基于最优解空间树的SCPI解析器设计

于鲁波

【摘要】提出一种基于解空间树的通用SCP I命令解析器实现方案。先将SCPI命令集标识成一棵解空间树，给树中每个节点赋予不同的属性。进行命令解析时，采用贪心算法，搜索解空间树的路径，寻找最优的匹配解。试验证明针对SCPI规范的各种等效变种命令，该算法具有非常好的普适性。

【关键词】SCPI命令;解空间树;贪心算法;SCPI解析器

1.引言

SCPI（ Standard Commands for Programmable Instruments）是一种标准化的程控仪器编程语言，采用标准语法格式描述仪器功能，为所有仪器仪表提供了一个广泛兼容的编程和数据使用环境。SCPI命令具有纵向兼容性，横向兼容性和功能兼容性，最大限度的保证了SCPI命令在控制仪器中的灵活性。根据SCPI99[1]规范，SCPI指令同时具有长命令名和短命令名，命令中某些节点可以作为缺省节点忽略，导致SCPI命令使用灵活，会产生大量的变形等效命令。如何将这些等效命令编译成同一条执行指令是SCPI解析器设计的一个难点。

目前常见的SCPI解析器，如文献[2]将SCPI指令提前写入应用程序，如果修改SCPI指令或者将SCPI解析器移植到其他程序，就需要重新修改程序，使用不灵活。文献[3]虽然提出用XML文件描述SCPI指令，但是在描述SCPI指令的时候，没有充分发挥XML的自描述性和树形结构，因而无法识别全部的等效命令。本文将解空间树这一技术引入到SCPI解析器设计，通过设计相应的贪心算法，解决了SCPI的等效命令问题。

本文结构如下，第2节介绍SCPI语法和解空间树的基本概念与模型;第3节提出基于解空间树的SCPI解析器生成算法;第4节最后介绍研究意义和进一步的研究方向。

2.SCPI语法与解空间树

2.1 SCPI语法简介

SCPI是一个基于标准IEEE488.2建立的，适合所有仪器的命令集。其主要目的是为了使相同功能具有相同的程控命令，以实现程控命令的通用性。整个SCPI命令可以分为两个部分：一部分IEEE488.2公用命令，以“* ”开头，要求仪器必须执行;另一部分SCPI仪器特定控制命令。特定命令是以树型结构组织的字符串集，以“：”开头， 节点之间也是以“：”间隔。每个节点的字符串都有长格式和短格式两种写法， 而且根据仪器需要， 部分命令还会有独立的后缀。对于缺省节点，还可以省略。SCPI命令使用一个相似于文件系统的结构，这种命令结构被称为命令树。最靠近顶端的命令称为根命令，其次为第一级命令，第二级命令等。因而，对于一条特定的SCPI命令必须根据一个特定的路径才能到达下一层命令。

2.2 解空间树

解空间树又称为状态树。 它是一棵树，在这棵树中，包含着问题的所有解。对于给定的问题，如何在解空间树上寻找问题的最优或者次优解，一般需要用到贪心算法作为空间树回朔的依据。解空间树的解是一条从根节点到问题解叶节点的路径。SCPI命令本身以命令树的形式存在，因而，给定一条SCPI命令字符串，能否完全在命令树上找到其对应的解路径，成为解析SCPI命令的关键。在本文中，将XML文件引入到SCPI解析中，采用XML描述系统的SCPI命令集。解析该XML文件，在计算机内存中形成一棵解空间树。对于从程控端收到的SCPI指令，通过搜索该解空间树，判断接收到的SCPI命令是否合法。对于合法的SCPI指令编译其执行码，执行SCPI命令。不合法的SCPI命令则返回相应的编译错误。

3.SCPI解空间树算法实现

3.1 SCPI命令配置文件

通过编写不同的SCPI命令脚本可以生成不同的SCPI指令集。SCPI命令脚本采用XML描述SCPI指令，不同命令节点分配不同的属性。这样一棵命令树就形成了一个解空间，通过搜索解空间树，来解释不同的命令。SCPI命令配置文件部分如图1所示。

图1 SCPI命令配置脚本

3.2 脚本节点属性

SCPI命令配置脚本采用XML语言描述。由于XML具有非常突出的自描述性，为动态配置SCPI指令集提供了方便。

配置脚本根节点为“scpi”，子命令节点全部为“cmd”。根节点仅有一个“version”属性，表示此SCPI配置脚本当前的版本号，用于向上兼容SCPI解析器引擎。“cmd”节点有5种节点属性，具体如下：

