（测试计量技术及仪器专业论文）测控系统中计算机外总线技术的应用研究.pdf

独创性申明 秉承祖压| 优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学 位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知， 除特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我 一同工作的同志对本文所论述的工作的任何贡献均已在论文巾作了明确的 说i ! j 并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一i 刃相关责任 论文作者签名：缢置壁i ! 厂年，；月衫日 保护知识产权申明 本人完全了解西安理工大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在 校攻读学位期间所取得的所有研究成果的知识产权属西安理工大学所有。 本人保证：发表或使用与本论文相关的成果时署名单位仍然为西安理工大 学，无论何时何地，未经学校许可，决不转移或扩散与之相关的任何技术 或成果。学校有权保留本人所提交论文的原件或复印件，允许论文被查阅 或借阅；学校可以公布本论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或 其他手段复制保存本论文。 ( 加密学位沦文解密之前后，以上申明同样适用) 论文作者签名：釜茎! 垫 导师签名：i 量生年 月日 摘要 论文题目：测控系统中计算机外总线 技术的应用研究 学科名称： 作者姓名： 指导教师： 答辩日期： 测试计量技术及仪器 梁兴国签名： 避副教授鄞篷盔教授 签名： 2 0 0 5 年3 月 摘要 当大众化电脑技术进入测试与测量领域时，新的总线技术不断涌现，而过去 二十多年间，i e e e 4 8 8 总线标准( 通用接口总线g p i b ) 和r s 一2 3 2 接口广泛应 用于自动化测控系统中，多数仪器都配有这两种接口；目前w i n d o w s 操作系统极 为普及，开发w i n d o w s 环境下的测控系统已经成为趋势，而目前很多设备多采用 h p u n i x 操作系统，用b a s i c 语言编程。要保证这些设备在其正常使用寿命期 限内与新的计算机技术共同发挥测控系统的功能，就需要对总线技术赋予一些新 的特性，对这些老设备进行功能扩充。 本文探讨了多总线组合使h j 时测控系统的未来发展，以及在网络化时代仪器 控制中软件的“向上兼容”性。论文介绍了g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 总线协议标准，r s 2 3 2 接口标准；结合基于p c 机测控系统工程项目，以w i n d o w s 2 0 0 0 n t 作为软、硬件开发的系统平台，实现了h p 3 5 6 2 a 动态信号分析系统和齿轮 测量中心两个测控系统中的总线技术应用，对原设备进t i t 升级改造和功能扩充。 最后对于网络化测控系统作了理论性的探讨。 本文所完成的总线技术应用研究不仅为老式洲控系统注入了新的生命活力，而 且很好地将飞速发展的计算机技术、网络技术应用与测控系统中，为测控系统多总 线技术的兼容性提出了可行的方法。 关键词： 总线测控系统g p i br s - 2 3 2 c 网络化 西安理工大学硕士学位论文 s u b j e c t s p e c 工a l i t y c a n d i d a t e ： i n s t r u c t o r a p p l i c a t i o nr e s e a r c h0 np ce x t e r n a lb u s t e c h n o l o g yi nm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m 丛堡垒兰丛兰旦里鱼旦主丛量主! q ! q g y ! 皇竺b 堡q ! q g y 鱼i 旦兰主兰堡婴璺旦羔 些塑“坠g g 塑z 。，彤川ig n a t u r e 垂坠圭堕】 兰h 垫旦gl i 翌鱼望q ，i 堕旦 i ! s i g n a t u r e a b s t r a c t 蝴珠 0 a sc o m m o nc o m p u t e rt e e h n o l o g i e sa r ec o m i n gf o r t hi n t ot e s t i n ga n d m e a s u r i n gf i e l d s ，n e wb u st e c h n o l o g i e se m e r g ei nm u l t i t u d e ，h o w e v e r ，d u r i n g t h ep a s t2 0y e a r s ，i e e e 一4 8 8 ( g p i b ) a n dr s 一2 3 2i n t e r f a c ea r ew i d e l yu s e di n a u t o m a t i cm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m ，m o s to ft h ep r o g r a m m a b l ei n s t r u m e n t s a r ee q u i p p e dw i t hg p i ba n dr s 一2 3 2i n t e r f a c e ：w i n d o w so p e r a t i n gs y s t e mb e c o m e v e r yp o p u l a ra n dh p u n i xo p e r a t i n gs y s t e ml ss t i l lu s e di ni n s t r u m e n ts y s t e m t oe n s u r et h e s ei n s t r u m e n t sp l a yt h e i r r o l e st o g e t h e rw i t hn e wc o m p u t e r t e c h n o i o g i e sd u r i n gt h e i rl o n g e v i t i e s ，i ti sn e c e s s a r yt oe n d o w b u s t e c h n o l o g i e sn e wf e a t u r e sa n de n l a r g et h e s ei n s t r u m e n t s f u n c t i o t i s b a s e do mt h eb a c k g r o u n dm e n t i o n e da b o v e t h i st h e s isu s h e r si nm e a s u r e m e n t a n dc o n t r 0 1s y s t e m sf u t u r ew h e nm u l t i b u s e sa r eu s e da n di n s t r u m e n tc o n t r o l s o f t w a r e u p c o m p a t i b i l i t yd u r i n gn e t w o r kt i m e s b o t hg p i ba n dr s 一2 3 2 i n t e r f a e ea r ei n t r o d u c e di nt h ist h e ms c o m b i n e dw i t he n g i n e e r i n gp r o j e c t s t h i st h e s i sd e s c r i b e sb u st e c h n o l o g i e sa p p l i c a t i o ni nh p 3 5 6 2 ad y n a m i cs i g n a l a n a l y z e rs y s t e ma n dg e a rt e s t m e a s u r e m e n tc e n t e ra d o p t i n gw i n d o w s 2 0 0 0 n ta s f i r m w a r ed e v e l o p i n gp l a t f o r m f i n a l l y m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mb a s e d o nn e t w o r ka r ea l s op r o b e di n t ot h e o r e t i c a l t h e b u st e c h n o l o g i e sa p p l i e di nt h ist h e s i sn o to n l yr e i n f o r c eo l d m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m b u t a l s oa p p l yc o m p u t e rt e c h n o l o g i e sa n d n e t w o r kt e c h n o l o g i e st om e a s u r i n ga n d c o n t r o ls y s t e ms o u n d l y a sw e l ia s f e a s i b l em e t h o d sf o rm u l t i b u s e st e c h n o l o g i e sc o m p a t i b i l i t ya r ep r o v i d e d ， i i k e y w o r d s ：b u s ，m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m ，g p i b ，r s - 2 3 2 ，n e t w o r k 第一章绪论 1 绪论 随着科学技术的发展，现代测控系统对测量仪器信息获取、信息融 合和信息处理等三个方面对测试仪器系统提出了越来越高的要求。为此， 对相关仪器之间、仪器和计算机之间的通讯速度，仪器接入的自由程度， 仪器被操作访问的灵活程度以及整个测试系统的灵活性、稳健性以及自 动化程度，数据处理能力等问题提出了更高的要求。