鍵盤(pán)和顯示器來(lái)操控儀器進(jìn)行程控測(cè)量,。本設(shè)計(jì)中計(jì)算機(jī)端接口為RS232接口,，使用這個(gè)串口作為通信工具，編程方便,、連接簡(jiǎn)單可靠,，軟件則采用Windows操作系統(tǒng)自帶的超級(jí)終端。因此,，可以很方便地完成計(jì)算機(jī)串口數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送,，無(wú)需自行開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)端軟件，節(jié)省了控制器的開(kāi)發(fā)時(shí)間,。所設(shè)計(jì)控制器的核心是單片機(jī),，它一端連接計(jì)算機(jī)RS232串口，一端連接儀器GPIB接口,，單片機(jī)接收來(lái)自計(jì)算機(jī)超級(jí)終端的SCPI指令,，并轉(zhuǎn)發(fā)給帶有GPIB接口的儀器執(zhí)行。儀器執(zhí)行完成指令后將執(zhí)行結(jié)果發(fā)送給控制器,，控制器再將所收到的數(shù)據(jù)通過(guò)RS232串口傳遞給計(jì)算機(jī),，在超級(jí)終端中顯示,。
1 硬件設(shè)計(jì)
　　單片機(jī)是RS232-GPIB控制器的核心，本設(shè)計(jì)選用ATEML公司的AT89C51" title="89C51">89C51單片機(jī),。由于89C51應(yīng)用領(lǐng)域廣泛,，擁有豐富的片上資源和總線式I/O口，支持高級(jí)語(yǔ)言編程,，內(nèi)部集成了符合RS232數(shù)據(jù)規(guī)范的異步串行控制單元,。因此，使用Tx和Rx串行接口線與外部串行傳輸數(shù)據(jù),，只需在單片機(jī)外部使用MAX232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換,，便可直接連接計(jì)算機(jī)的串行端口(COM)?？刂破鞯挠布Y(jié)構(gòu)如圖1所示,，其中，GPIB接口控制電路是控制器硬件設(shè)計(jì)的重點(diǎn),。

　　需要指出的是：使用智能化的GPIB接口芯片,，可以大大簡(jiǎn)化GPIB接口電路的設(shè)計(jì)。目前最常用的芯片有兩種,，一種以美國(guó)國(guó)家儀器公司生產(chǎn)的TNT4882芯片為代表,，將所有接口功能集成在芯片上，完全由硬件完成接口功能,，不需要其他輔助芯片,，并且直接連接GPIB總線；另一種是以美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的TMS9914芯片為代表,，依靠軟件編程來(lái)完成GPIB接口功能,，由接口芯片SN75160和SN75161進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后連接GPIB總線。這二種芯片的比較如表1所示,?？紤]到成本等因素，本設(shè)計(jì)選用與TMS9914芯片完全兼容的NAT9914芯片作為GPIB總線接口芯片,。NAT9914是一款標(biāo)準(zhǔn)的GPIB控制芯片,，可以執(zhí)行所有GPIB接口功能，具有直接存儲(chǔ)器存取(DMA)功能,，可編程時(shí)鐘和波特率,， 采用CMOS驅(qū)動(dòng)，并兼容TTL電平,，因此使用極為方便,。同時(shí)，選用SN75160作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，SN75162作為握手線和控制線轉(zhuǎn)換器,，與NAT9914配套使用,，連接GPIB接口。

