GPIB，也称为IEEE-488标准或HPIB（惠普接口总线），是一种历史悠久且至今仍在许多测试测量、科研和教育领域广泛使用的并行通信标准，其核心目标是让多个独立的仪器能够连接到同一总线上,并由一台计算机进行控制。
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以下是GPIB通信的几大关键技术,我将逐一进行详细说明：
三线异步握手协议
这是GPIB最核心、最基础的技术，确保了在高速并行传输中，数据能够被可靠地发送和接收，而不会丢失或错位，它依赖于三条“握手线”：
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DAV (Data Valid - 数据有效线)
- 控制方：讲者通过拉低DAV线（逻辑“真”）来通知所有听者：“现在数据总线上的数据是稳定、有效的，请你们可以来读取了。”
- 接收方：听者检测到DAV线变低后,才会从数据总线上读取数据。
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NRFD (Not Ready For Data - 未准备好接收数据线)
（图片来源网络，侵删）- 接收方：这是“线或”（Wired-OR）逻辑的典型应用。任何一个听者如果没有准备好接收数据（内部缓冲区已满），就会将NRFD线拉高（逻辑“假”）。只有当所有听者都准备好接收数据时，NRFD线才会被所有听者释放而变为低电平（逻辑“真”）。
- 控制方：讲者会持续监测NRFD线，只有当NRFD线变为低电平（表示所有听者都已就绪）时，讲者才会将数据放到数据总线上,并准备拉低DAV线。
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NDAC (Not Data Accepted - 数据未接收线)
- 接收方：同样是“线或”逻辑。任何一个听者在读取完数据后，并不会立即释放NDAC线，它会保持NDAC线为高电平（逻辑“假”）。只有当所有听者都确认已经读取完数据后，NDAC线才会被所有听者释放而变为低电平（逻辑“真”）。
- 控制方：讲者会持续监测NDAC线，只有当NDAC线变为低电平（表示所有听者都已接收完毕）后，讲者才会将DAV线拉高，表示本次数据传输完成,并可以开始下一轮的传输。
工作流程简述：
- 讲者检查NRFD是否为低（所有听者准备好）。
- 若准备好,讲者将数据放到数据总线上。
- 讲者拉低DAV（数据有效）。
- 听者检测到DAV变低，开始读取数据，并拉高NDAC。
- 所有听者读取完毕后，NDAC变低。
- 讲者检测到NDAC变低，拉高DAV（数据无效）。
- 讲者准备发送下一个字节，同时听者将NRFD拉低,准备下一次握手。
这个协议确保了即使总线上连接着速度不同的多个设备,也能以最慢的那个设备的速度进行可靠通信。
总线结构与电气特性
- 物理拓扑结构：GPIB总线采用无源总线结构，所有设备都通过标准GPIB电缆并联在总线上，推荐的总线拓扑是星型或线型混合结构，而非单纯的菊花链,以减少信号反射和衰减。
- 电气标准：GPIB使用TTL（晶体管-晶体管逻辑）电平，逻辑“真”（通常表示1或有效状态）为低电平（0V ~ 0.8V），逻辑“假”（通常表示0或无效状态）为高电平（2.0V ~ 5.25V）,这种负逻辑设计是为了提高抗干扰能力。
- 驱动能力：总线上的每个设备接口都具备一定的驱动能力，为了保证信号质量，标准规定总线最多可以连接15个设备（包括控制器），如果需要连接更多设备，必须使用GPIB扩展器或中继器。
设备角色与寻址机制
GPIB总线上的设备根据其功能被分配不同的角色,并通过地址进行唯一标识。
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三种基本角色：
- 讲者：负责向总线发送数据的设备，数字万用表（测量后输出读数）、波形发生器（输出波形数据）,同一时间只能有一个讲者在工作。
- 听者：负责从总线接收数据的设备，打印机（打印数据）、电源（设置电压电流）,可以有多个听者同时接收来自同一个讲者的数据。
- 控者：负责管理总线通信的设备，通常是计算机或主控制器，它负责发布命令、指定讲者和听者、发起和结束通信,控者本身也可以作为讲者或听者。