特别是虚拟仪器的 概念产生之后，测控系统中仪器与计算的连接方式对测控系统整体性能 影响越来越大，总线技术成为虚拟仪器测控系统发展的一个重要部分。 1 1 选题的意义 近二十年来，科学家与工程师已在自动化仪器系统中广泛使用 i e e e 一4 8 8 总线标准( 通用接口总线g p i b ) 和r s 2 3 2 总线。当大众化电脑 技术进入测控领域，u s b 、以太网与i e e e 1 3 9 4 等新的总线技术已开始 应用于测控系统，在传输速度等方面具有明显优势。但由于g p i b 拥有强 大功能与广大的使用者基础，目前的大量贵重仪器设备都配有g p i b 、 r s 2 3 2 接口，在未来的许多年仍会继续使用，要保证这些设备在其正常 使用寿命期限内与当前飞速更新换代的计算机技术共同发挥甚至扩展测 控系统的功能，g p i b 、r s 一2 3 2 等总线技术的应用研究就显得至关重要。 本课题将对g p i b 与其他总线组合使用时的工程实际问题进行开发研究， 并探讨在网络化时代仪器控制中软件“向上兼容”等问题。 1 2 总线技术简介及国内外现状和前景 总线是指计算机、测试仪器构成的测试系统内部以及相互之间信息 传递的公共通路，是测控系统的重要组成部分，其性能在计算机和测控 西安理工大学硕士学位论天 n i l 系统中具有举足轻重的作用。利用总线技术，能够大大简化系统结构， 增加系统的兼容性、开放性、可靠性和可维护性，便于实行标准化以及 组织规模化的生产从而显著降低系统成本。然而总线技术包含的内容 极为广泛，总线不仅是一组传输线，它还包括与信息代码传送有关的控制 逻辑。在计算机系统中，总线可以堪称一个独立的部件。 目前测控系统中仪器与计算机的连接方式主要有串行总线、并行总 线、现场总线和网络总线等几种类型。 串行总线主要有r s 2 3 2 总线、r s 一4 2 2 总线、r s 一4 8 5 总线以及9 0 年 代以后出现的u s b 总线、i e e e l 3 9 4 ( f i r e w i r e ) 总线等，并行总线中主要 有i e e e 一4 8 8 ( g p i b ) 总线、s c s i 总线、m x i 总线等。 随着总线技术的不断发展，在测控机箱与计算机的互连总线中，g p i b 显现出很多局限性，但目前仍是仪器、仪表及测控系统与计算机互连的 主流并行总线。因为装有g p i b 接口的台式仪器的品种和数量都明显超过 倍受青睐的v x i 仪器，而且在目前应用的v x i 系统中，与g p i b 混合应 用的比例很大，还有相当数量采用外主控计算机控制的v x i 系统，其计算 机通过g p i b 电缆和g p i b v x i 接e l 进行控制。以p c i 为基础的p x i 系统， 也都具有g p i b 接口。所以，在相当长的时间内，g p i b 系统仍将在实际 应用中，特别是中、低速范围内的计算机外设总线应用中占有一定的市 场a 在高速系统中，将被s c s i 总线所代替。m x i 总线将作为v x i 机箱 与计算机互连的事实上的标准总线。 由于串行总线，如u s b ，f i r e w i r e 总线，在传输速率上取得了重要突 破，且价格便宜，它有可能逐步代替现有的其他并行或串行互连总线， 并成为测控网络总线之一。尤其是f i r e w i r e 总线，它的传输速率可高达 3 2 g b i t s ，利用它不但可组成高速测控网络，还可代替测控机箱底板并行 总线，或作为冗余测控系统中的机箱底板并行总线的备份总线，具有很 好的应用前景。 测控系统正向着高效、高速、高精度和高可靠性，以及自动化、智 第一章绪论 能和网络化方向发展，测控总线将为实现这些目标起重要作用。目前国 外已有很多公司正在积极研究、开发i n f i a n e t i n t r a n e t i n t e r n e t 网络连接标 准，尽可能地利用现有的w w w ( 万维网) 技术，将采集到的数据和控制参 数直接放到h t m l ( 超文本标志语言) 文档中，使远程用户可以通过 i n t e r n e t 对生产过程进行访问，或控制远地实验室内的智能设备。这将为 开发开放型、全分布式、智能化的测控网络系统创造了条件。 随着计算机技术、网络技术和微电子技术的迅速发展，测控总线和 网络技术也处于不断发展之中，更高性能的总线和网络仍将不断涌现。 目前已有的总线或网络也将不断改进、提高和进一步标准化。这些都将 对测控系统的体系结构的变革和性能的提高产生重大影响。 1 3 论文的内容和主要工作 本论文结合工程实际，在对计算机测控系统和总线技术进行了深入 学习的基础上，以“h p 3 5 6 2 a 动态信号分析系统的p c 机控制”和 “m & m 3 0 0 0 齿轮测量中心”为研究对象，对r s 2 3 2 和g p i b 两种总线 技术作了深入的应用研究，并对网络化的测控系统做了理论性的探讨。 本论文分为三部分。 第一部分为基本理论知识，介绍了总线的概念，总线技术的功能与 分类，总线的数据传输方式和分类，总线的数据传送方式，以及总线技 术与虚拟仪器的关系。另外针对本论文中两个课题涉及到的r s 一2 3 2 串行 接口和o p i b 总线标准作了铺垫性介绍。 