仪器党的最爱：GPIB-232采集卡的DIY

随着时代的发展，很多当年高档的仪器从各部门退下来，流入到二手市场，以往的天价设备，现在也可以被个人所购买。世界顶尖的仪器公司如HP、FLUKE、R&S等生产的高档仪器也经常出现在各大电子爱好者的论坛上了，所以就出现了所谓的“仪器党”，广坛也不例外。

在这些高档仪器上，经常会出现一个附件：GPIB接口或模块。而且越高档的仪器，它出现的机率也越大，甚至可以说有没有GPIB接口是判断一个仪器是否高档的标准。那么什么是GPIB呢？它有什么用？虽然有很多仪器党前辈们对此了如指掌，而且经常使用，但一般人还是不太了解其性能与使用。在此，本人现学现卖，抛砖引玉，介绍一下，就当是给大家当个消遣吧，如果有什么错误请高手指正，不足请补充，本人将十分感谢！

1、什么是GPIB及其发展历史。

在上个世纪50年代，随着计算机的发展和对测试的要求提高，测试内容复杂、测试工作量增加、测试设备的性能、速度、准确度都提出了高要求，人工测量已不能满足这些要求，自然就想到了用计算机自动测量，人们遇到的第一个问题就是如何使得开放式互连设备在机械、电气、性能上相容连接，以保证测量信息在互连设备间准确、无误地传递。这就要出现一个仪器之间的标准。第一个出现的就是HP公司的HP-IP标准，即后来的GPIB也叫做IEEE488总线标准。

说起GPIB，还得从美国的HP公司谈起，从1965年9月起，HP公司开始研究电子测量仪器的数字接口实行标准化。1972年，HP3570A网络分析仪采用了HPIB总线，组建了自动测量系统，大获成功。1975年HPIB经过改进成为IEEE的488标准。后来又经过几次修改最终在1978年颁布了IEEE-488-1978结束了可程控测量设备数字接口的国际标准化。我国在1979年，由电子科技大学就全部采用国产元件研制成了我国第一套HPIB的自动测量系统。由于历史的原因，HPIB，488总线在称呼上有多种如：IEC625、SJ2479、GPIB、IECBUS等都是同一个意思。国内使用的较多的是GPIB（general purpose interface bus）,即通用接口总线。

1、    为什么要用GPIB？

如果您有几台高档的万用表，同时测量一个电路的电压、电流、电阻、温度等参数随时间的变化关系，那么在记录时会变得很繁忙，速度快时，甚至是不可能的任务。如果用计算机来完成这些工作，将会方便得多。一、因为计算机速度很快，其记录速度是人几千倍以上；二、计算机很准确，基本上不会记错数据；三、计算机可以按程序来记录，把事先规定好的步骤告诉它，它会一点不差的执行，并且不会忘记。但计算机与仪器之间“对话”必须要大家都听得懂的“语言”，这就是GPIB的由来，它包括：机械接口尺寸大小、接口定义、电平定义、速度定义、对话方式等等。

GPIB共有24根芯，如上表所示。对其的功能可进行分成三类：数据线（8根）、握手线（3根）、界面管理线（5根）

2、    GPIB的主要功能？

GPIB的主要功能就是可以实现计算机控制的自动测量（ATE），比如，通过计算机设置仪器的功能、状态、测量速度等；仪器之间可以相互传递数据，仪器和计算机之间可以传递命令和数据。计算机可以同时控制多台仪器组成的测量网络（最多15台，31个地址），每台仪器都有自已的特定地址，可以用拨码开关设定也可以用软件设定，下图是3456A的地址开关。用GPIB可以进行长时间定时或不间断测量；可以在危险或测试人员难以进入的地方进行测量；

3、    GPIB接口如何实现？

那么如何实现在一个仪器上加GPIB模块呢？这个模块是全世界统一的，所以必须要看IEEE488的标准了。IEEE488是一个国际电工电子委员会制定的一个关于GPIB的标准，里面详细地规定了488总线的（指GPIB，下同）的机械接口、信号通讯方式等。GPIB中的设备分为三种：一、讲者: 是通过总线发送仪器消息的仪器装置。如测量仪器、数据采集器、计算机等。二、听者:是通过总线接受由讲者发出消息的装置。如打印机、信号源等.三、控者: 是数据传输过程中的组织者和控制者。如计算机。

下面这个表里就是规定了仪器之间每个功能的名字，某个仪器不一定都要有这么多功能，比如万用表一般没有并行查询的功能，特定仪器的功能，可以看设备后面GPIB口附近所定的英文。

