基于CPLD的GPIB控制器

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　　1. 引言：

　　1.1 用 CPLD 實(shí)現(xiàn) GPIB 控制芯片的意義

　　綜觀現(xiàn)今市場(chǎng)上的測(cè)試儀器，不難發(fā)現(xiàn) GPIB 總線有重要的作用，在研制臺(tái)式測(cè)試儀器 的時(shí)候，客戶幾乎均要求具備 GPIB 接口?？墒窃趯?shí)際研發(fā)過程中，卻發(fā)現(xiàn) GPIB 控制芯片很難購(gòu)買，而且價(jià)格昂貴。而且作為測(cè)試儀器具備 GPIB 的接口，一般只需要具有聽、講、串查功能，而不需要控、并查功能，這樣又會(huì)造成資源與功能的浪費(fèi)。所以我們嘗試用 CPLD來實(shí)現(xiàn) GPIB 接口的聽、講、串查功能，不僅可擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，節(jié)省了產(chǎn)品的成本，而 且具有很大的靈活性。

　　1.2 GPIB 控制芯片簡(jiǎn)介：

　　GPIB 也叫 HPIB，是一個(gè)數(shù)字化的 24 腳并行總線，由 16 條信號(hào)線和 8 條地線組成。這16 條信號(hào)線分為 8 條數(shù)據(jù)線、5 條控制線和 3 條握手線。8 條數(shù)據(jù)線：從 DIO1 到 DIO8，用 來傳送命令、地址和數(shù)據(jù);5 條控制線：分別為 ATN 線、IFC 線、REN 線、SRQ 線和 EOI 線，用來管理通過接口的有序信息流;3 條握手線：DAV 線、NRFD 線和 NDAC 線，用于控制設(shè)備之間消息字節(jié)的傳送。發(fā)送消息方(源方)和接收消息方(受方)利用這 3 條握手線進(jìn)行三線掛鉤，以保證數(shù)據(jù)線上的消息(命令或數(shù)據(jù))能準(zhǔn)確無誤地傳送。

　　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。GPIB 標(biāo)準(zhǔn) 接口共定義了 10 種接口功能。

　　1.3 設(shè)計(jì)軟件及設(shè)計(jì)芯片的選擇

　　開發(fā)工具采用 ALTERA 公司的 MAXplusⅡ10.0。MAXplusⅡ開發(fā)工具是美國(guó) Altera 公司 自行設(shè)計(jì)的一種 EDA 軟件工具，它具有原理圖輸入和文本輸入(采用硬件描述語言)兩種輸入手段，配備有編輯、編譯、仿真、綜合、芯片編程等功能。

　　Altera 公司是世界上從事可編程邏輯芯片生產(chǎn)的幾家主要廠商之一，其 MAX3000A 系列 可編程邏輯芯片速度快，容量大，性價(jià)比高。我們選用的 EPM3256ATC144-10，擁有 256個(gè)宏單元，144 個(gè)管腳，可自定義使用的管腳達(dá) 116 個(gè)，4.5ns 的傳輸延時(shí)完全能滿足要求。

　　2. GPIB 控制器各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)

　　我們可以把整個(gè)系統(tǒng)劃分為幾個(gè)子系統(tǒng)。其中包括和微處理器接口的讀寫電路，與 GPIB母線通信的接口功能，以及內(nèi)部寄存器。對(duì)每個(gè)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也可以采用向下分解為模塊級(jí)

　　設(shè)計(jì)，這樣在調(diào)試和組件系統(tǒng)時(shí)，不僅具有很強(qiáng)的靈活性，而且方便代碼的調(diào)試以及利于代 碼的重利用。與微處理器接口的讀寫電路設(shè)計(jì)可以利用組合邏輯電路設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)，其基本 模塊，如：譯碼電路，讀寫電路，相對(duì)比較成熟，在設(shè)計(jì)的時(shí)候只要對(duì)其基本功能深刻理解的基礎(chǔ)上容易實(shí)現(xiàn)。與 GPIB 母線通信的子系統(tǒng)設(shè)計(jì)是本課題設(shè)計(jì)的重點(diǎn)也是難點(diǎn)，它不僅 需要對(duì) IEEE488 協(xié)議有深刻的認(rèn)識(shí)，而且在接口功能子集的選擇上也有一定的要求。