1）name：SCPI命令符。配合cmd节点层次，用于区分不同的SCPI命令。

2）type：SCPI命令类型。命令符在SCPI命令串中是否为缺省节点。取值为“mandatory”，该命令符不可省略节点;取值“optional”，可以省略节点。按照SCPI规范，处于同一层的SCPI命令符有且仅有一个节点可以作为默认节点。如果同一层出现多个默认节点，应当给出编译错误。

3）canQuery：该SCPI命令是否支持询问。取值“true”，可以询问;取值“false”不可以询问。该属性省略时，默认为该命令不可询问。

4）argsType：该SCPI命令所带参数类型。用于检验接收到的SCPI命令是否符合标准规范。该节点取值类型与SCPI-99命令规范取值一致。该属性仅在SCPI叶节点有效。

5）code：SCPI叶节点命令编译执行代码。该属性仅在叶节点命令有效。对于等价的SCPI命令会编译出同一个执行代码。

该脚本文件被解析器解释成一棵解空间树，如图2所示。图中“[]”内的命令符表示该节点是缺省节点，可以省略。

图2 SCPI命令解空间树

在该命令树中，一级节点MEASure的子节点SCALar、VOLTage均为可省略节点。一级节点SOURce是可省略节点。

3.3 算法实现

SCPI解释器工作流程分两个阶段。第一阶段词法分析。该阶段会分析收到的SCPI命令字符串，并按照SCPI-99规范对命令进行语法检查，如发现语法错误则返回错误代码;否则将命令字符串按照SCPI语法规则分割成命令符集合和参数集合。第二阶段搜索解空间树。根据第一阶段得到的命令字符集和参数集合，搜索解空间树，编译出指令码。流程如图3所示：

图3 SCPI命令解析流程

贪心算法：如果解空间树某一层没有对应的节点命令，且该层有可省略节点，则递进到该省略节点的子节点继续搜索，否则回溯到解空间树上一层节点。

按照SCPI-99规范，以图2解空间树构建的SCPI命令集，如下命令为等效命令，SCPI解析器需要编译出同一条执行代码。

：MEASure：SCALar：VOLTage：FREQuency？ （1）

：MEASure：VOLTage：FREQuency？ （2）

：MEASure：SCALar：FREQuency？ （3）

：MEASure：FREQuency？ （4）

：MEA：SCAL：VOLT：FREQ？         （5）

根据算法的贪心策略，命令（1）通过搜索解空间树，可以立即成功返回。命令（2）在搜索解空间树到SCALar层时，无法匹配命令，但是该节点为可省略节点，继续搜索其子节点。在SCALar的子节点匹配命令，成功完成命令树搜索返回。同样命令（3）在匹配VOLTage节点时失败。但是该节点为可省略节点，继续搜索其子节点，在VOLTage的子节点匹配命令，成功完成命令树搜索返回。命令（4）在搜索到SCALar节点匹配失败，但是该节点为可省略节点，按照贪心算法的策略，递归到该节点的子节点VOLTage。在VOLTage节点匹配失败，但是该节点为可省略节点，递归到该节点的子节点FREQuency，匹配成功返回。命令（5）为SCPI短命令格式，SCPI词法分析器会自动辨认长短命令，匹配该命令。所以该命令也会成功返回。以上命令都会编译唯一解代码code=”0x010001”。命令执行器将该代码，交给仪器的Excutor。不同仪器的Excutor对该代码执行仪器特定的操作，完成SCPI指令的执行。

4.结论

本文设计的SCPI解析器有两个特点：1）采用XML语言将SCPI指令描述成解空间树;2）设计了一个基于最优解的贪心算法。对于给定的SCPI命令串通过搜索解空间树，来判断给定的SCPI命令串是否合法。该设计有如下优点：1）通过书写不同的XML脚本可以生成不同的SCPI命令集，无需修改修改SCPI解析引擎，就可以部署到不同的仪器上。2）解决了SCPI的等效命令问题。所有符合规范的SCPI等效命令都可以编译成同一条执行代码。因而本文设计的SCPI解析引擎具有通用性、普适性，非常适合程控仪器的SCPI命令内置执行引擎。

参考文献

[1]Standard Commands for Programmable Instruments（SCPI）.Consortiums SCPI standard[J].May，1999（6）.

[2]于红雨，李智，刘畅.函数/任意波形发生器SCPI解释器设计与实现[J].国外电子测量技术，2009（4）：70-73.

[3]孟德伟，唐承苗，秦开宇.基于XML的通用SCPI命令解析器设计[J].仪器仪表用户，2010（17）：76-78.