1、电气信息工程学院毕业设计(论文) 数字示波器 GPIB 解释程序设计1数字示波器 GPIB 解释程序设计文 摘 本课题来源于科研项目“带宽 100MHz 、采样率 100MSPS 的数字存储示波器 DSO（Digital Storage Oscillograph）”的研制，本人的任务是解释编译程序的设计。该解释程序是使用单片机 C 语言编程设计的，它依据的标准是美国电气及电子工程师协会公布的 IEEE488.2 标准。根据 DSO 控制面板设计了GPIB 程控命令树，根据 IEEEE488.2 标准定义了程控命令的格式，并以 GPIB 器件数据标准推荐的消息交换控制协议为准则，设计出程控命令解
2、释程序流程图，最终实现了程控命令解释程序的设计。关键词 程控；GPIB；命令树；解释程序目前推动整个示波器技术发展的市场动力主要来自于计算、通信以及消费电子产业。随着设备传输速率的飞速提高以及某些新数据标准的不断涌现(例如基于第二代串行数据标准的产品设计，其中包括第二代 PCI-Express、SATAIII 以及双倍速 XAUI 等)，人们开始要求产品具有最优性能，从而满足产品应用开发工作中最为苛刻的要求。新型数字荧光示波器在一种强大的采集技术中，同时融合了模拟示波器和数字示波器的优势。这一测量工具要优于模拟示波器和数字示波器，因为它可以以前所未有的方式考察信号操作。任何现有的示波器结构(不
3、管是模拟示波器还是数字示波器)都不能实现数字荧光示波器的功能。解释程序是数字示波器中非常重要的一部分。有一个好的解释程序，可以大大提高示波器的运行速度。1 绪论1.1 示波器基础知识示波器是一种图形显示设备，它描绘电信号的波形曲线。这一简单的波形能够说明信号的许多特性：信号的时间和电压值、振荡信号的频率、信号所代表电路中“变化部分”信号的特定部分相对于其它部分的发生频率、是否存在故障部件使信号产生失真、信号的直流成份（DC）和交流成份（AC）、信号的噪声值和噪声随时间变化的情况、比较多个波形信号等。 1.1.1 示波器的发展过程（1）初期主要为模拟示波器廿世纪四十年代是电子示波器兴起的时代，雷
4、达和电视的开发需要性能良好的波形观察工具，泰克成功开发带宽 10MHz 的同步示波器，这是近代示波器的基础。五十年代半导体和电子电气信息工程学院毕业设计(论文) 数字示波器 GPIB 解释程序设计2计算机的问世，促进电子示波器的带宽达到 100MHz。六十年代美国、日本、英国、法国在电子示波器开发方面各有不同的贡献，出现带宽 6GHz 的取样示波器、带宽 4GHz 的行波示波管、1GHz 的存储示波管；便携式、插件式示波器成为系列产品。七十年代模拟式电子示波器达到高峰，行谱系列非常完整，带宽 1GHz 的多功能插件式示波器标志着当时科学技术的高水平，为测试数字电路又增添逻辑示波器和数字波形记录
5、器。模拟示波器从此没有更大的进展，开始让位于数字示波器，英国和法国甚至退出示波器市场，技术以美国领先，中低档产品由日本生产。模拟示波器要提高带宽，需要示波管、垂直放大和水平扫描全面推进。数字示波器要改善带宽只需要提高前端的 A/D 转换器的性能，对示波管和扫描电路没有特殊要求。加上数字示波管能充分利用记忆、存储和处理，以及多种触发和预前触发能力。廿世纪八十年代数字示波器异军突起，成果累累，大有全面取代模拟示波器之势，模拟示波器逐渐从前台退到后台。但是在发展初期模拟示波器的某些特点，却是数字示波器所不具备的： 操作简单：全部操作都在面板上可以找到，波形反应及时，数字示波器往往要较长处理时间。 垂
6、直分辨率高：连续而且无限级，数字示波器分辨率一般只有8位至10位。 实时带宽和实时显示：连续波形与单次波形的带宽相同，数字示波器的带宽与取样率密切相关，取样率不高时需借助内插计算，容易出现混淆波形。简而言之，模拟示波器为工程技术人员提供眼见为实的波形，在规定的带宽内可非常放心进行测试。人类五官中眼睛视觉神经十分灵敏，屏幕波形瞬间反映至大脑做出判断，细微变化都可感知。因此，刚开始模拟示波器深受使用者的欢迎。（2）中期数字示波器独领风骚八十年代的数字示波器处在转型阶段，还有不少地方要改进，美国的TEK公司和HP公司都对数字示波器的发展做出贡献。它们后来停产模拟示波器，并且只生产性能好的数字示波器。