第二部分为基于总线技术的测控系统两个应用实例，分别介绍了两 个课题的项目背景，涉及到的有关h p 3 5 6 2 a 动态信号分析仪和 m & m 3 0 0 0 齿轮测量中心的功能特性、系统构成、测控原理等；重点阐述 了总线通讯的各种方式以及软件设计中的一些关键技术：并且给出了系 统的应用实例。 第三部分为测控系统中的展望与设想。针对测控系统网络化发展趋 西安理工夫学硕士学位论文 势，对网络化测控系统的概念、网络技术中的t c p i p 协议、c g i 公共网 关接口、h t t p 技术、h 1 1 m l 语言等作了简约的介绍，给出了网络化测控 系统的体系结构。最后对总线技术在测控系统中的应用前景作了展望。 第二章总线技术及相关协议 2 总线技术及相关协议 总线是技术包括的内容相当广泛，种类也比较繁多，主要包括总线 的传送方式、操作过程、总线仲裁等内容，本章在描述总线有关概念的 基础上，针对本文用到的g p i b 、r s 2 3 2 总线相关协议作了介绍。 2 1 总线的功能与分类 总线的类别很多，分类方式多样。按应用的场合可分为芯片内总线、 板内总线、机箱总线、设备互连总线、现场总线及网络总线等多种类型f 按用途可分为计算机总线、外设总线和测控系统总线；按总线的作用域 可分为全局总线和本地总线( l o c a lb u s ) ；按标准化程度可分为标准总线 和非标准化( 专用) 总线；按总线传送的信息种类可分为地址总线、数 舟 总 线 图2 1 微型计算机的吾数总线 据总线、控制总线、电源总线、模拟信号总线以及标准信号总线；按数 据传输方式又可分为串行总线和并行总线等等。本论文所讨论的主要是 按照总线在测控系统中的应用场合分类，除了片内总线( c h i pb u s ， c - b u s ) 和机箱内部总线( i n t e r n a lb u s ，i - b u s ) 以外的其它总线，即计 算机外总线( e x t e m a ib u s ，e b u s ) ，以下对这些总线做一简单介绍。 西安理工大学硕士学位论又 f 1 1 串行总线： 串行总线通常是指按位串行传送数据的通路。由于其传送线少、接 口简单、成本低、传送距离远，被广泛用于计算机连接外设和计算机组 网。测控系统与计算机互连最简单的方法是用r s 一2 3 2 c 串行接口。r s 一4 8 5 是另外一种典型的串行总线，可进行一点对多点的通信，在测控系统中 得到较为普遍的应用，但它的传输速率仍然很低。 9 0 年代后，串行总线在数据传输速率方面取得了突破性的进展。最 为突出的是u s b ( u n i v e r s a ls e r i a l b u s ) ；f ni e e e1 3 9 4 ( f i r e w i r e ) 总线。 u s b 总线是由美国多家公司提出的一种高性能串行总线规范，这种 串行总线具有传输速率高、即插即用、热切换( 带电插拔) 和可利用总线传 送电源等特点。 1 9 9 5 年由美国国家标准协会和电子与电气工程师学会制定的i e e e 13 9 4 高性能串行总线f 俗称火线，f i r e w i r e ) 总线，其最高传输速率已达4 0 0 m b i t s 。后来经改进的i e e e1 3 9 4 b 又将传输速率提高到8 0 0m b i t s 一3 2 g b i t s 。这是一种应用前景非常广阔的串行总线，在测控系统中，它可作 为机箱底板总线的备份总线，以及用作计算机与高速数据采集系统的互 连总线。 ( 2 ) 并行总线： 这类总线有标准的和非标准的两大类。常用的标准并行互连总线有 i e e e 4 8 8 通用接口总线和a n s ix 3 1 3 1 - 1 9 8 6s c s i 总线。非标准的并行 总线种类很多。大多数生产测控系统的厂家都采用自行设计的专用并行 总线，通过总线转换接口，将计算机和测控机箱( 柜) 连接起来。 i e e e 一4 8 8 通用接口总线亦称g p i b ( g e n e r a lp u r p o s e i n t e r f a c e b u s ) ，它 是美国h p 公司在7 0 年代推出的。该标准总线在仪器、仪表及测控领域 得到了最为广泛的应用，至今还是仪器、仪表及测控系统与计算机互连 的主流并行总线。在今后一段很长的时f 司内，它仍将作为中、低速范围 内的计算机外设总线来使用。 第二章总线技术及相关协议 s c s i 总线的原型是美国s h u g a r t 公司推出的，用于计算机与硬盘驱 动器之间传输数据的s a s i ( s h u g a na s s o c i a t e ss y s t e mi n t e r f a c e ) 总线， 1 9 8 6 年正式成为美国国家标准a n s ix 3 1 3 1 ，改名为s c s i 总线( s m a l l c o m p u t e ri n t e r f a c eb u s ) 。经进一步改进提高，后来又陆续推出s c s i 2f a s t a n dw i d e 和s c s i 3 又称u l t r as c s i ) 总线，原s c s i 总线改称s c s i 一1 总线。 该总线的传输速率很高，现已普遍用作计算机的高速外设总线，如连接 高速硬盘驱动器。