基于SCPI的可編程線性直流電源的程序設(shè)計(jì)與研究

邵娟+王振華

摘 要：本文是在基于SCPI之上對可編程線性直流電源進(jìn)行了程序設(shè)計(jì)和研究。該線性直流電源以電壓和電流為核心，要求有4 位0.4”LED電壓顯示和3 位0.4”LED電流顯示，并且精確度做到電壓±（0.03%的讀數(shù)+10位）和電流±（0.3%的讀數(shù)+10位）的輸出。數(shù)字面板控制和數(shù)據(jù)保存調(diào)取功能，通過USB接口實(shí)現(xiàn)了SCPI命令的輸入和執(zhí)行，提高了SCPI的數(shù)據(jù)采集的通用性、可移植性和可擴(kuò)展性。

關(guān)鍵詞：線性直流電源；SCPI；二叉樹鏈?zhǔn)?；三段分析?/p>

一、引言

任何的科學(xué)實(shí)驗(yàn)都離不開電源，在某些實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常會(huì)對電壓高低、電流大小以及穩(wěn)定度等都有著特殊的要求，但是目前實(shí)驗(yàn)室所用的直流穩(wěn)壓電源多數(shù)存在著電壓或電流的精度不夠，穩(wěn)定度不高的問題。傳統(tǒng)的直流電源一般采用指針式來顯示電壓值或者電流值，使用電位器來調(diào)整電壓或電流的輸出值，而電位器的阻值特性一般都是非線性的，在調(diào)整和使用時(shí)是非常不方便的，并伴隨著漂移。所設(shè)定的電壓值或電流值和輸出值之前存在的誤差，而且輸出值精度不高，因此造成所接電路的損壞也經(jīng)常性的發(fā)生。當(dāng)長時(shí)間使用直流電源時(shí)，甚至?xí)斐呻娫吹乃罊C(jī)。因此，針對以上的這些問題，專門作為一個(gè)課題進(jìn)行研究，保證直流穩(wěn)壓電源良好的性能，可視化的數(shù)碼管顯示，可以調(diào)取和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，精度達(dá)到小數(shù)點(diǎn)后3位，而且要求抗干擾能力強(qiáng)，力求實(shí)現(xiàn)智能化、多功能化和美觀化。

SCPI即程控儀器標(biāo)準(zhǔn)命令（ standard command for program instrument），它是一種用來控制儀器的命令語言，規(guī)定了消息的構(gòu)造和內(nèi)容，帶有多種標(biāo)準(zhǔn)接口。它以ASCII字符組成的標(biāo)準(zhǔn)儀器命令語言，對于測量儀器的每一個(gè)功能，SCPI均定義了特定的命令字符。它最大的優(yōu)點(diǎn)就是在對儀器編程時(shí)僅考慮所需要完成的功能，而不用考慮儀器本身具體的操作過程。以一種標(biāo)準(zhǔn)化的方式解決了軟件的兼容性問題，而且簡單和方便。

基于SCPI和可編程線性直流電源儀器的特點(diǎn)，將兩者有機(jī)的結(jié)合起來，通過軟硬件結(jié)合能夠?qū)崿F(xiàn)直流電源的遠(yuǎn)程控制，并且和其他測試儀器想兼容，保證直流電源的穩(wěn)定性、智能性、多功能性、兼容性等。

二、基于SCPI的可編程線性直流電源的程序設(shè)計(jì)

2.1 可編程線性直流電源的總體結(jié)構(gòu)

此電源含有數(shù)字面板輸入控制模塊，顯示模塊，AD轉(zhuǎn)換模塊，DA轉(zhuǎn)換模塊，電流電壓值輸出模塊，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，遠(yuǎn)程控制模塊和智能型溫控風(fēng)扇等。

數(shù)字面板輸入控制模塊通過帶指示燈的硅膠按鍵和旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入，顯示模塊擁有十八個(gè)高亮度的LED屏顯示，DA轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)字面板所輸入的數(shù)字值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬量信號(hào)，AD轉(zhuǎn)換模塊負(fù)責(zé)將模擬電路輸出的電壓或電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，一些狀態(tài)標(biāo)志也相應(yīng)顯示在面板上。

2.2可編程線性直流電源的關(guān)鍵流程圖

有圖1可以看出“電流電壓采樣值”是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵變量：

（1）通過硅膠按鍵和旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)輸入電流電壓設(shè)定值，當(dāng)打開output后經(jīng)過AD、DA轉(zhuǎn)換得到采樣值。