7、进入九十年代，数字示波器除了提高带宽到1GHz以上，更重要的是它的全面性能超越模拟示波器。出现所谓数字示波器模拟化的现象，换句话说，尽量吸收模拟示波器的优点，使数字示波器更好用。数字示波器首先在取样率上提高，从最初取样率等于两倍带宽，提高至五倍甚至十倍，相应对正弦波取样引入的失真也从100%降低至3%甚至1%。带宽1GHz的取样率就是5GHz/s，甚至10GHz/s。其次，提高数字示波器的更新率，达到模拟示波器相同水平，最高可达每秒40万个波形，使观察偶发信号和捕捉毛刺脉冲的能力大为增强。再次，采用多处理器加快信号处理能力，从多重菜单的烦琐测量参数调节，改进为简单的旋钮调节，甚至完全自动测量，
8、使用上与模拟示波器同样方便。电气信息工程学院毕业设计(论文) 数字示波器 GPIB 解释程序设计3最后，数字示波器与模拟示波器一样具有屏幕的余辉方式显示，赋于波形的三维状态，即显示出信号的幅值、时间以及幅值在时间上的分布。具有这种功能的数字示波器称为数字荧光示波器或数字余辉示波器即数模兼合。1.1.2 示波器的一些特征自从示波器问世以来，它一直是最重要、最常用的电子测试工具之一 ；由于电子技术的发展，示波器的能力也在不断提升，其性能与价格也五花八门，市场参差不齐。参见前面的示波器发展。总之，传统的观点认为模拟示波器具有熟悉的面板控制，价格低廉，因而总觉得模拟示波器“使用方便”。示波器的特征主要
9、有：（1）宽带带宽一般定义为正弦输入信号幅度衰减到-3dB时的频率，即70.7%，带宽决定示波器对信号的基本测量能力。随着信号频率的增加，示波器对信号的准确显示能力将下降，如果没有足够的带宽，示波器将无法分辨高频变化。幅度将出现失真，边缘将会消失，细节数据将被丢失。如果没有足够的带宽，得到的关于信号的所有特性，响铃和振鸣等都毫无意义。带宽有两种类型：重复（或等效时间）带宽和实时（或单次）带宽。重复带宽只适用于重复的信号，显示来自于多次信号采集期间的采样。实时带宽是示波器的单次采样中所能捕捉的最高频率，且当捕捉的事件不是经常出现时要求相当苛刻。实时带宽与采样速率联系在一起。（2）采样速率定义为每
10、秒采样次数（S/s），指数字示波器对信号采样的频率。示波器的采样速率越快，所显示的波形的分辨率和清晰度就高，重要信息和事件丢失的概率就越小。实际上，信号的准确再现取决于其采样速率和信号采样点间隙所采用的插值法。一些示波器会为操作者提供以下选择：测量正弦信号的正弦插值法，以及测量矩形波、脉冲和其他信号类型的线性插值法。（3）屏幕刷新率所有的示波器都会闪烁。也就是说，示波器每秒钟以特定的次数捕获信号，在这些测量点之间将不再进行测量。这就是波形捕获速率，也称屏幕刷新率，表示为波形数每秒（wfms/s）。采样速率表示的是示波器在一个波形或周期内，采样输入信号的频率; 波形捕获速率则是指示波器采集波形的
11、速度。（4）存储深度存储深度是示波器所能存储的采样点多少的量度。存储深度与取样速度密切相关。所需要的存储深度取决于要测量的总时间跨度和所要求的时间分辨率。电气信息工程学院毕业设计(论文) 数字示波器 GPIB 解释程序设计4（5）指标精度示波器的指标有很多：如垂直灵敏度、扫描速度、增益精度、时间基准、垂直分辨率、保修期等。一般只要这些指标能够达到一定的标准，相互协调就可以了。（6）分析功能数字示波器的最大优点是它们能得到的数据进行测量，且按一下按钮即可实现各种分析功能。虽然可利用的功能因厂家和型号而异，但它们一般包括诸如频率、上升时间、脉冲宽度等等的测量。某些数字示波器还提供快速傅里叶变换（F
12、FT）功能。（7）可扩展性示波器应该能够不断地适应需求的变化。一些示波器可以随机扩展： 增加通道的内存以分析更长的记录长度 增加面对具体应用的测量功能 有一整套兼容的探头和模块，加强示波器的能力 同通用第三方的Windows兼容的分析软件协同工作 增加附件，如电池组和机架固定件等。1.2 GPIB 系统GPIB 系统就是，利用 GPIB 接口母线系统把若干可程控器件连接起来而组建成的系统。在这种系统中，除了极少数简单的无控者系统之外，都需要用一个主控机来根据测量程序去控制整个系统的工作。1.2.1 GPIB 数字接口GPIB 标准通用接口母线系统，是用一种外部手段来把各种器件连接成的一个系统。
