（信号与信息处理专业论文）gpib接口芯片的设计及在逻辑分析仪中的应用研究.pdf

j0 j ：j i j i i i j iiijiiji i irlfri rr l lir l l l jiif y 17 5 0 2 4 5 西华大学学位论文独创性声明 作者郑重声明0 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 嚣篡鞴毒鲷搿筠 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西 华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 篙篇熊埒垮日期：冲，d 锖皑r 冈 曾师篓。名l d 辫帚 日期 野6q 叫 西华大学硕士学位论文 摘要 本课题g p i b 接口芯片的设计及在逻辑分析仪中的应用研究主要有两个部分：第一 部分是基于c p l d 的g p i b 接口板设计；第二部分是通过g p i b 接口通讯的可程控逻辑分 析仪的设计。其中g p i b 接口板的设计采用c p l d + 单片机的方案，逻辑分析仪采用 f p g a + a 跚的方案。最后将两部分结合起来组成一个可程控的逻辑分析仪，使得计算机通 过g p i b 接口达到对逻辑分析仪的控制。 本文主要阐述了基于g p i b 接口的逻辑分析仪的软硬件设计原理并提出了设计方案， 根据设计的重点和难点，着重阐述了g p i b 接口芯片n a t 9 9 1 4 的c p l d 设计、g p i b 接口板 和逻辑分析仪的硬件工作原理与设计方案，同时也对与硬件密切相关的软件部分作了简 要的介绍。 第1 章介绍了g p i b 的发展现状和发展趋势，同时也介绍了逻辑分析仪在数据域测 试领域现状及发展趋势。第2 章主要阐述系统设计方案的选择，包括系统顶层结构设计 方案和关键器件的选择方案。第3 章阐述了系统的硬件设计，包括g p i b 接口板和逻辑 分析仪的硬件设计，并提出了双m c u 通讯的方案。第4 章主要讲述了系统的软件设计， 包括g p i b 接口板和逻辑分析仪的软件设计，并介绍了l a b v i e w 的设计方法。第5 章综 合讲述了设计和调试的过程中遇到的问题及解决办法，是实际动手能力的积累。第6 章 是结论和展望。+ 经测试表明，该逻辑分析仪具备了逻辑分析仪的基本处理功能，并具有g p i b 接口 的受方挂钩、源方挂钩、听和讲功能，可以进一步继续开发研究，具有广阔的应用前景。 关键词：o p i b 接口；逻辑分析仪；l a b v i e w ；v h d l g p i b 接口芯片的设计及在逻辑分析仪中的应用研究 a b s tr a c t t h et o p i c - - t h ed e s i g no fg p i bi n t e r f a c ec h i pa n da p p l i c a t i o ni nl o g i ca n a l y z e rh a st w o m a i np a r t s ：t h ef i r s tp a r ti st h ed e s i g no fg p l bi n t e r f a c eb o a r db a s e do nc p l d ；t h es e c o n d p a r ti st h ed e s i g no fap r o g r a m m a b l el o g i ca n a l y z e rt oc o m m u n i c a t eb yu s i n gg p i bi n t e r f a c e i nt h i s ，t h ed e s i g no fg p i bi n t e r f a c eb o a r di su s i n gt h ep r i n c i p l eo fc p l d + m c u ，t h ed e s i g n o fap r o g r a m m a b l el o g i ca n a l y z e ri s u s i n gt h ep r i n c i p l eo ff p g a + a r m f i n a l l y , t h et w o p a r t sa r ec o m p o s e do fap r o g r a m m a b l el o g i ca n a l y z e rt om a k et h ec o m p u t e rc o n t r o ll o g i c a n a l y z e