许多高速数据采集系统也用它与计算机互连。目前仍 处在发展之中。 在非标准的并行互连总线中，性能先进、具有很好应用前景的是m x i 总线( m u l t i s y s t e me x t e n s i o ni n t e r f a c eb u s ) 。它是美国n i ( n a t i o n a l i n s t r u m e n t s ) 公司于1 9 8 9 年推出的3 2 位高速并行互连总线。目前，v x i 总线的测控机箱大都用这种总线与计算机互连。它将成为v x i 总线机箱 与计算机互连的事实上的标准总线。 ( 3 ) 现场总线： 所谓现场总线，是指计算机网络与生产过程专用网络，或工业控制 网络与生产现场基层的自动化测控设备之间传送信息的公共通路。 自8 0 年代以来，现场总线得到了迅速的发展，许多计算机和测控行业的 大公司自己或相互联合推出各自的现场总线标准。其中比较著名，或用 得较为普遍的现场总线标准有：b i t b u s ，p r o f i b u s ，p r o w a yc ，p h o e b u s ， h a r t , c a n ，c o n t r o l n e t ，f t p , s e r c o s ，f t , l o n w o r k s 。 2 2 总线的传送方式和操作过程 主控模块和从属模块之间的数据传输方式，可以分为同步式传输、 异步式传输、半同步式传输、分离式传输等四种。 总线上的数据传输是在主控模块的控制下进行的，主控模块是有控 制总线能力的模块。总线完成一次数据传输周期，一般分为四个阶段。 西安理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 申请阶段：当总线上有多个主控模块时，需要使用总线的主控 模块提出申请，有总线仲裁机构确定把下一个传输周期的总线使用权给 哪个模块。 ( 2 ) 寻址阶段：取得总线使用权的主控模块通过总线发出本次打算 防问的从属模块的地址有关命令，以启动参与本次传输的从属模块。 ( 3 ) 传输阶段：主控模块和从属模块之问进行数据传输，数据由源 模块发出经数据总线流入目的模块。 ( 4 ) 结束阶段：主从模块的有关信息均从系统总线上撤除，让出总线。 2 3 总线仲裁 在总线上有多个总线主模块同时请求使用总线时，决定由哪介模块 获得总线控制权，称为总线仲裁。实现总线仲裁的机构( 或电路) ；称为 总线仲裁器。( 如总线仲裁器8 2 8 9 ) 总线仲裁方式：基本的总线仲裁方式 有两种：串行的总线仲裁方式( 链形优先级结构) 和并行的总线仲裁方 式( 独立请求) 。 在串行总现仲裁方式中，越靠近控制器的模块，优先级越高，链形 优先级存在传播延迟，这种延迟与模块数成正比，所以判优速度较慢， 一般只接少量( 几个) 模块，一个发生故障，仲裁链失效，但是结构校 简单，造价较低。 在并行总线仲裁方式下，每个模块有一块独立的“总线请求”和“总 线允许”信号线，每对信号线有其相应的优先级；主要特点是判优速度 快，且与模块数无关；所需“请求线”和“允许线”较多，n 个模块需 要2 n 条。 2 4g p ib 总线标准n g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 也叫h p - i b ，是由美国惠普公 第= 章总线技术及相关协议 司于6 0 年代末、7 0 年代初首先开发出来的一种实用的仪器接口系统。其 原始目的是对测试仪器进行计算机控制。由于该系统能够达到较高的传 输速率( 1m b s ) ，因此很快就在测量领域流行起来。1 9 7 6 年1 月美国国 家标准化研究所( a n s i ) 颁布了a n s i m c i 1 标准，将t e e e 4 8 8 标准作 为美国标准。1 9 8 7 年i e e e 又将原i e e e 4 8 8 标准作个别修订定名为 i e e e 4 8 8 1 1 9 8 7 ，并同时颁布了i e e e 4 8 8 2 1 9 8 7 标准，对设备消息的编 码格式作了进一步的标准化。g p i b 是比h p i b 、i e e e 4 8 8 更为流行的叫 法。g p i b 的问世使得自动化测试中仪器的互联有了统一的标准，极大地 推动了自动测试技术的发展。 2 4 1g p i b 的技术特点 g p i b 总线由1 6 条信号线和8 条地线组成。这1 6 条信号线分为8 条 数据线、5 条控制线和3 条握手线。8 条数据线d i o l - d 1 0 8 用来传送命 令、地址和数据。5 条控制线，分别为a t n ( a t t e n t i o n ) 线、i f c ( i n t e r f a c e c l e a r ) 线、r e n ( r e m o t ee n a b l e ) 线、s r q ( s e r v i c er e q u i s t ) 线和e o i ( e n do ri d e n t i f y ) 线，用来管理通过接口的有序信息流。3 条握手线， d a v ( d a t av a l i d ) 线、n r f d ( n o tr e a d yf o rd a t a ) 线和n d a c ( n o td a t a a c c e p t e d ) 线，用于控制设备之间消息字节的传送。