13、一般设计出来的 GPIB 有如下的基本特性：（1） 采用母线连接方式 母线上对多可以挂 15 个器件。一般，15 个器件可组成个机架，已能组成相当规模的系统。母线中共包含 16 条信号线。传输方式为比特并行、拜特串行的异步双向传递，并采用三线挂钩技术来多线消息。此外，数传速率还受到电路电容的影响，受到传输线上因为反射和振铃现象而需要的瞬变过程稳定时间的限制，也受到挂钩信号往返的电缆延时的影响。（2）一般可用器件后背板上的波动开关自由设置地址容量。（3）在同一时刻，母线上只容许有一个讲者，听者数目不限（4）具有控者转移能力电气信息工程学院毕业设计(论文) 数字示波器 GPIB 解释程序设计5（5
14、）母线上采用与 TTL 相容的正极性、负真逻辑1.2.2 GPIB 总线的结构接口没有标准化以前，一般仪器的设计是把一切必要的数据线、控制线和状态线都拉出来。这样的接口引线大多多余 50 条。（1）数据母线数据母线由 DIO1 至 DIO8 八条数据线组成，并行传送八位比特数据。DIO1 为最低位比特，DIO8 为最高位比特。在所有 DIO 线上，既传递接口消息，也传递器件消息，这个是由当时的 ATN 线标志。（2）管理母线共有五条管理母线，分别是 ATN、EOI、SRO、IFC、REN（3）总线接口消息GPIB 器件的接口功能和器件功能的状态变迁是由器件之间传递的消息引起的。为了保证运行和操
15、作上的相容，任一种互联设备接口系统都对总线上传递的消息做出某种规定，GPIB 系统也是这样。（4）GPIB 消息分类和传递途径GPIB 消息分类和传递途径主要是这样： 器件与外界交换的数字信息，经过适当的编码，由接口发送器输出至母线。 外界的数字信息通过母线传送到器件接口，由接口接收器接收近来，经过适当译码后分送各有关部分。 外来接口消息经译码后送到有关的接口功能，引起相应接口功能状态变迁；反之，各接口功能输出的接口消息经译成标准编码后由通道 1 送到母线上去。 器件消息经由 TE 或 LE 接口功能传出或传入；器件消息不会引起接口功能的状态变迁。 二个或多个接口功能之间的逻辑上的互联关系，称
16、为状态交链，并由 GPIB 标准予以具体规定。 当存在状态交链时，一个借口功能状态的变迁将取决于另一个或多个接口功能的某状态当时是否在起作用。 本地消息仅在器件功能与接口功能之间交换，不传到母线上去。 负责控者内部器件功能发出的远地接口消息，经由控者功能，通过适当编码传到母线上去。（5）接口消息编码电气信息工程学院毕业设计(论文) 数字示波器 GPIB 解释程序设计6在 GPIB 中，一切远地消息都用三个大写英文字母做代名，所用的远地消息编码依照GPIB 消息真值编码表。多线消息经诸 DIO 线传递，由挂钩控制。多线接口又分三类： 通令 这是控者广播周知的命令，母线上具有相应接口能力的一切器件
17、都必须一直监测并执行之。 专令 这是控者发给指定器件的命令。控者在发出专令之前，应先发出某一个或多个器件的听地址，一切受命听者均听取随该地址之后发出的专令，并执行它。 地址 又分为听地址和讲地址；在采用二比特地址的扩大听者和扩大讲者中，还有副地址（第二比特）。GPIB 接口标准中还规定了若干本地消息，它们却是单线消息，并用三个小写字母来代名。标准中只规定了由器件功能发给本器件的接口功能的本地消息。对于由接口功能发给本器件的器件功能去的本地消息则不予规定。至于器件消息，由 GPIB 器件数据标准（如 IEEE488.2）规定。1.2.3 GPIB 系统的主控机主控机本身也是挂在 GPIB 母线上
18、的一个器件；不过它是一种特殊的器件，通常由一台能够满足特殊要求的电子计算机的硬件和软件构成，因而也称为仪用计算机。主控机必须满足以下要求：（1）它必须配备符合有 GBn249-85 标准的 GPIB 接口硬件。这个接口至少应具有十种标准接口功能中的五种：控者功能、讲者功能、听者功能、源方挂钩功能和受力挂钩功能。为了便于也能在多控者系统中工作为非作用控者，也常配备有其他几种标准接口功能。部分接口功能也可以软件实现。自从有了供 GPIB 接口用的 LSI 芯片以来，接口功能主要由硬件来实现。（2）GPIB 接口的一系列驱动子程序，它们是计算机软件与 GPIN 接口之间的接口 。它们根据计算机应用程
