儀器接口平臺的通用USB接口模塊設(shè)計

韓金霞 楊景常 杜煥勇 黃亞琴

(西華大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610039)

0 引言

隨著計算機技術(shù)和自動測試系統(tǒng)的發(fā)展，人們對程控儀器的測試速度和準(zhǔn)確度的要求也日益提高。同時，由于程控儀器SCPI(standard commands for programmable instrument)具有“橫向兼容性”(不同產(chǎn)品類型之間的兼容性)和“縱向兼容性”(即產(chǎn)品各代之間的兼容性)，并且為了便于儀器在不同總線的自動測試系統(tǒng)中的應(yīng)用，本文提出了基于儀器接口平臺的USB接口模塊設(shè)計，提高了程控儀器的通用性。

1 工作原理

在自動測試系統(tǒng)中，由控制機向可程控儀器發(fā)出SCPI指令(一連串的ASCII碼)，可程控儀器的接口部分經(jīng)過語法分析，將SCPI指令轉(zhuǎn)換為儀器部分可識別的控制代碼。接口部分的語法分析步驟一般分為接收字符串消息、詞法分析、語法分析、中間代碼生成、優(yōu)化和目標(biāo)代碼生成［1］。自動測試系統(tǒng)中的儀器接口正是以這樣的工作原理將控制機和程控儀器相結(jié)合，實現(xiàn)測試工作的自動化。USB接口模塊的設(shè)計也是基于這樣的一種理念，將PC機發(fā)送來的ASCII碼字符串表示的SCPI消息轉(zhuǎn)變?yōu)楹唵蔚亩M制代碼串。利用USB接口模塊不僅可以實現(xiàn)儀器語言標(biāo)準(zhǔn)化，而且還能提高儀器對遠程控制的響應(yīng)速度。

USB接口的具體實現(xiàn)是首先通過上位控制機，將建立在IEEE 488.2(程控儀器消息交換協(xié)議)基礎(chǔ)上的SCPI(一連串的ASCII碼)發(fā)送到USB的接收緩沖區(qū);然后通過USB中央處理單元，將SCPI消息解析為簡單的二進制代碼串;最后將此二進制代碼命令發(fā)送到程控儀器并執(zhí)行相應(yīng)的操作。

2 硬件設(shè)計

整個系統(tǒng)的設(shè)計主要包括接口電路和LCD顯示模塊等部分，硬件電路整體框圖如圖1所示。

圖1 硬件電路整體框圖Fig.1 The entire block diagram of hardware circuit

上位機虛擬儀器將SCPI程控命令發(fā)送到USB接口芯片緩沖區(qū)，接口電路中單片機從USB接口芯片緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行解析翻譯，實現(xiàn)對程控儀器的控制。電路中設(shè)計的LCD1602用于調(diào)試過程中對SCPI指令的顯示。

系統(tǒng)采用增強型8051內(nèi)核的單片機STC89C516RD+作為中央處理芯片。STC89C516RD+是一款低功耗芯片，它具有64 kB的Flash程序存儲器和8 kB的片內(nèi)Flash存儲區(qū)(可存放ISP引導(dǎo)程序與用戶數(shù)據(jù))。芯片中1280 B的RAM(256 B的內(nèi)部RAM和1 kB的外部RAM)解決了在編程時遇到的RAM資源缺乏的問題，支持在系統(tǒng)編程(ISP)和在應(yīng)用編程(IAP)兩種方法，實現(xiàn)在線編程。

USB主機控制芯片采用南京沁恒電子公司生產(chǎn)的CH375A［2］，它是一個 USB總線通用接口芯片，支持USB-Host主機方式和USB-Device/Slave設(shè)備方式。在本地端，CH375A具有8位數(shù)據(jù)總線和讀/寫、片選控制線及中斷輸出，可以方便地掛接到單片機、DSP、MCU和MPU等控制器的系統(tǒng)總線上。在USB設(shè)備方式下，CH375A是一個全速USB設(shè)備接口，兼容USB2.0且即插即用［3］;外圍元器件只需要具備晶體和電容，這樣就降低了設(shè)備的成本，縮小了設(shè)備的體積。同時，CH375A還提供一對主端點和一對輔助端點，支持控制、批量以及中斷傳輸，具有內(nèi)置固件模式和外部固件模式。

