越來越多的測量儀器提供GPIB(General Purpose Interface Bus)總線接口，通過該總線可以方便快捷地連接帶有GPIB接口的儀器及計算機，組成一個GPIB網(wǎng)絡。GPIB設備與計算機連接時，需要借助GPIB接口板卡，但這些GPIB接口板卡價格昂貴，給儀器與計算機連接帶來不便。在大多數(shù)情況下計算機只連接一臺GPIB接口儀器，并不需要這些功能復雜價格昂貴的GPIB板卡。面對單臺儀器與計算機連接的功能需求，本文設計了一種性價比突出的RS232-GPIB控制器，該控制器利用計算機最常用的RS232接口，控制帶有GPIB接口的儀器，在計算機與儀器之間建立數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?。同時，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終端中輸入SCPI指令，便可方便地對儀器進行參數(shù)設置和讀取測試結(jié)果。
　　RS232-GPIB控制器的設計，旨在連接計算機和帶有GPIB接口的測量儀器，并利用計算機的鍵盤和顯示器來操控儀器進行程控測量。本設計中計算機端接口為RS232接口，使用這個串口作為通信工具，編程方便、連接簡單可靠，軟件則采用Windows操作系統(tǒng)自帶的超級終端。因此，可以很方便地完成計算機串口數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，無需自行開發(fā)計算機端軟件，節(jié)省了控制器的開發(fā)時間。所設計控制器的核心是單片機，它一端連接計算機RS232串口，一端連接儀器GPIB接口，單片機接收來自計算機超級終端的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串口傳遞給計算機，在超級終端中顯示。
1 硬件設計
　　單片機是RS232-GPIB控制器的核心，本設計選用ATEML公司的AT89C51" title="89C51">89C51單片機。由于89C51應用領域廣泛，擁有豐富的片上資源和總線式I/O口，支持高級語言編程，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)，只需在單片機外部使用MAX232芯片進行電平轉(zhuǎn)換，便可直接連接計算機的串行端口(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計的重點。

　　需要指出的是：使用智能化的GPIB接口芯片，可以大大簡化GPIB接口電路的設計。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，本設計選用與TMS9914芯片完全兼容的NAT9914芯片作為GPIB總線接口芯片。NAT9914是一款標準的GPIB控制芯片，可以執(zhí)行所有GPIB接口功能，具有直接存儲器存取(DMA)功能，可編程時鐘和波特率， 采用CMOS驅(qū)動，并兼容TTL電平，因此使用極為方便。同時，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進行雙向數(shù)據(jù)交換；P1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" 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的時鐘信號一般采用獨立時鐘源。本設計中，考慮到控制器的功能僅完成與單臺GPIB接口儀器之間的通信，時鐘頻率的高低對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信號作為NAT9914時鐘信號，這樣可以充分利用89C51的片上資源，簡化電路，降低硬件成本。
2 軟件設計
　　計算機端軟件采用超級終端，用戶在超級終端中鍵入指令語句控制帶有GPIB接口的儀器。因SCPI指令集提供一個無縫的控制界面，使其在更換不同公司的同類GPIB設備時，不需要重新設定控制程序，可方便地和不同廠商同類GPIB設備的操作編程。因此，本設計選取對業(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。
　　本設計中控制器軟件采用C51語言編寫，編譯后燒錄在89C51單片機中運行。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，分別和兩個中斷相關：(1)串行通信中斷。該中斷負責RS232串口數(shù)據(jù)傳輸。(2)接收NAT9914中斷信號的外部中斷。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入死循環(huán)狀態(tài)，等待這兩個中斷的發(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行，包括設置ICR寄存器、選擇時鐘信號頻率、設置GPIB延遲時間T1、定義通信結(jié)束字符EOS、設置GPIB設備地址(規(guī)定地址必須在0～30之間，如果寫入更大的地址，則設備仍看作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行，當NAT9914觸發(fā)89C51芯片的外部中斷時，單片機中止正常工作，將現(xiàn)場數(shù)據(jù)壓入堆棧保護，并調(diào)用外部中斷處理函數(shù)，響應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向單片機發(fā)出中斷信號的事件主要有四種：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。中斷頻繁時會影響主程序運行效率，但考慮到所設計的轉(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)單片機外部中斷，單片機進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)單片機外部中斷。單片機進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 運行情況及結(jié)果
　　本文設計的RS232-GPIB控制器已成功用于計算機和泰克TDS210型示波器的GPIB總線連接中。圖6是計算機超級終端顯示界面的部分截圖，其中COMMAND:＞為計算機鍵盤SCPI命令輸入提示符，GPIB:＞為GPIB連接設備的反饋信息輸出提示符，表示后面的信息來自GPIB設備(即泰克TDS210型示波器)。