rb yg p i bi n t e r f a c e t h i sp a p e rm a i n l yd e s e r i b l e st h ep r i n c i p l eo ft h es o r w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no fal o g i c a n a l y z e rb a s e do ng p i bi n t e r f a c ea n db r i n g sf o r w a r d s c h e m e t h ec p l dd e s i g no fg p i b i n t e r f a c en a t 9 9 1 4 ，t h ep r i n c i p l ea n dd e s i g no fg p i bi n t e r f a c eb o a r da n dl o g i ca n a l y z e ra l e e m p h a s i z e di nt h i sp a p e ra c c o r d i n gt ot h ed i f f i c u l t i e so ft h ed a s i g n t h es o w a r e , w h i c hi s c l o s e l yr e l a t e dt h eh a r d w a r e ，i sa l s om e n t i o n e di nt h ep a p e r t h ef i r s tc h a p t e rd e s e r i b l e sd e v d o p m e n tt e n d so fg p i ba n d1 0 西ca n a l y z e ri nt h ef i e l do f e l e c t r i c i t y t h es e c o n dc h a p t e rd e s e r i b l e st h ec h o i c eo fs y s t e md e s i g ns c h e m e ，i n c l u d i n g d e s i g ns c h e m eo ft o p - l e v e ls t r u c t u r ea n dc h o i c es c h e m eo fi m p o r t a n td e v i c e t h et h r e e c h a p t e rd e s e r i b l e st h ed e s i g no fs y s t e m ，i n c l u d i n gt h eh a r d w a r eo fg p i bi n t e r f a c ea n dl o 西c a n a l y z e r ，b r i n g i n gt h es c h e m eo ft w om c u c o m m u n i c a t i o n t h ef o r t hc h a p t e rd e s c r i b l e s 也e d e s i g no fs o f t w a r e , i n c l u d i n gt h es o f t w a r eo f g p i bi n t e r f a c ea n dl o g i ca n a l y z e r , t h ed e s i g no f l a b v i e wi sm e n t i o n e da l s oi nt h i sc h a p t e r t h eq u e s t i o na n ds o l u t i o ni nd e s i g np r o c e s sa r e d e s c r i b l e di nc h a p t e r5 c h a p t e r6s u m m a r i z et h ew h o l ed e s i g na n dd e b u g g i n g t e s t i n gs h o w st h el o g i ch a sb a s i cm a n a g ea b i l i t y ，弱w e l l 勰a h ，s h ，la n dt o fg p i b i n t e r f a c e ，c a nm a k em o r ee x p l o i t a t i o na n dr e s e a r c h ，a n dh a sw i d e l ya p p l i c a t