　　在圖1中,，采用89C51的P0口連接NAT9914的數(shù)據(jù)接口,，作為數(shù)據(jù)總線和GPIB進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)交換；P1的I/O口作為地址總線,，對(duì)NAT9914內(nèi)部寄存器尋址,。NAT9914的中斷輸出連接在89C51的外部中斷" title="外部中斷">外部中斷接口上,，采用中斷觸發(fā)的方式管理GPIB接口通信,；NAT9914的時(shí)鐘信號(hào)一般采用獨(dú)立時(shí)鐘源。本設(shè)計(jì)中,，考慮到控制器的功能僅完成與單臺(tái)GPIB接口儀器之間的通信,，時(shí)鐘頻率的高低對(duì)GPIB接口數(shù)據(jù)傳輸速度影響基本可以忽略，因此直接使用89C51的ALE信號(hào)作為NAT9914時(shí)鐘信號(hào),，這樣可以充分利用89C51的片上資源,，簡(jiǎn)化電路，降低硬件成本,。
2 軟件設(shè)計(jì)
　　計(jì)算機(jī)端軟件采用超級(jí)終端,，用戶在超級(jí)終端中鍵入指令語(yǔ)句控制帶有GPIB接口的儀器。因SCPI指令集提供一個(gè)無(wú)縫的控制界面,，使其在更換不同公司的同類(lèi)GPIB設(shè)備時(shí),，不需要重新設(shè)定控制程序，可方便地和不同廠商同類(lèi)GPIB設(shè)備的操作編程,。因此,，本設(shè)計(jì)選取對(duì)業(yè)界通用的SCPI指令集作為控制指令，以便RS232-GPIB控制器可以和絕大多數(shù)GPIB接口儀器配合使用,。
　　本設(shè)計(jì)中控制器軟件采用C51語(yǔ)言編寫(xiě),，編譯后燒錄在89C51單片機(jī)中運(yùn)行。軟件框架采用主程序" title="主程序">主程序加中斷調(diào)用方式,，以提高功能模塊的內(nèi)聚性,。軟件功能分為RS232串口通信程序和GPIB接口通信程序兩部分，分別和兩個(gè)中斷相關(guān)：(1)串行通信中斷,。該中斷負(fù)責(zé)RS232串口數(shù)據(jù)傳輸,。(2)接收NAT9914中斷信號(hào)的外部中斷。該中斷處理來(lái)自GPIB接口數(shù)據(jù)通信的各種事件,。主程序在完成全部初始化后進(jìn)入死循環(huán)狀態(tài),，等待這兩個(gè)中斷的發(fā)生。其中，RS232串口數(shù)據(jù)發(fā)送在主程序中執(zhí)行,，而串口數(shù)據(jù)接收由串口中斷處理程序完成,。串口通信程序較為簡(jiǎn)單，這里主要給出GPIB通信程序結(jié)構(gòu),。
　　NAT9914芯片開(kāi)始工作之前需要對(duì)其進(jìn)行初始化,，這部分代碼作為主程序中初始化程序的一部分運(yùn)行，包括設(shè)置ICR寄存器,、選擇時(shí)鐘信號(hào)頻率,、設(shè)置GPIB延遲時(shí)間T1、定義通信結(jié)束字符EOS,、設(shè)置GPIB設(shè)備地址(規(guī)定地址必須在0～30之間,，如果寫(xiě)入更大的地址，則設(shè)備仍看作30),。初始化完成后將NAT9914接通GPIB總線,。初始化流程如圖2所示。

　　GPIB控制部分的代碼以中斷方式運(yùn)行,，當(dāng)NAT9914觸發(fā)89C51芯片的外部中斷時(shí),，單片機(jī)中止正常工作，將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)壓入堆棧保護(hù),，并調(diào)用外部中斷處理函數(shù),，響應(yīng)NAT9914芯片的中斷申請(qǐng)，其中斷處理程序流程如圖3所示,。引起NAT9914向單片機(jī)發(fā)出中斷信號(hào)的事件主要有四種：發(fā)送數(shù)據(jù)事件,、接收數(shù)據(jù)事件、接收GET命令事件和接收DCAS命令事件,。中斷頻繁時(shí)會(huì)影響主程序運(yùn)行效率,，但考慮到所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換器功能單一，主程序基本處于空轉(zhuǎn)狀態(tài),，四種事件的處理都在中斷程序中完成,，因此，對(duì)主程序運(yùn)行影響不大,。GPIB接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)流程如圖4和圖5所示,。

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　　每次GPIB接口數(shù)據(jù)接收中，NAT9914接收到第一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)后,，即置位寄存器ISR0中的BI位,，觸發(fā)單片機(jī)外部中斷，單片機(jī)進(jìn)入外部中斷處理程序后,，讀取ISR0寄存器,，判斷NAT9914觸發(fā)中斷的原因是接收數(shù)據(jù)事件后,，調(diào)用接收數(shù)據(jù)子程序的執(zhí)行，開(kāi)始接收來(lái)自GPIB儀器的數(shù)據(jù),。
　　在主程序中,，NAT9914發(fā)送完第一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)后，即置位寄存器ISR0中的BO位,，觸發(fā)單片機(jī)外部中斷,。單片機(jī)進(jìn)入外部中斷處理程序后，根據(jù)BO位判斷事件類(lèi)型為發(fā)送數(shù)據(jù)事件,，則調(diào)用GPIB數(shù)據(jù)發(fā)送程序,，將緩沖區(qū)中剩余的數(shù)據(jù)依次發(fā)送到GPIB總線上。
3 運(yùn)行情況及結(jié)果
　　本文設(shè)計(jì)的RS232-GPIB控制器已成功用于計(jì)算機(jī)和泰克TDS210型示波器的GPIB總線連接中,。圖6是計(jì)算機(jī)超級(jí)終端顯示界面的部分截圖,，其中COMMAND:＞為計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)SCPI命令輸入提示符，GPIB:＞為GPIB連接設(shè)備的反饋信息輸出提示符,，表示后面的信息來(lái)自GPIB設(shè)備(即泰克TDS210型示波器),。