19、序的解释来驱动 GPIB 接口的工作，令 GPIB 母线的 16 条信号线或置 0 或置 1，GPIB 接口工作于命令状态或工作于数据状态。GPIB 驱动子程序一般用汇编语言编程，供 BASIC 解释程序调用。GPIB 驱动子程序构成计算机高级编程语言系统的一个组成部分。（3）使用于编制测试用程序用的高级编程语言系统。一般采用扩充了的 BASIC 语言，这类语言易学易懂；BASIC 是一种解释性语言，由计算机对应用程序逐句解释，逐句执行，每解释一句就执行一句，这样毫微 便于人机对话，便于视测量的具体情况来临时修改程序。电气信息工程学院毕业设计(论文) 数字示波器 GPIB 解释程序设计7一般的
20、最小的 BASIC 都没有直接供 GPIB 操作用的语句，使用困难，能力有限。最好是采用供自动测试系统用的扩充 BASIC，它们在普通扩充 BASIC 的基础上在扩充若干便于测试用的语句。当然为了提高运行速度和效率，目前有不少主控机也采用了其他语言，如 FORTRAN 和 C语言。采用 C 语言的较多，因为 C 语言清晰易懂，让编程人员减少了大量的工作量。本篇的解释程序就是利用 C 语言编程的。总而言之，供自动化测试系统作为主控机用的计算机，必须配有GPIB接口，以及为该型计算机和该型GPIB接口用的编程语言系统（包括解释程序及相应的驱动程序）。视所用测试编程语言扩充的程度（能力的强弱）而异，
21、作为主控机用的计算机可分为三大类型：（1）直接驱动型；（2）语句扩充型；（3）子程序调用型。1.3 GPIB 器件数据传递在一段应用程序之下，为通过执行一定功能操作来自动完成给定目的而组建的，利用GPIB 接口总线互相连接起来的测试装置称为 GPIB 自动测试系统。从系统连接、组建角度出发，每个设备的地位是相同的，但是它们在完成给定目的和执行操作的地位上是不同的。1.3.1 设备在 GPIB 系统中的地位连接进入 GPIB 自动测试系统的测试设备可能有四种：信号发生器类仪器：标准信号发生器、频率综合器、扫频源、直流源等。信息检测类仪器：电子记数器、多用表、RLC 参数仪、数字式示波器、逻辑分析
22、仪、信号分析仪、频谱分析仪、网络分析仪、数字式记录仪等。终端显示与记录类设备：CRT 显示器、磁盘机、打印机等。数据处理与控制类设备：程序发生器、卡片读出机、微型计算机、小型计算机等。为了在机械上、电气上、功能上相容联接，它们都设有接口功能区以隐去设备本体功能的千差万别。因此，从 GPIB 接口总线联接角度出发，称它们为“GPIB 器件”。但从接口功能管理上看，GPIB 器件能力是有差异的。在 GPIB 测试系统中，某设备能够传送“程控消息（Program Messages）”到系统中的另一些设备和从另一些设备接收“响应消息(Response Message)”，该设备称之为“系统控制器电气信
23、息工程学院毕业设计(论文) 数字示波器 GPIB 解释程序设计8(System Controller)”，简称为 “控制器(controller) ”;相应地，另一些设备称为“器件（Device ）”，器件不能作为“系统控制器”。根据 GPIB 接口标准规定，只要“控制器”和“器件”设有 C 接口功能，它们都有机会接收控制成为 “负责控者”或传出控制成为“空闲控者”。1.3.2 GPIB 系统的器件数据传递GPIB 器件数据标准指出，测试系统的 GPIB 器件没有能力成为 GPIB 接口总线“负责控者”，仅含有这样器件的系统是一个最优化 GPIB 测试系统。通常的消息传送要么是“控制器到器件（
24、Controller-to-Device）”的，要么就是“器件到控制器（Device-to-Controller）” 的。一般说来，控制器到器件的消息是程控设备的“程控消息（Program Message ）”或“程控数据(Program Data)”；而器件到控制器的消息就是“响应消息（Response Messages）”,也含“状态数据（Status Data）”。这些都是 GPIB 器件消息的一个部分，实际上，GPIB 器件数据标准是规定这些器件消息传送时应使用的编码、格式、交换控制协议。在 GPIB 系统中，也存在“器件到器件（Device-to-Device）”消息传送的情况。两个