i o nf o r g r o u n d k e y w o r d s ：g p i bi n t e r f a c e ；l o g i ca n a l y z e r ；l a b v i e w ；v h d l n 西华大学硕士毕业论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录 i i i 1 绪论1 1 1 g p i b 简介1 1 2 逻辑分析仪的发展现状及趋势2 1 3 本课题的主要研究内容3 2 系统总体方案设计4 2 1 系统方案的选择4 2 1 1 g p i b 接口板的设计方案一4 2 1 2 逻辑分析仪的设计方案4 2 2 系统项层结构设计5 3 系统的硬件设计7 3 1g p i b 接口板硬件设计7 3 1 1g p i b 通用接口系统的基本特性7 3 1 2g p m 接口功能系统7 3 1 3 g p i b 握手协议( - - 线挂钩过程) 8 3 1 4g p i b 接口板硬件基础1 1 3 1 5 控制器状态机的设计：1 2 3 1 6 主状态机的实现2 3 3 1 7 面向计算机系统总线的接口设计2 4 3 1 8 面向g p i b 总线的设计3 2 3 1 9g p i b 接口项层文件的生成3 5 3 2 逻辑分析仪的硬件设计3 6 3 2 1 逻辑分析仪的原理3 6 3 2 2 逻辑分析仪方案论证3 7 3 2 3 逻辑分析仪的硬件基础3 8 3 2 4 逻辑电路的模块设计3 9 3 2 5 双m c u 通讯设计4 8 3 2 6 电源电路设计一5 2 i i i g p i b 接口芯片的设计及在逻辑分析仪中的应用研究 3 2 7 复位电路设计5 3 3 2 8f l a s h 接口电路设计。5 4 3 2 9s d r a m 接口电路设计5 4 3 2 1 0 外扩s r a m 接口电路设计5 5 3 2 1 1l c d 显示控制电路设计5 6 3 2 1 2 键盘电路设计5 6 4 系统的软件设计5 8 4 1g p i b 接口的软件设计6 0 4 2 逻辑分析仪的软件设计6 2 4 2 1f l a s h 操作软件程序。6 2 4 2 2 初始化子程序设计6 3 4 2 3f p g a 中的地址操作子程序设计6 5 4 2 4l c d 显示子程序设计_ 。6 5 4 2 5 外部中断程序的设计7 2 4 2 6 键盘子程序设计。7 3 4 3基于l a b v i e w 的虚拟仪器设计。7 4 4 3 1l a b v i e w 简介。：7 5 4 3 2 s c p i 简介7 5 4 3 3带g p i b 接口的逻辑分析仪的实物图7 8 5 调试7 9 5 1 硬件调试心得7 9 5 2 软件调试心得7 9 5 2 1g p i b 接口板的软件调试7 9 5 2 2 逻辑分析仪的软件调试8 0 6 结论与展望8 1 参考文献8 2 攻读硕士学位期间学术论文及科研情况8 4 致谢：8 5 西华大学硕士毕业论文 1 绪论 随着计算机技术的飞速发展，计算机上的传统接口( 并口、串口) 已经无法满足p c 与外部设备之间不断提高的速度以及稳定性、易用性等要求，并且给p c 系统的设计者 带来了越来越多的麻烦，给用户的使用也带来了诸多不便，限制了计算机的发展。 g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ，通用接口总线) 于二十世纪6 0 年代末诞生于惠 普公司，现已成为工业控制及可编程仪器的标准接口之一，通过g p i b 接口，可使用户 迅速方便地连接p c 主机的各种接口设备。 在现代化的电子领域里，逻辑分析仪是非常流行、实用且必需的电子测试仪器。逻 辑分析仪凭着它强大的功能，为数字系统的开发、维护提供了强有力的工具，成为了电 子工作者的必备工具。 基于g p i b 接口的虚拟测试仪器是便携式测试仪器发展的一个方向，因此研究基于 g p i b 接口的逻辑分析仪具有一定的先进性和创造性，有很大的经济效益和现实意义。 1 1g pib 简介 g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ，通用接口总线) 于二十世纪6 0 年代末诞生 于惠普公司，现已成为工业控制及可编程仪器的标准接口之一，它是由国际电子电气工 程师协会于1 9 7 4 年9 月制定的一种标准接口总线，又称i e e e 4 8 8 总线。g p i b 自推出以 来，一直受到各仪器厂商的青睐，经久不衰。