基于RS232接口的GPIB控制器的设计

 

描述了基于RS232接口的GPIB控制器的设计，利用单片机控制GPIB接口芯片NAT914,并通过SCPI语句在Winelows操作系统自带的串口通信工具超级终端中，实现了计算机与GPIB仪器的通信与程控。

　　越来越多的测量仪器提供GPIB(General Purpose Intefface Bus)总线接口，通过该总线可以方便快捷地连接带有GPIB接口的仪器及计算机，组成一个GPlB网络。GPIB设备与计算机连接时，需要借助GPIB接口板卡，但这些GPIB接口板卡价格昂贵，给仪器与计算机连接带来不便。在大多数情况下计算机只连接一台GPIB接口仪器，并不需要这些功能复杂价格昂贵的GPIB板卡。

　　面对单台仪器与计算机连接的功能需求，本文设计了一种性价比突出的RS232一GPIB控制器，该控制器利用计算机最常用的RS232接口，控制带有GPIB接口的仪器，在计算机与仪器之间建立数据传输的通道。同时，支持SCPI(Standard Commands for Prognmnnable Instrumentation)指令集，只需在Windows操作系统自带的工具软件超级终端中输入SCPI指令，便可方便地对仪器进行参数设置和读取测试结果。

　　RS232-GPIB控制器的设计，旨在连接计算机和带有GPIB接口的测量仪器，并利用计算机的键盘和显示器来操控仪器进行程控测量。本设计中计算机端接口为RS232接口，使用这个串口作为通信工具，编程方便、连接简单可靠，软件则采用Windows操作系统自带的超级终端。因此，可以很方便地完成计算机串口数据的接收和发送，无需自行开发计算机端软件，节省了控制器的开发时间。

　　所设计控制器的核心是单片机，它一端连接计算机RS232串口，一端连接仪器GPIB接口，单片机接收来自计算机超级终端的SCPI指令，并转发给带有GPIB接口的仪器执行。仪器执行完成指令后将执行结果发送给控制器，控制器再将所收到的数据通过RS232串口传递给计算机．在超级终端中显示。

　　1 硬件设计

　　单片机是RS232-GPIB控制器的核心，本设计选用ATEML公司的AT89C51单片机。由于89C51应用领域广泛，拥有丰富的片上资源和总线式I／O口，支持高级语言编程，内部集成了符合RS232数据规范的异步串行控制单元。因此，使用Tx和Rx串行接口线与外部串行传输数据，只需在单片机外部使用MAX232芯片进行电平转换，便可直接连接计算机的串行端口(COM)。控制器的硬件结构如图1所示，其中，GPIB接口控制电路是控制器硬件设计的重点。

需要指出的是：使用智能化的GPIB接口芯片，可以大大简化GPIB接口电路的设计。目前最常用的芯片有两种，一种以美国国家仪器公司生产的TNT4882芯片为代表，将所有接口功能集成在芯片上，完全由硬件完成接口功能，不需要其他辅助芯片，并且直接连接GPIB总线；另一种是以美国德州仪器公司生产的TMS9914芯片为代表，依靠软件编程来完成GPIB接口功能，由接口芯片SN75160和SN75161进行电平转换后连接GPIB总线。

　　这二种芯片的比较如表l所示。考虑到成本等因素，本设计选用与TMS9914芯片完全兼容的NAT9914芯片作为GPIB总线接口芯片。NAT9914是一款标准的GPIB控制芯片，可以执行所有GPIB接口功能，具有直接存储器存取(DMA)功能,可编程时钟和波特率，采用CMOS驱动，并兼容TTL电平，因此使用极为方便。同时，选用SN75160作为数据转换器，SN75162作为握手线和控制线转换器，与NAT9914配套使用，连接GPlB接口。

　　在图l中，采用89C51的PO口连接NAT9914的数据接口，作为数据总线和GPIB进行双向数据交换；Pl的I／O口作为地址总线，对NAT9914内部寄存器寻址。NAT9914的中断输出连接在89C51的外部中断接口上，采用中断触发的方式管理GPIB接口通信；NAT9914的时钟信号一般采用独立时钟源。本设计中，考虑到控制器的功能仅完成与单台GPIB接口仪器之问的通信，时钟频率的高低对GPIB接口数据传输速度影响基本可以忽略，因此直接使用89C51的ALE信号作为NAT9914时钟信号，这样可以充分利用89C51的片上资源，简化电路,降低硬件成本。