25、器件间的消息传送应遵循“响应消息”句法规则。1.4 GPIB 操作与控制GPIB 器件的操作控制方式有两种：一种是当其连入 ATS 时，通过该器件的 GPIB 接口接受来自系统控制器的程控消息，通常称为远地控制；一种是接受来自器件自己面板（或背板）上产生的程控消息， 就是所谓的本地控制。标准指出，GPIB 器件的控制和操作是按控制源和指示方式来分类的。驱使 GPIB 器件的器件功能的电路状态变迁，通常称之为器件功能“操作（Operation）”。通过 GPIB 接口，来自控制器的“程控消息”引起的 GPIB 器件功能操作，称为 GPIB“远地操作（Remote Operation）”；除了 G
26、PIB 远地操作以外的任何器件功能操作称为 GPIB“本地操作(Local Operation)”。另外需要说明的是，通过连接到器件的其他总线或者是接口，来自系统内另一个操作点的器件功能操作也定义成 GPIB 本地操作。引起 GPIB 器件操作的实际“动作”称为 GPIB 控制。“本地控制”，简称“本控”，影响GPIB 本地操作，包括用于器件控制的器件所有的输入方式。通常为：（1） 从器件非 GPIB 系统接口输入的“外部控制信号（External-Control-Signal）”，它可以引起本地操作。（2） 硬本地控制。器件上的某些机械的或位置的指示器就是“硬本地控制（Hard Local
27、Control）”。它们往往不能由 GPIB 远地操作改变指示。电气信息工程学院毕业设计(论文) 数字示波器 GPIB 解释程序设计9（3） 软本地控制。硬本地控制以外的其他本地控制都称为“软本地控制（Soft Local Control）”。仪器的本地控制手段较多，本控中某些控制能力不能由 GPIB 远地操作引起或替代，这类本地控制超出了 GPIB 标准范围之外，不能认为它们是 GPIB 本地控制。器件功能的本地控制能够受到 GPIB 远地操作影响，也能够受到 GPIB 本地操作的影响，这类本地控制称为“可程控本地控制（Programming Local Control）”。GPIB 器件至
28、少应具有 GPIB 远地操作能力，通常也具有本地操作能力。数字示波器 DSO 与器件间传送的器件数据含有程控消息、响应消息和状态数据。下节主要介绍与解释程序密切相关的程控消息的相关内容。1.5 数字示波器 DSO 程控消息定义对 DSO 程控命令进行解析之前，要对 IEEE488.2 标准定义的程控消息的组成格式及各功能元素的定义做一个了解。1.5.1 程控消息的组成格式程控消息是“控制器到器件”的消息，它是由一系列的程控消息单元组成。这些消息单元可以是，代表一个，也可以是一个，代表一个。在命令题头后面紧跟一个“？”就表示一个询问命令。程控消息必须用程控消息结束符来表示消息功能元素序列的结束。
29、解释程序接到完整的消息题头时，开始分析、执行消息内的命令，而结束符使语法分析程序回到 DSO 程控命令树的根部。程控题头分界符程控数据分界符程控题头 程控数据图 1 程控消息或单元功能元素句法图电气信息工程学院毕业设计(论文) 数字示波器 GPIB 解释程序设计10程控消息的合法功能元素由， 及 组成。程控题头可以是 ，也可以是 。如图 1 所示。功能元素由、 、组成。如图 2 所示。图 2 功能元素由和 组成。如图 3 所示。图 3 功能元素 根据程控题头的组成不同，可分为简单程控题头、复合程控题头及公用程控题头。（1）简单程控消息题头，就是只包含一个助记符，其相应的程控消息格式为：（当无程控数据时）：程控助记符结束符（当具有程控数据时） ：程控助记符程控数据分界符程控数据结束符（2）公用程控题头,它是表示 GPIB 器件数据标准规定的 GPIB 仪器应该执行的公用功能*结束符（3）复合程控题头，就是在题头中包含了两个或两个以上的助记符。它是题头的内部结构。这种结构常用于功能复杂的仪器，以限制单一题头的数量和按功能逻辑块组成仪器命令集。复合题头特别适合于定义是一种分层关系命令结构的命令树。当在根级命令中还有子命令时，则依嵌套关系分别写出子命令助记符，最后列出功能元素助记符。图 2.3 中的 11 个子系统命
