多总线仪器程控接口转换器研制

摘要

本课题来源于研究所的科研项目“多总线仪器程控接口转换器研制”。由于笔者单位目前的半导体电路测试生产线新旧仪器并存，各类仪器所配备的GPIB、LAN、USB等总线接口类型繁多，使得测试平台统一困难，且对自动测试系统的易用性及稳定性也有影响。因此开发多总线仪器程控接口转换器，实现USB/LAN-GPIB总线接口的转换，对于笔者单位的科研生产测试具有较高的实用价值。
　　目前国内外较为成熟的USB/LAN-GPIB接口转换的解决方案，如USB-GPIB接口转换器和LAN-GPIB接口转换器类的产品还相对较少，且价钱昂贵。如是德科技有限公司（原安捷伦科技有限公司）的USB-GPIB转换接口82357和LAN-GPIB接口转换器E5810A，以及美国国家仪器公司(NI)的GPIB-ENET/1000和GPIB-USB-HS接口转换器，这些接口转换器价格均在500美元到1200美元（约合人民币3000元至8000元）范围内。此外，上述各类国外公司产品均仅仅只有单一的两种接口的转换功能，不能实现多种接口到GPIB接口转换的功能，在自动测试平台组建，外场试验等实际应用中不便于使用和携带。而目前国内厂家所研发的同类产品也基本以逆向仿制以上美国公司产品为主，稳定性较差且无知识产权。因此自主研发USB/LAN-GPIB总线接口转换器既可节约科研经费，也可规避知识产权问题。
　　该科研项目的研究目的是实现USB/LAN-GPIB总线接口转换器的研制设计，实现测控机通过USB/LAN总线接口与具有GPIB总线接口仪器之间的顺畅通信，且相对国外产品具有价格低廉，功能集成度高的优势，同时满足测试生产线及外场试验的各类需求。
　　本文详细论述了USB/LAN-GPIB接口转换器的基本设计原理及总体设计方案，硬件和软件设计三个方面的内容。使用单片机STM32F407设计的USB/LAN-GPIB接口转换器，是将具有GPIB接口的可程控仪器通过USB接口、或LAN接口与测控机相连，该转换器使用的是标准的USB接口、LAN接口、GPIB接口，通过该转换器，具有GPIB标准总线接口的可程控仪器可以方便地通过USB/LAN接口接受测控机控制，接入自动测试系统。
　　硬件方面：结合本次研究的目的、器件性能与价格、以及对现有的软硬件资源熟悉程度等因素，确定了基于单片机STM32F407的转换器硬件设计方案。STM32F407集成了USB接口控制器和USB-FS（Full Speed）PHY(Physical layer)，实现USB-HS（High Speed）接口需外接高速PHY电路，本设计采用USB-HS接口。STM32F407集成了10/100Mbit/s以太网控制器，但需外接快速以太网PHY才能实现网络功能。本设计选用DP83848作为网络物理层芯片。GPIB接口电路模块主要由GPIB接口控制芯片NAT9914，总线收发器SN75162、及GPIB标准连接器等构成。
　　软件方面：转换器软件编写和编译环境为Keil uVision5。在ST公司的Cube库基础上编写了USBTMC协议，TCP/IP采用LwIP协议包。
　　本次项目研制，笔者完成了USB/LAN-GPIB程控接口转换器的软、硬件设计，通过该USB/LAN-GPIB程控接口转换器，进行了测控机与程控仪器的联机调试运行，实现了测控机对程控仪器的程控功能，达到了该项目的预期研制目标。

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第一章 绪论

1.1研究工作的背景概述

1.2选题在实际应用方面的意义和价值

1.3 本课题的主要工作内容

1.4 本论文的结构安排

第二章 相关总线接口技术的分析与研究

2.1 USB总线概述及通用协议基础

2.2 USBTMC协议

2.3 GPIB总线概述

2.4 TCP/IP协议

2.5本章小结

第三章 硬件设计

3.1 程控转换器总体硬件方案

3.2 MCU及其外围电路

3.3 GPIB接口电路

3.4 高速USB接口电路

3.5 LAN接口电路

3.6 PCB板设计

3.7 本章小结

第四章 软件设计

4.1 软件总体设计

4.2 GPIB接口软件设计

4.3 USBTMC软件设计

4.4 以太网软件设计

4.5 本章小结

第五章 模块功能测试

5.1 USB-GPIB测试

5.2 LAN-GPIB测试

5.3本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果

附录A 时钟及MCU外围电路原理图

附录B GPIB接口原理图