比如3456A万用表后面板上的标注：

对应每个一功能，比如SH，称之为源挂钩功能，是用来发送命令到其它仪器的。IEEE488中规定了其通信的方法：

首先它规定了一个数据通信的电平时序关系，用到以上定义到的几个针位的电平，称之为“三线握手协议”：三线是：DAV、NRFD、NDAC。

然后对其通讯的逻辑关系做出算法：

从图上可以看出，根据一定的逻辑关系和电平关系可以完成源到目标的信号传递，那么信号的含义又是什么呢？GPIB对信号的含义也进行了定义：分别为器件消息、接口消息、远地消息、本地消息等，其关系如下图所示：

每种消息的格式又有严格的定义，具体含义要查表才能确定。如接口消息的分类如下：

例如要完成一个“讲”（TALK）功能，必须按照以下的状态图进行：

具体的含义比较复杂，请参看相关资料。

4、    GPIB-232的转换电路及制作。

488标准规定是协议，而对其实现的方法并没有规定，那么如何制作实现一个GPIB的模块呢？主要的实现方法有三种：一、用分立逻辑器件搭建，早期的GPIB实现方法，成本高，而且可靠性不好；二、用集成专用GPIB芯片，使用方便，易于集成，比如ISA、PCI的GPIB卡都是这种方法，但价格比较贵，不易DIY，网上有很多的二手GPIB卡，主要分为两种类型：ISA总线、PCI总线的。如果是ISA则必须是老式的电脑主板有ISA总线插槽才能用，这类电脑基本已被淘汰；而PCI的GPIB卡基本在600元以上，不同品牌价格有点差别，这就限制了GPIB卡的普及；三、用MCU纯软件完成，由于GPIB逻辑复杂，所以做起来有点麻烦，而且不容易完全符合GPIB的标准，但成本低，容易DIY。

为了实现本人手中几个有GPIB设备的自动测试功能，本人参考了相关资料，用MCU实现了软件的GPIB采集卡。如下图：

加了铝盒外壳的图：

当然，光有这个GPIB卡还不行，还要有相关的采集软件，这个卡实现的是GPIB转232，所以上位机的软件主要功能是发送、接收和存储232接口的信号。软件界面如下图：

主要可实现如下功能：

一、    可以发送GPIB的命令，控制仪器的工作，不同仪器的命令有点不同，不过也大同小异。如图上所示的_?6,F1R16STG是发送给HP3456A六位半万用表的命令，实现以下功能：设置成DCV（F1），自动量程（R1），六位半显示（6STG），6是3456A的地址代表十进制的22。

二、    实时显示万用表发送的测量数据，并可保存成TXT格式的文件，当文件的大小达到一定时，可自动保存到指定目录的指定文件，并加上保存时间，方便日后分析。

三、    其它的辅助功能：悬浮显示、接收数量、暂停/继续、通信格式、串口选择等。

四、    支持同时多任务采集（多个卡连接到多个仪器），支持232转USB与计算机相连。

5、    GPIB-232的应用实例。

用这个卡可以做以下几个采集实验：

一、基准或万用表的开机及老化数据实验：因为这类实验的数据采集时间长、数据多，如果人一直用笔记录，将是很大的一个工作量。有了这个卡后，可以先发一些命令设置好仪器的工作状态，然后设置成TALK ONLY方式，则万用表不断的把测量数据发送至计算机。计算机自动保存后，可以用数据分析软件，如EXCEL等实现对数据的采集。下图是本人测量的3456A的开机特性。

数据：

、实现快速数据测量：如果一个电压变化得特别快，达到10次以上，人眼是不能记录分析的，但如果用计算机快速采集，则分析起来则相当方便了。当然这个工作可以用数据存储示波器来做，但示波器首先要有数据存储功能，而且灵敏度要高才行，一般的示波器的灵敏度都大于1MV/格以上，对小信号是不精确的，而高位的万用表灵敏度达0.1UV，所以对小信号的干扰记录是优于示波器的。下图是用HP3456A测量基准电压，在打手机时受到干扰而电压波动的情况，3456A设置的采样率是20次/秒。可以看到手机刚接通时的辐射最大，然后慢慢减小，通话时的干扰比较小，挂断时干扰又增大，这与常识是相符的。

高精度基准的测量：用高位的万用表测量高精度电压基准时，由于分辨率极高的情况下，人体的活动都可能对测量结果影响，比如人体接近万用表时，有分布电容、静电、电场、温度等因素的影响，因此可能对读数产生影响。如果用计算机远程测量，则可以避免这些因素的影响。

五、    做为控制器，同时控制多台仪器协同工作：下图为一块GPIB卡同时接两台万用表，分别设置第一台测量直流，自动量程，六位显示；第二台测量交流，自动量程，内触发。所有的功能设置，只要点击一次鼠标即可完成。