USB接口原理如圖2所示。

圖2 USB接口原理圖Fig.2 The principle of USB interface

圖2中:CH375A的數(shù)據(jù)線D0～D7連接到微處理器的數(shù)據(jù)線D0～D7;CH375A的引腳分別連接到單片機的STC89C516RD+寫選通引腳和讀選通引腳線確定了CH375A的地址;A0也作為地址的一部分。

當(dāng)A0為1時，表明寫入CH375的為命令;當(dāng)A0為0時，表明寫入或者從CH375A讀出的為數(shù)據(jù)。由于低8位地址線與CH375的操作地址無關(guān)，因此，沒有使用地址鎖存器74LS373。高8位地址線中除了A0和CS，其他的地址線也與操作地址無關(guān)［4］。據(jù)此，CH375A的寫命令地址為0xfe00，讀或者寫數(shù)據(jù)的地址為0xfc00。中斷請求輸出，低電平有效，其直接連接到單片機的中斷輸入引腳當(dāng)CH375A接收到來自USB總線的數(shù)據(jù)，需要微處理器進行處理時，則通過引腳向微處理器請求中斷。

3 軟件設(shè)計

本設(shè)計的軟件部分主要分為兩個部分:①上位機軟件設(shè)計，實現(xiàn)程控命令的發(fā)送和數(shù)據(jù)的回顯;②單片機應(yīng)用程序設(shè)計，實現(xiàn)對命令、數(shù)據(jù)的讀寫和SCPI解析技術(shù)的具體實現(xiàn)。

3.1 上位機軟件設(shè)計

本設(shè)計的上位機程序采用NI-VISA與USB設(shè)備進行通信［5］。

VISA是用來與各種儀器總線進行通信的高級應(yīng)用編程接口(API)，它不受平臺、總線和環(huán)境的限制。通用串行總線(USB)是基于信息的通信總線。這表示PC機與USB設(shè)備通過發(fā)送指令和數(shù)據(jù)進行通信。

每個USB設(shè)備有各自的指令集，可以使用NI-VISA的讀寫功能向儀器發(fā)送這些指令。當(dāng)與USB進行通信時，NI-VISA從3.0版開始支持USB通信，它有兩種VISA函數(shù)，可以控制USB INSTR與USB RAW這兩類USB設(shè)備。本設(shè)計中的USB設(shè)備屬于USB RAW設(shè)備。

使用NI-VISA控制USB設(shè)備時，需要分以下三個步驟配置USB設(shè)備:① 使用Driver Development Wizar(驅(qū)動程序開發(fā)向?qū)?創(chuàng)建INF文檔;②安裝INF文檔并安裝使用INF文檔的USB設(shè)備;③使用NI-VISA interactive Control(NI-VISA互動控制工具)對設(shè)備進行測試。

配置完成后，打開Measurement＆Automation Explore(MAX)，點擊USB設(shè)備，屬性窗口顯示設(shè)備制造商ID、型號代碼以及設(shè)備序列號等相關(guān)信息。

USB設(shè)備配置完成后，設(shè)計用NI-VISA與USB設(shè)備進行通信。由于本設(shè)備是USB RAW類，所以要使用具體的CH375A的通信協(xié)議。NI-VISA與USB通信的程序框圖如圖3所示。

圖3 通信程序框圖Fig.3 The block diagram of communication program

圖3中:Bulk Out Buffer和空字符串為從界面上輸入的標(biāo)準(zhǔn)SCPI程控命令。本設(shè)計中的CH375A選用的是內(nèi)置固件模式，且USB RAW設(shè)備通信采用端點2以批量傳輸?shù)姆绞浇邮丈衔粰C操作命令，同時，端點2以批量傳輸?shù)姆绞浇o上位機發(fā)回儀器測試數(shù)據(jù)?！?30”是對應(yīng)十六進制數(shù)“0082”的十進制數(shù)，它表示端點2批量輸入;而端點數(shù)“2”對應(yīng)十六進制數(shù)“0010”的十進制數(shù)，表示端點2批量發(fā)送。