（2）通過CPU輸出設(shè)定的電流電壓采樣值。

（3）通過LED顯示讀取電流電壓設(shè)定值和電流電壓的采樣值。

因此本論文將以電流電壓采樣值為中心進(jìn)行展開，在Keil開發(fā)環(huán)境下采用C51語言設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)語言進(jìn)行軟件的編寫和調(diào)試。

2.3控制模塊

CPU采用Microchip公司的PIC18F85J10，其內(nèi)部集成了程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)RAM，因此可以對程序存儲(chǔ)器空間進(jìn)行尋址，寫閃存存儲(chǔ)器的程序，實(shí)現(xiàn)bootloader功能。Bootloader代碼是芯片復(fù)位后進(jìn)入操作系統(tǒng)之前執(zhí)行的一段代碼，主要是完成由硬件啟動(dòng)到操作系統(tǒng)啟動(dòng)的過渡，從而為操作系統(tǒng)提供基本的運(yùn)行環(huán)境。

PIC18F85J10芯片還集成了5個(gè)CCP模塊和2個(gè)MSSP模塊，每個(gè)模塊都可以獨(dú)立的工作。在電路中17個(gè)數(shù)碼管的顯示和93C66外部存儲(chǔ)器的DIN和SCLK信號(hào)是共用RC4和RC3，RC5作為93C66的輸出信號(hào)，因此他們可以采用MSSP1模式進(jìn)行同步發(fā)送和接收8位數(shù)據(jù)。達(dá)到數(shù)碼管的快速顯示功能，簡化了電子電路的設(shè)計(jì)。

因?yàn)榫幊毯惋@示的精度要求到達(dá)±（0.03%的讀數(shù)+10位），所以就必須采用高精度的AD和DA模塊變換，AD模塊采用了AD7792芯片，AD7792是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成16位的數(shù)字信號(hào)，刷新速率達(dá)到65dB。在電路中AD芯片、DA芯片的DIN和SCLK信號(hào)是共用同一個(gè)RD4和RD6，即MSSP2，在AD轉(zhuǎn)換中當(dāng)SCKx出現(xiàn)外部時(shí)鐘脈沖時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，當(dāng)最后一位數(shù)據(jù)被鎖存后，中斷標(biāo)志位會(huì)置1。這樣就可以在中斷中進(jìn)行達(dá)到快速轉(zhuǎn)換和數(shù)碼管顯示。

總體結(jié)構(gòu)圖

從2圖可以看出CPU需要控制的資源有19組LED顯示器、12個(gè)LED燈、2片AD5545、2片AD7792、4*3鍵盤矩陣、2顆Ecode S/W、1個(gè)蜂鳴器、一片93C66、4個(gè)繼電器、2個(gè)CC/CV燈、一片F(xiàn)T232RL。

該線性直流電源基于SCPI命令標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)對輸入模擬信號(hào)的數(shù)據(jù)采集，以及輸出數(shù)字信號(hào)的傳輸、處理和顯示。本電源中通信接口采用EUSART串行通信接口，它是單片機(jī)系統(tǒng)中常用的串行接口標(biāo)準(zhǔn)，適用于計(jì)算機(jī)、儀器設(shè)備之間的近程連接，其傳輸距離不大于15米，最大傳輸速率是20KB/s，可以滿足本電源的設(shè)計(jì)需要。增強(qiáng)型通用同步/異步收發(fā)器（Enhanced Universal Synchronous Asychronous Receivers Transmitter，EUSATRT ）是兩個(gè)串行I/O模塊之一，一般也將EUSART稱為串行通信接口或SCI。配置EUSART使得CPU與個(gè)人計(jì)算機(jī)之間實(shí)現(xiàn)全雙工異步系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)中通過FT232RL芯片連接。

命令樹圖用于定義SCPI的命令集，它描述了命令、命令之間的層次關(guān)系、相關(guān)的參數(shù)以及必要的注釋

命令樹圖通常由三部分構(gòu)成：關(guān)鍵字（KEYWORD）、參數(shù)形式（PARAMETER FORM）和注釋（NOTES）

根據(jù)SCPI的樹狀層次結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本課題采用樹型結(jié)構(gòu)來保存命令信息。語法分析過程可以分為創(chuàng)建樹和遍歷樹的過程。創(chuàng)建樹過程就是把特定儀器的命令集，按照一定的結(jié)構(gòu)創(chuàng)建成供查詢使用的命令樹；遍歷樹過程就是根據(jù)得到的命令，通過遍歷命令樹，得到命令的相關(guān)信息。