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寻址机制：
- 听地址：控者通过发送一个特定的命令字节（通常是
5位地址 + 1位(L) = 6位），来指定一个或多个设备成为“听者”，被寻址的设备会响应这个命令，进入听者状态,准备接收数据。 - 讲地址：同理，控者发送讲地址命令，指定一个设备成为“讲者”，被寻址的设备成为讲者,获得发送数据的权利。
- 地址范围：GPIB支持31个讲地址和31个听地址（通过扩展地址可以更多），理论上可以连接很多设备，但受限于电气负载,实际限制在15个。
- 听地址：控者通过发送一个特定的命令字节（通常是
工作流程简述（让电源设置电压，然后万用表测量）：
- 控者（计算机）成为讲者，发送电源的听地址。
- 电源被寻址,成为听者。
- 控者发送设置电压的命令字符串（如 "VOLT 5.0"）。
- 电源接收并执行命令。
- 控者再次成为讲者，发送万用表的听地址。
- 万用表被寻址,成为听者。
- 控者发送万用表的讲地址。
- 万用表被寻址,成为讲者。
- 万用表将测量结果发送到数据总线。
- 控者（或指定的其他听者，如计算机）接收数据。
命令与消息格式
GPIB总线上的通信内容分为两种：接口消息和设备消息。
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接口消息：管理总线本身操作的消息，由控者发送,所有设备都必须能识别。
- 通令：所有设备都必须无条件执行的命令，如
IFC（接口清除，复位总线）、REN（远程使能）。 - 寻址命令：用于指定讲者和听者的命令，如
ATN（注意线）为真时发送的就是寻址命令。 - 副地址：用于扩展寻址范围或发送特定命令。
- 通令：所有设备都必须无条件执行的命令，如
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设备消息：与具体设备功能相关的数据，设置电压为5V”、“读取当前温度”，这些消息是设备特定的，通常采用ASCII字符串格式。
- 消息格式：没有严格规定，但通常遵循SCPI（标准命令用于可编程仪器）标准，这是一种业界广泛接受的命令集。
*IDN?是让设备返回其身份标识的通用命令。 - 数据传输：设备消息通过数据线传输，此时ATN线必须为假（高电平），表示数据线上的内容是设备消息,而非接口命令。
- 消息格式：没有严格规定，但通常遵循SCPI（标准命令用于可编程仪器）标准，这是一种业界广泛接受的命令集。
ATN (Attention - 注意线) 的核心控制作用
ATN线是控者用来区分接口消息和设备消息的“开关”,是控者权力的象征。
- ATN = 1 (逻辑真，低电平)：控者正在发送接口消息，只有控者可以发送数据，所有其他设备都必须作为“听者”来接收这些命令（如寻址命令、通令），数据总线上的内容是指令,不是数据。
- ATN = 0 (逻辑假，高电平)：控者放弃对总线的控制，由当前被寻址的讲者向当前被寻址的听者发送设备消息（即实际的数据）。
控者通过控制ATN线的状态，来切换总线的“管理模式”和“数据传输模式”。
GPIB关键技术的协同工作
GPIB的强大之处在于这些关键技术协同工作,构成一个稳定可靠的系统：
- 控者通过ATN线宣布自己要发命令（
ATN=1）。 - 控者通过数据总线发送听地址，指定电源为听者。
- 控者通过三线握手协议（NRFD/DAV/NDAC）确保电源正确接收到命令。
- 控者拉高ATN线（
ATN=0）,宣布进入数据传输模式。 - 控者将自己设为讲者，向电源发送设备消息（如
"VOLT 5.0"），同样通过三线握手确保数据可靠送达。 - 控者再次拉低ATN线（
ATN=1）,宣布发命令。 - 控者发送万用表的听地址和讲地址。
- 控者拉高ATN线（
ATN=0）。 - 万用表作为讲者，通过三线握手将测量数据发送给控者（或其他听者）。
尽管现代的USB、LAN、LXI等总线技术在速度和易用性上已超越GPIB，但GPIB的这套设计思想——特别是其三线异步握手机制——在并行通信领域具有里程碑式的意义,至今仍在许多自动化测试系统中扮演着重要角色。