2 软件设计

　　计算机端软件采用超级终端，用户在超级终端中键入指令语句控制带有GPIB接口的仪器。因SCPI指令集提供一个无缝的控制界面，使其在更换不同公司的同类GPIB设备时，不需要重新设定控制程序，可方便地和不同厂商同类GPIB设备的搡作编程。因此，本设计选取对业界通用的SCPI指令集作为控制指令，以便RS232一GPIB控制器可以和绝大多数GPIB接口仪器配合使用。

　　本设计中控制器软件采用C51语言编写，编译后烧录在89C51单片机中运行。软件框架采用主程序加中断调用方式．以提高功能模块的内聚性。软件功能分为RS232串口通信程序和GPIB接口通信程序两部分，分别和两个中断相关：(1)串行通信中断。该中断负责RS232串口数据传输。(2)接收NAT9914中断信号的外部中断。该中断处理来自GPIB接口数据通信的各种事件。主程序在完成全部初始化后进入死循环状态，等待这两个中断的发生。其中，RS232串口数据发送在主程序中执行，而串口数据接收由串口中断处理程序完成。串口通信程序较为简单，这里主要给出GPIB通信程序结构。

　　NAT9914芯片开始工作之前需要对其进行初始化，这部分代码作为主程序中初始化程序的一部分运行，包括设置ICR寄存器、选择时钟信号频率、设置GPIB延迟时问T1、定义通信结束字符EOS、设置GPIB设备地址(规定地址必须在O～30之间，如果写入更大的地址。则设备仍看作30)。初始化完成后将NAT9914接通GPIB总线。初始化流程如图2所示。

GPIB控制部分的代码以中断方式运行，当NAT9914触发89C51芯片的外部中断时，单片机中止正常工作，将现场数据压入堆栈保护，并调用外部中断处理函数，响应NAT9914芯片的中断申请，其中断处理程序流程如图3所示。引起NAT9914向单片机发出中断信号的事件主要有四种：发送数据事件、接收数据事件、接收GET命令事件和接收DCAS命令事件。中断频繁时会影响主程序运行效率，但考虑到所设计的转换器功能单一，主程序基本处于空转状态，四种事件的处理都在中断程序中完成，因此，对主程序运行影响不大。GPIB接收数据和发送数据流程如图4和图5所示。

　每次GPIB接口数据接收中，NAT9914接收到第一个字节数据后，即置位寄存器ISR0中的BI位。触发单片机外部中断，单片机进入外部中断处理程序后，读取ISR0寄存器，判断NAT9914触发中断的原因是接收数据事件后，调用接收数据子程序的执行，开始接收来自GPIB仪器的数据。

　　在主程序中，NAT9914发送完第一个字节数据后．即置位寄存器ISR0中的BO位，触发单片机外部中断。单片机进入外部中断处理程序后，根据BO位判断事件类型为发送数据事件，则调用GPIB数据发送程序，将缓冲区中剩余的数据依次发送到GPIB总线上。

　　3 运行情况及结果

　　本文设计的RS232一GPIB控制器已成功用于计算机和泰克TDS210型示波器的GPIB总线连接中。图6是计算机超级终端显示界面的部分截图，其中COMMAND：>为计算机键盘SCPI命令输入提示符，GPIB：>为GPIB连接设备的反馈信息输出提示符，表示后面的信息来自GPIB设备(即泰克TDS210型示波器)。

　首先输入的是查询命令．该类命令以‘?’结尾，当示波器收到查询命令后，会立即反馈相关查询信息。ID?命令，查询该示波器的品牌和型号信息，示波器回复相关信息显示在超级终端上；CH1?命令，查询示波器l号通道的设置信息；DATA?命令，查询示波器当前使用通道信息以及采样点数等信息。

　　接着输入控制命令，示波器收到该命令后，执行相应的操作，但并不将执行结果反馈回来。如：LANG ENGL命令，表示将示波器语言界面改为英文界面；LANGJAPA命令，表示将修改界面为日语界面。