基于USBTMC协议的数字多用表程控技术研究与实现

摘要

进一步扩展USB接口在仪器仪表领域的应用，USB联盟推出了USBTMC协议，使得USB接口的测试仪器得到测试仪器软件厂商更为全面的支持。本文以USBTMC协议在数字万用表中的应用为研究课题，重点研究了USBTMC协议、SCPI命令解析以及USB与不定长字符串的存储处理等，主要研究内容分为四部分。 1、USBTMC通信功能及其实现。根据USBTMC协议更改固件程序里的设备描述符，使得计算机可以把数字多用表识别为USBTMC设备。然后在固件以及上位机将数据封装成符合USBTMC协议的格式。 2、SCPI命令的构建及其解析器设计。将传统的链式二叉树解析方式改变为HASH表查找的方式对SCPI命令进行存储与解析，将SCPI命令解析从传统的O（N）级别的时间复杂度提升到了O（1）。 3、上位机软件设计。使用CVI开发出的上位机平台通过NI提供的visa库可以对数字多用表进行有效控制，通过将配置阶段与解析阶段分离成两个模块，降低了程序的耦合性。 4、不定长字符串的处理。通过引入MPQ算法将形如SCPI命令字符串的不定长字符串转化为三个定长HASH值存储在EEPROM中，极大程度上节省了内存空间。将SCPI命令的参数字符串以数组索引的方式存储，将字符串比较转化为数值比较，极大的提升了参数解析速度。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究工作的背景与意义

1.2 国内外研究历史与现状

1.2.1 USBTMC的发展态势和研究现状

1.2.2 虚拟仪器软件架构的发展态势和研究现状

1.2.3 可编程仪器标准命令（SCPI）的发展态势和研究现状

1.2.4 SCPI解析器的发展态势和研究现状

1.2.5 MPQ的发展态势和现状

1.3 本文的主要贡献与创新

1.4 本论文的结构安排

第二章 数字多用表程控系统方案设计

2.1 功能需求分析

2.2 整体设计方案

2.3 SCPI命令解析器设计方案

2.4 上位机软件设计方案

2.5 本章小结

第三章 USBTMC程控接口设计实现

3.1 USB与USBTMC原理

3.1.1 令牌和PID码

3.1.2 USB传输类型

3.1.3 USBTMC通信模型

3.2 设备的枚举

3.2.1设备的枚举过程

3.2.2设备描述符

3.3 固件程序编写

3.3.1 固件的结构

3.3.2.任务分配器

3.3.3设备请求函数（Device Request）

3.4 与FPGA的通信协议

3.5.1 EEPROM引导加载数据

3.5.2 EEPROM的空间设计

3.5.3 固件与EEPROM的通信

3.6 本章小结

第四章 SCPI解析命令的模块设计

4.1 SCPI命令规范

4.2 SCPI命令解析方法分析

4.2.1 链式二叉树解析SCPI命令过程

4.2.2 哈希表解析SCPI命令过程

4.3 SCPI命令集构建过程

4.4 SCPI字符串分离过程

4.5 SCPI命令查询过程

4.6 SCPI参数解析

4.7 本章小结

第五章 数字多用表程控界面设计

5.1设计目的

5.2 人机交互界面设计

5.3 软件工作流程

5.4 可移植特性的实现

5.5本章小结

第六章 功能验证

6.1搭建测试平台

6.2USBTMC功能测试

6.3SCPI解析功能验证

6.4程控系统测试

6.5本章小结

第七章 总结与展望

7.1研究工作总结

7.2后续工作展开

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果