　　2.1 微處理器(MCU)接口電路

　　微處理器(MCU)接口包括提供正確的寄存器訪問地址的譯碼電路，以及連同 WE 和DBIN 一起構(gòu)成的訪問 GPIB 控制器的讀寫電路，NCS 用來選通地址譯碼。地址譯碼電路以 及數(shù)據(jù)讀寫電路在數(shù)字電路設(shè)計(jì)中是最為成熟的電路，在此不作更多深入的闡述。值得注意

　　的是 GPIB 控制器的讀寫信號(hào)并不是通常意義上的 RD 和 WR 信號(hào)，而是由 DBIN 和 WE 信 號(hào)完成。而且，對(duì) 13 個(gè)寄存器的譯碼也用的僅僅是 RS[0:2]，這就需要和 DBIN 信號(hào)的配合來完成譯碼功能。

　　2.2 內(nèi)部寄存器

　　GPIB 控制器(參考 NAT9914)的內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)有 13 個(gè)寄存器，其中 7 個(gè)可寫寄存器，6 個(gè)只讀寄存器。它們都是八位的，其中可讀寄存器有中斷狀態(tài)寄存器 0(ISR0)、中斷狀態(tài) 寄存器 1(ISR1)、地址狀態(tài)寄存器(ASR)、總線狀態(tài)寄存器(BSR)、命令通過寄存器(CPR)、 數(shù)據(jù)輸入寄存器(DIR);可寫寄存器有中斷屏蔽寄存器 0(IMR0)、中斷屏蔽寄存器 1(IMR1)、地址寄存器(ADR)、輔助命令寄存器(AUXCR)、串行查詢寄存器(SPR)、并行查找寄存器(PPR)、數(shù)據(jù)輸出寄存器(CDOR)。在 GPIB 控制芯片的設(shè)計(jì)中對(duì)這十三個(gè)寄存器進(jìn)行 詳細(xì)的描述。本模塊的設(shè)計(jì)采用圖形方式，利用參數(shù)化模塊庫(kù)實(shí)現(xiàn)各個(gè)寄存器。

　　2.3 接口功能

　　GPIB 標(biāo)準(zhǔn)接口共定義了 10 種接口功能。每一個(gè)接口功能由一組或多組相互聯(lián)系而又相 互排斥的狀態(tài)來定義。在一個(gè)時(shí)刻，一組互聯(lián)又互斥的狀態(tài)中必須有一個(gè)而且也僅又一個(gè)狀態(tài)在起作用。在 IEEE488 協(xié)議中對(duì)接口功能的每一個(gè)狀態(tài)還做了兩方面的規(guī)定：

　　1.當(dāng)某個(gè)狀態(tài)在起作用時(shí)，在接口上可以或必須發(fā)送的消息;

　　2.在什么條件下接口功能必須脫離某一狀態(tài)而進(jìn)入同一組狀態(tài)的另一個(gè)狀態(tài); 這些因素決定了狀態(tài)的處理能力。接口功能狀態(tài)圖給出了全部狀態(tài)以及從一個(gè)狀態(tài)變遷到另一個(gè)狀態(tài)一切可能的途徑。由于篇幅的限制，下面以受方掛鉤接口功能 AH 功能為例， 來介紹功能模塊的實(shí)現(xiàn)過程及原理。受方掛鉤功能賦予器件保證正確地接收遠(yuǎn)地多線消息地能力。一個(gè)源方掛鉤功能與一個(gè)或多個(gè)受方掛鉤功能(分別含于各個(gè)器件中)的鏈鎖掛鉤序

　　列保證每個(gè)消息拜特的異步傳遞。受方掛鉤功能可以延遲多線消息傳遞的開始或結(jié)束，直到 器件準(zhǔn)備好繼續(xù)參與傳遞過程為止。狀態(tài)圖如圖 1：

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　　圖 1 AH 功能狀態(tài)圖