发送消息方( 源方) 和接收消息方( 受方) 利用这3 条握手线进行链锁挂钩，以保证数据线 上的消息f 命令或数据1 能准确无误地传送。 g p i b 使用8 位并行，字节串行，异步通讯方式。也就是说，所有字 节都是通过总线顺序传送，传送速度由最慢部分决定。由于g p i b 的数据 单位是字节( 8 位) ，数据一般以a s c i i 码字符串方式传送。 g p i b 上的设备通常采用2 4 芯的两端带接插头的屏蔽电缆连接。设 备可以线性方式或星型方式来连接，或是两种方式的综合。g p i b 母线上 的逻辑电平采用标准t t l 电平负逻辑。按g b 2 4 9 标准规定：高于2 v 称为逻辑“0 ”态或“假态”；低于o 8 v 称为逻辑“1 ”态或“真态”。 西安理工大学硕士学位论文 2 4 2g p i b 接口功能的设置 g p i b 系统的设备有控者、讲者和听者三种属性。实际设备属性具有 其中的一种，两种或三种。例如程控数字电压表可接受程序命令、设备 量程，因此具有听者属性。它的测试结果能供给控者，所以又具有讲者 属性。打印机只进行接受数据工作，因此只有听者属性。在g p i b 系统中 计算机是控者，具有讲、听、控三种属性。 g p i b 标准设立了l o 种接口功能，分别为：控者功能( c ) 、讲者功能 ( t ) 、听老功能( l ) 、源方挂钩功能( s h ) 、受方挂钩功能( a h ) 、服务请求功 能( s r ) 、并行查询功能( p p ) 、远控本控功能( r l ) 、设备触发功能( d t ) 和设 备清除功能( d c ) 。一台设备的接口只需配置其中的部分接口功能。接口 功能的配置，除基本配置( 讲、控、听) 外，可由设计者按照具体设备 的应用自行选择。 2 4 3g p i b 握手协议 由于g p i b 系统中各设备的工作速度可能相差悬殊，为了保证多线 消息能双向、异步、准确可靠地传递，g p i b 母线中设置了三条握手线， 分别为：d a v 、n r f d 、n d a c 。 源方和受方之间利用三线握手技术以异步方式来进行数据传送。其 基本过程如图2 2 所示，图中的序号用以标出流程各阶段g p i b 的数据线 及d a v 、n r f d 、n d a c 三线的信号变化。虚线表示多个接收者相继完 成“准备好”或“接收到”的过程： ( 1 ) 源方向总线上发送数据，但并不宣布数据有效，即令d a v = 0 ； ( 2 ) 受方相继准备好接收数据，用n r f d = 0 表示准备好接收数据； ( 3 ) 当源方确认所有受方均已做好接收数据的准各，就发出d a v = 1 的信息，示意受方放在数据母线上的数据可以接收； ( 4 ) 当受方确认数据可以接收时，信号n r f d = 0 己不必再保留下去， 第二章总线技术及相关协议 因而恢复n r f d = i 的状态，为下一次循环做准备； ( 5 ) 受方开始接收数据； 到2 - 2g p i b 二线握手时j 予 ( 6 ) 由于接收数据速度不同，受方相继接收到数据，当接收速度最慢 的那一设备接收完毕时，使母线n d a c = 0 ，表示所有受方均己接收完毕； ( 7 ) 当源方确认所有受方都已接收数据完毕，原来发的“数据有效” 信息d a v = 1 己不必保留了，故发d a v = 0 ，同时将数据母线上的数据撤 掉： ( 8 ) 各受方根据收到的d a v = 0 n r f d ，n d a c 三线均己恢复原状态， 轮循环作好准备。 信息而恢复n d a c = i ，到此d a v , 表示一轮握手循环结束，并为下一 三线握手方式是十分可靠的。从源方来看，只有在受方发出“准备 好接收数据”之后才能发出“数据有效”的信息，让受方接收：且只有 在受方宣布“数据己收到后”才能从数据线上撤消前一个消息字节，换 上新的消息字节。从受方来看，只有在源方宣布数据有效之后才能从数 据线上接收消息。这样可以保证凡是收到的每个消息字节都是有效的， 既不会多收，也不会少收。 2 5r s - 2 3 2 0 串行总线协议“ r s - 2 3 2 c 标准( 协议) 是美国e t a ( 电子工业联合会) 与b e l l 等公 l l 外 州 啪 呲 d d n n 西安理工太学硕士学位论天 司一起开发并于1 9 6 9 年公布的通用串行通信协议，通信速率低于 2 0 k b i t s ，它最初是为远程通信连接数据终端设备d t e ( d a t at e r m i n a l e q u i p m e n t ) 与数据通信设备d e c ( d a t ac o n n u n i c a t i o ne q u i p m e n t ) 而制定 的。但目前已广泛用于计算机接口与终端或外设之间的近端连接。这个 标准对串行通信的有关问题，如信号线功能、电器特性都作了明确规定。 由于这种总线连接简单，高级语言编程已经有模块化的控件，所以，目 前的多数测控仪器也都配备有r s 一2 3 2 c 接口。 