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  • 基于AT89C51單片機(jī)的RS232-GPIB控制器設(shè)計(jì)
    基于AT89C51單片機(jī)的RS232-GPIB控制器設(shè)計(jì)
  • 基于AT89C51單片機(jī)的RS232-GPIB控制器設(shè)計(jì)
  •   發(fā)布日期: 2019-12-04  瀏覽次數(shù): 1,797

    越來越多的測量儀器提供GPIB(General Purpose Intefface Bus)總線接口,通過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)GPlB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RS232一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?。同時(shí),支持SCPI(Standard Commands for Prognmnnable 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,便可方便地對儀器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和讀取測試結(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接口的測量儀器,并利用計(jì)算機(jī)的鍵盤和顯示器來操控儀器進(jìn)行程控測量。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,無需自行開發(fā)計(jì)算機(jī)端軟件,節(jié)省了控制器的開發(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)。

    基于AT89C51單片機(jī)的RS232-GPIB控制器設(shè)計(jì)

    需要指出的是:使用智能化的GPIB接口芯片,可以大大簡化GPIB接口電路的設(shè)計(jì)。目前最常用的芯片有兩種,一種以美國國家儀器公司生產(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;另一種是以美國德州儀器公司生產(chǎn)的TMS9914芯片為代表,依靠軟件編程來完成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l所示。考慮到成本等因素,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?。?u style="color: rgb(51, 51, 51) !important;">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GPlB接口。

    在圖l中,采用89C51的PO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;Pl的I/O口作為地址總線,對NAT9914內(nèi)部寄存器尋址。NAT9914的中斷輸出連接在89C51的外部中斷接口上,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接口儀器之問的通信,時(shí)鐘頻率的高低對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,簡化電路,降低硬件成本。

    基于AT89C51單片機(jī)的RS232-GPIB控制器設(shè)計(jì)

    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)終端中鍵入指令語句控制帶有GPIB接口的儀器。因SCPI指令集提供一個(gè)無縫的控制界面,使其在更換不同公司的同類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GPIB設(shè)備的搡作編程。因此,本設(shè)計(jì)選取對業(yè)界通用的SCPI指令集作為控制指令,以便RS232一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語言編寫,編譯后燒錄在89C51單片機(jī)中運(yùn)行。軟件框架采用主程序加中斷調(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單,這里主要給出GPIB通信程序結(jié)構(gòu)。

    NAT9914芯片開始工作之前需要對其進(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)問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O~30之間,如果寫入更大的地址。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。

    基于AT89C51單片機(jī)的RS232-GPIB控制器設(shè)計(jì)

    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,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。

    基于AT89C51單片機(jī)的RS232-GPIB控制器設(shè)計(jì)

    基于AT89C51單片機(jī)的RS232-GPIB控制器設(shè)計(jì)

    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,開始接收來自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RS232一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,表示后面的信息來自GPIB設(shè)備(即泰克TDS210型示波器)。

    基于AT89C51單片機(jī)的RS232-GPIB控制器設(shè)計(jì)

    首先輸入的是查詢命令.該類命令以‘?’結(jié)尾,當(dāng)示波器收到查詢命令后,會(huì)立即反饋相關(guān)查詢信息。ID?命令,查詢該示波器的品牌和型號(hào)信息,示波器回復(fù)相關(guān)信息顯示在超級(jí)終端上;CH1?命令,查詢示波器l號(hào)通道的設(shè)置信息;DATA?命令,查詢示波器當(dāng)前使用通道信息以及采樣點(diǎn)數(shù)等信息。

    接著輸入控制命令,示波器收到該命令后,執(zhí)行相應(yīng)的操作,但并不將執(zhí)行結(jié)果反饋回來。如:LANG ENGL命令,表示將示波器語言界面改為英文界面;LANGJAPA命令,表示將修改界面為日語界面。


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