命令樹的創(chuàng)建：樹中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)不是保存關(guān)鍵字信息，而是采用編碼的方式，將該SCPI命令多叉樹中各個(gè)子系統(tǒng)分支視為一棵獨(dú)立的樹，通過先轉(zhuǎn)換各個(gè)子系統(tǒng)這樣的一棵獨(dú)立的樹為二叉樹的結(jié)構(gòu)，再將所有的子系統(tǒng)二叉樹組合為一棵完整的二叉樹。

該程序采用鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)結(jié)構(gòu)，鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)結(jié)構(gòu)利用指針來表達(dá)邏輯關(guān)系。鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)結(jié)構(gòu)又分為二叉鏈表和三叉鏈表，其特點(diǎn)是程序員不需要擔(dān)心存儲(chǔ)空間大小的問題，但是鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)的讀寫速度相對要慢些，并且所需要的存儲(chǔ)空間也較順序存儲(chǔ)大；邏輯位置相鄰的數(shù)據(jù)元素物理位置上不必相鄰；插入、刪除等操作靈活；每個(gè)結(jié)點(diǎn)都是由數(shù)據(jù)域和指針域組成的。鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)適用于任何二叉樹，是目前最常用的二叉樹存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。二叉鏈表的每一個(gè)結(jié)點(diǎn)除了數(shù)據(jù)域（存放結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息）外，還需要有兩個(gè)指針域指向它的左、右孩子結(jié)點(diǎn)。通過左右兩個(gè)指針，二叉鏈表可以很方便的查找已知結(jié)點(diǎn)的孩子結(jié)點(diǎn)。

因此該程序中關(guān)鍵字節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如下：

typedef struct _node{

nodes parantPtr； 指向父節(jié)點(diǎn)

const nodes *SonPtr； 指向子節(jié)點(diǎn)

const char *MyName； 當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的名字

char Length； 節(jié)點(diǎn)的長度

int ID； 標(biāo)記號(hào)

}node；

遍歷樹的過程是采用自上而下的方法，從根出發(fā)，自上而下的對輸入串中的關(guān)鍵字進(jìn)行匹配直至樹的末端或沒有匹配為止。因?yàn)橄到y(tǒng)的輸入比較穩(wěn)定，因此采用自上而下的分析法，其過程可以分為兩個(gè)步驟，一是根據(jù)輸入的命令得到每個(gè)關(guān)鍵字的編碼和參數(shù)等信息，然后根據(jù)編碼查找命令樹當(dāng)前層（或根）與之匹配的信息，有匹配信息時(shí)記錄當(dāng)前位置，無匹配信息時(shí)需要查詢其兄弟節(jié)點(diǎn)或回溯到父級(jí)繼續(xù)查詢，若符合條件的節(jié)點(diǎn)查詢完畢也沒有找到匹配的信息則給出出錯(cuò)信息。最后得到一個(gè)儀器可以識(shí)別并能夠執(zhí)行的命令碼和參數(shù)，同時(shí)提交命令碼供系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的功能。

三、總結(jié)

本論文對可編程線性直流電源進(jìn)行了總體上的設(shè)計(jì)。首先對控制部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)，包括LED顯示部分和鍵盤輸入部分，進(jìn)行了硬件和軟件上的實(shí)現(xiàn)，另外還對隔離電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。將CPU周圍的SPI、AD轉(zhuǎn)換、DA轉(zhuǎn)換、ECCP、bootloader模塊和數(shù)據(jù)精確度的控制進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)描述。最后對SCPI數(shù)據(jù)通信進(jìn)行了設(shè)計(jì)說明，并有超級(jí)終端進(jìn)行顯示并控制直流電源。

基于SCPI命令標(biāo)準(zhǔn)的研究和實(shí)現(xiàn)，可以提高SCPI的數(shù)據(jù)采集的通用性、可移植性和可擴(kuò)展性，對于以后開發(fā)完整的標(biāo)準(zhǔn)化程控命令有一定的參考作用，能有效縮短其他具有SCPI命令的儀器開發(fā)時(shí)間。

參考文獻(xiàn)

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