2 5 1 电气特性 在t x d 和r x d 上： 逻辑1 ( m a r k ) = 3 v 1 5 v 逻辑0 ( s p a c e ) = + 3v + l5 v 在r t s 、c t s 、d s r 、d t r 和d c d 等控制线上： 信号有效( 接通，o n 状态，正电压) = + 3 v + 1 5 v 信号无效( 断开，o f f 状态，负电压) = 一3 v 1 5 v 2 5 2r s 一2 3 2 c 的接口信号 r s 一2 3 2 c 规标准接口有2 5 条线，4 条数据线、1 1 条控制线、3 条定 时线、7 条备用和未定义线，常用的只有9 根，它们是： 表2 - 1r s 2 3 2 接口信号定义 数据发t x d 笈送数( t r a n s m i t t e dd a t a ) 鲎燕量! 些 堡堕塑塑( ! ! ! ! 堡鲤! 型 地线 s g 信号地 砹, h 衙“地h i p g 第二章总线技术及相关协议 2 5 3 连接方式 ( 1 ) 远距离时，采用m o d e m 和电话网通信：采用普通电话交换线进 行通信，除了需要2 8 号信号线外还要增加i u 和d t r 两个信号线进行 联络，如2 2 图所示。 ( 2 ) 零m o d e m 的最简连线( 3 线制) ：图2 3 是最简单的情况，只需三 根线( 发送线、接收线、信号地线) 便可实现全双工异步串行通信，实 际应用中，当使用9 6 0 0 b p s ，普通双绞屏蔽线时，距离可达3 0 3 5 米。 ( 3 ) 零m o d e m 标准连接( 7 线制) ：想在直接连接时，考虑r s 一2 3 2 c 的 联络控制信号，则采用m o d e m 方式的标准连接方法，其通信双方信号 线的安排如图2 - 4 所示。 d t r l c er c ki d t e r n 调 接 r t s 计 c t s刚 算 l 口 d s r l 乜 胛 话 、f 、， s c乇l t l “ 辅 舢l d c d 略 嚣 1 ) _ r r r i 图2 - 2 采用m o d e m 和专用线通信时信号线的连接 d z 誓( 唧 1 0 t i b 己i d l 搿l p ) 图2 - 3 零m o d e m 方式的晟简单连接图2 - 4 零m o d e m 方式的标准信号连接 西安理工大学硕士学位论文 ! ! ! ! ! ! ! ! 曼! ! ! 曼! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 曼蔓! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 自! ! ! ! ! ! ! 自! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 岂 2 6 总线技术与虚拟仪器 传统的电子仪器如示波器、电压表、频率计、信号源等，是由专业 厂家生产的具有特定功能和仪器外观的测试设备。 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) 是以计算机为基础，配以相应 测试功能的硬件作为信号输入输出的接口，利用虚拟仪器软件开发平台 ( 如l a b v i ew ，l a b w i n d o w s c v i ) 在计算机屏幕上虚拟出仪器的面板( 包括 显示器、指示灯、旋钮、开关、按键等) 以及相应的功能，人们通过鼠标 或键盘操作虚拟仪器面板上的旋钮、开关和按键，去选用仪器功能，设 置各种工作参数，启动或停止一台仪器的工作。在计算机软件控制下对 输入信号进行采集、分析、处理，测量结果( 数据、波形) 和仪器工作状态 可从虚拟仪器面板上读出。用户在屏幕上通过虚拟仪器面板对仪器的操 作如同在真实仪器上的操作一样直观、方便、灵活。虚拟仪器可以在相 同的硬件平台下，通过不同的软件就可以实现功能完全不同的各种仪器， 即软件是虚拟仪器的核心，因此可以说“软件就是仪器”。 根据仪器的三大功能，设计仪器必须解决好人机接口( 即用户接口) 和机机接口( 即计算机与仪器模块接口。因此虚拟仪器软件有三个主要功 能，即提供一个集成的开发环境、一个与仪器硬件的高级标准接口和一 个与用户图形的接口。总线在虚拟仪器中承担了相当重要的作用，也就 是虚拟仪器要通过总线将计算机与仪器模块接口连接起来，以构成数据 采集端与软件开发端的桥梁。目前多数电子仪器都配有g p i b 、r s 2 3 2 c 等接口，以便实现传统仪器的虚拟化。 第三章h p 动态信号分析仪p c 机控制的实现 3h p 动态信号分析仪p c 机控制的实现 h p 3 5 6 2 a 动态信号分析系统是上世纪8 0 年代美国惠普( h p ) 公司 生产的一种典型的电子测量系统，具有较强的分析功能，它可以独立使 用，也可以通过g p i b 总线由h p 9 0 0 0 系列工作站在分析、测试、控制软 件的支持下组成自动测试系统( a t s ) 。 该系统采用h p 工作站对信号分析仪、打印机、绘图仪、磁盘机等进 行控制，信号分析仪作为数据前端通过传感器进行数据采集，h p 3 0 0 计 算机完成数据处理和管理，由于该系统配置的计算机系统早已过时，其 功能、速度、容量、外设的兼容性等都无法同目前广泛使用的p c 机相比， 而且新的操作系统和众多新型分析软件都无法在p c 机上运行，严重的制 约了动态信号分析系统的进一步开发和利用。