3.2 單片機應(yīng)用程序設(shè)計

單片機應(yīng)用程序是在Keil C51開發(fā)環(huán)境下通過C語言編程實現(xiàn)的，它主要包括USB程序設(shè)計和SCPI解析模塊設(shè)計兩部分。

3.2.1 USB 程序設(shè)計

對CH375A的操作主要通過寫命令、寫數(shù)據(jù)和讀出數(shù)據(jù)來完成。每次操作時，首先向CH375A中寫入命令碼，然后寫入輸入數(shù)據(jù)，接著讀出輸出數(shù)據(jù)。每次CH375A收到來自主控制器的數(shù)據(jù)或者發(fā)送數(shù)據(jù)完畢時，都會復(fù)位管腳，微處理器可以通過查詢的方式監(jiān)測管腳的電平，然后進行處理。本設(shè)計中，通過軟件程序設(shè)定CH375A為內(nèi)置固件模式，當(dāng)接到上位PC機發(fā)送的SCPI程控命令時，CH375A鎖定當(dāng)前的USB緩沖區(qū)，并將腳設(shè)置為低電平［6］，向單片機請求中斷，單片機進入中斷服務(wù)程序，獲得中斷狀態(tài);然后單片機根據(jù)獲得的中斷狀態(tài)處理相應(yīng)的程序。

3.2.2 SCPI解析模塊的設(shè)計

SCPI命令主要包括SCPI儀器公用命令和SCPI儀器特定命令。SCPI的語法很多，由于我們的主要目的是提高程控效率，故在解析時只解析程控題頭，而不解析程控數(shù)據(jù)?？偨Y(jié)SCPI儀器公用命令和特定命令，并以多維數(shù)組的形式存儲，其中儀器公用命令只有一層，而儀器特定命令總共七層，將每一層存儲在不同的數(shù)組中，將命令所在數(shù)組的行數(shù)通過LCD輸出顯示，然后將翻譯后的二進制命令送入儀器執(zhí)行相應(yīng)的動作。

SCPI的主程序流程圖如圖4所示［7］。

圖4 主程序流程圖Fig.4 Flowchart of the main program

4 實驗結(jié)果

該接口在實驗室設(shè)計的晶振與繼電器精度測試儀上進行的測試結(jié)果如表1所示。根據(jù)設(shè)計，測試儀執(zhí)行了相應(yīng)的操作，證明了此接口的實用性。

表1 不同SCPI命令解析結(jié)果Tab.1 Parsing results of different SCPI commands

5 結(jié)束語

本文提出的基于儀器接口平臺的USB接口模塊設(shè)計方案使程控儀器能方便地接入自動測試系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了接口的通用性，并縮減了開發(fā)周期。同時，本設(shè)計采用的SCPI解析技術(shù)使程控儀器器件數(shù)據(jù)和命令得到了標(biāo)準(zhǔn)化，具有高可靠性和高執(zhí)行效率。

［1］Wheeler H.SCPI:the next step in the evolution of ATE systems，electronics test［M］.New York:Industry Publisher，1990:12 －15.

［2］南京沁恒電子有限公司.USB總線接口芯片CH375［DB/OL］.［2005 － 05 － 10］.http:∥www.Winchiphead.com/product.ch-375detail.html.

［3］張銀海.基于CH375的USB移動存儲接口設(shè)計［J］.電子元器件應(yīng)用，2008(10):22 －24.

［4］鐘富昭.8051單片機典型模塊設(shè)計與應(yīng)用［M］.北京:人民郵電出版社，2007:24－39.

［5］張凱，周陬，郭棟.LabVIEW虛擬儀器工程設(shè)計與開發(fā)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2004:244－252.

［6］黃惟公，鄧成中，王燕.單片機原理與應(yīng)用技術(shù)［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2007:163－183.

［7］馬忠梅，籍順心，馬凱，等.單片機的C語言應(yīng)用程序設(shè)計［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2007:94－110.