因此，需要对其进行新计 算机平台的升级改造。 3 1 h p 3 5 6 2 a 动态信号分析仪简介 h p 3 5 6 2 a 型动态信号分析仪是一种功能灵活、使用方便的双通道 f f t ( 快速博里叶变换) 信号分析系统，能对输入的模拟信号进行预滤波、 自动增益控制和a d 变换。可进行时域分析( 包括时域波形、自相关系数、 互相关系数) 、频域分析( 包括自功率谱、互功率谱、传递函数、相干函数、 相干功率) 、幅域分析( 包括幅值概率密度、幅值概率分布) 、其他分析( 包 括倒谱、峰值显示、倍频程、频率细化等) 。该分析仪具有功能强、精度 高、频率分析范围宽( 0 1 0 0 k h z ) 、操作方便等特点。它还配有g p i b 接 口，易于与计算机及其他设备通过该接口实现数据通信及对信号进一步分 析。h p 3 5 6 2 a 动态信号分析仪充分完整的测量、分析能力以及突出的性 能使其在电子、机械、机电一体化控制系统地分析、检测和设计中发挥 着强大的功能。 西安理工大学硕士学位论支 3 1 1h p 3 5 6 2 a 动态信号分析仪的功能 t t p 3 5 6 2 a 动态信号分析仪可以通过仪器面板进行操作，也可以通过 h p i b 总线由h p 工作站来进行远程程控，如图3 1 所示，分析仪操作面 板上有1 2 个按键组，面板显示器右侧还有八个“软键”，通过按键组能 够直接进行输入数据、测量、分析或是显示一个“软键”按键菜单。“软 键”按键操作可以实现例如测量模式，定义一个数据入口参数例如频率 削3 - ih p 3 5 6 2 a 动态信号分析仪面授实物图 f n j 隔和终止适当单位入1 ：3 等操作。二者可以实现大部分的分析仪功能， 但是也有一部分功能只能通过h p i b 总线控制来实现。 总体来说，信号分析仪的功能有：频率响应测量、信号解调谱分析、 波形捕获、数据处理、h b i b 工作站自动测试等。 3 1 2h p 3 5 6 2 a 的数据传输格式 h p 3 5 6 2 a 动态信号分析仪提供了三种g p i b 总线数据传输格式： a s c i i ，a n s i 浮点二进制以及仪器专用非标准二进制，三种数据格式传 输速度最慢的是a s c i i ，最快的是非标准二进制。每一种数据格式都是 由一个格式标志、一个数据长度字、一个数据头，一个数据块组成。 第三章h p 动态信号分析仪p c 机控制的实现 a a s c i i 数据格式 a s c i i ( a m e r i c a nn a t i o n a ls t a n d a r dc o d ef o ri n f o r m a t i o ni n t e r c h a n g e ) 格 式是用8 位字节代表一个单字符的通用数据通讯代码，其传输速度最慢， 格式标志是抖i ，随后是数据长度字给出了要传输的变量数，数据头参见 附表二。 b a n s i 数据格式 a n s i 数据格式是i e e e ( 电子和电气工程协会) p 7 5 4 标准规定的6 4 位浮点二进制数据格式，其传输速度较a c s i i 快，格式标志是# a ，随后 是数据长度字给出了要传输的字节数，数据头参见附表二。表3 一l 给出 了a n s i 浮点数的格式： 表3 一la n s i 浮点格式 w o r d o w o r d l w o r d 2 w o r d 3 其中s 是符号位，e 是指数位，m 是数据位。 c 非标准二进制格式 内部二进制数包括包括多种数据类型，其传输速度较前两种要快，数 据类型包括：6 4 位浮点数( l o n gr e a l ) ，3 2 位浮点数( r e a l ) ，3 2 位整数( l o n g i n t e g e r ) ，1 6 位整数( i n t e g e r ) ，字符串等。以6 4 位浮点数据格式为例，数 据格式见表3 - 2 。 表3 - 2 非标准内部二进制6 4 位浮点数据格式 w o r d d w o r d l w o r d 2 w o r d 3 o m m m m毗 m m m m e m m m e m m m e m m m e m m m e m m m e m m m e m m m e m n m e m n m 5 e m u u t e m m m b s m m m f f f e 乩=”呲 f f f e f f f e f f f e f f f b f f f e f f f f f f f f f f f f f f f f f f f f 5 f f f f t f f f f b f f f f 西安理工大学硕士学位论文 其中f 是二进制格式的有效数字，在最高有效位( 符号位) 与相邻位 之问有二进制小数点，并且数据是归一化的。e 是二进制整数格式的指 数位。 3 2 h p 工作站自动测试系统结构和功能 如图3 - 2 所示，h p 3 5 6 2 a 信号分析仪通过g p i b 总线与h p 9 0 0 0 3 2 0 工作站、h p 2 9 3 4 a 打印机、h p 7 4 7 5 a 绘图仪以及软盘驱动器、硬盘存储 器、磁带机等设备相连，可以实现h p 3 5 6 2 a 信号分