向时，g p i b 本身也在不断的发展，1 9 9 0 年出现的s c p i 对仪器命令实施了标准化，使g p i b 系统互换性和互操作性更强。1 9 9 3 年推出的h p 4 8 8 使g p i b 的最高传输速率从1 m b p s 提高到8 m b p s 。g p i b 接口高速传输性 能以及完整的控制协议，使得基于g p i b 接口的数据采集，温度监控，波形测量等便携 式设备获得了广泛的应用：同时也出现了趋于取代串口和并口的许多设备，如微型打印 机，除了h p 公司的仪器设备，越来越多的设备也提供了g p i b 接口，如m i t e q 卫星通信 设备公司就提供了很多集成该接口的设备1 。利用p c 机g p i b 卡监测控制所有设备的工 作，微处理器控制的g p i b 设备在数据采集和系统控制领域有着广泛的应用。g p i b 接口 应用得越来越广泛，采用面向对象的软件编程使系统功能易扩展和维护，增强了它的生 命力。各种程控仪器与计算机通过g p i b 接口相连接，让计算机能同时控制这些程控仪 器，并发出各种程控命令，接收数据、字节等。它是一种在有限距离内的通用系统，异 步通信，数据速率可容许在宽广范围内变化，g p i b 接口结构简单，通用性能强，使用灵 活方便，在这种环境要求下发展起来的i e e e 4 8 8 标准接口系统具有以下几个方面的基本 特征n 们乜嘲嘲蚓： g p i b 接口芯片的设计及在逻辑分析仪中的应用研究 ( 1 ) 象c a m a c ( c o m p u t e ra i d e dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r 0 1 ) 系统以小型计算机或中 型计算机作为系统控制器一样，g p - i b 系统主要以微型计算机作为其系统控制器，前者 软件费用大约占6 0 一8 0 ，而后者却大约为3 0 以下，所以说，小型中型计算机的应 用，软件是关键，而微型计算机的应用，接口是关键，从这一观点出发，与应用领域更 广的微型计算机匹配使用的g p - i b 系统显然具有更大的生命力。 ( 2 ) 接口的通用性，在于把各种测控领域中的设备：电工仪器、热工仪器、分析仪 器等组成一个互相联系、互相适应、互相协调的“社会。它们都能用这一接口系统组 成自动测试系统。 ( 3 ) 同类设备即使生产于不同国家的不同厂商，但都将因装备有通用接口而兼容于 g p i b 母线，这就使系统设计者可以任意地选取最理想的设备来组建系统。 ( 4 ) 单母线系统可以使信息在母线上做双向、异步挂钩的传递。任何两台设备都可 以直接交换信息而无需母线控制器。同时能广泛兼容不同速度的设备。 1 2 逻辑分析仪的发展现状及趋势 逻辑分析仪是一种分析数字化设备硬件和软件的仪器，它几乎是和微处理器同时问 世的。逻辑分析仪的功能是获取并以多种方式显示一批数据。这批数据位置以触发点为 参考点，它们可处于触发点前部、中部、后部、包含触发点或与触发点相距一定距离。 逻辑分析仪在各种数字系统中可用于硬件逻辑、时序和软件运行情况的研究、分析、测 试和故障诊断，是新产品开发和系统维护必不可少的工具。它已成为日前国际上最通用 的电子测量仪器之一。 随着数字化和计算机技术在军用和民用领域内应用的日益深入和普及，作为数字设 备重要检测仪器的逻辑分析仪市场状况和前景都很看好。国内逻辑分析仪的应用不断增 强，但是制造业发展不是很快，这主要是因为一方面这种仪器应用较为复杂，价格也较 高，国内使用还不够普及。另一方面，该仪器的大部分市场也已被少数国外公司占领， 所以国内厂商市场份额不大。 国外逻辑分析仪产品虽多，但最主要的厂家是美国的a g i l e n t 公司和t e k t r o n i c 公 司，他们占领的市场份额很大。此外f l u k e 、n i e o l e t 、g o u l d 、a d v a n t e s t 等公司也均 有一些市场份额。但国内真正形成市场份额的，是与微计算机配合才能工作的逻辑分析 仪插卡或外接模块，它们充分用微计算机资源，补充逻辑分析仪需要的部分，共同完成 仪器功能。这种产品价格较低，便于普及，即使是仪器领域颇具影响的a g i l e n t 公司， 在生产多种高档逻辑分析仪的同时，最近也推出了这种类型的产品。我国生产与微机配 2 西华大学硕士毕业论文 合的这类经济型仪器，有利于逻辑分析仪在国内的普及。这种产品的生产单位主要有清 华大学计算机厂、航天部5 0 2 所、上海无线电二十六厂、电子科技大学等单位。 逻辑分析仪的发展有不少值得注意的方面。首先是它与网络的结合。不少优秀的逻 辑分析仪都具备网络功能，这便于远地操作、控制，而且所测数据能在网上共享，也便 于专家在远地指导操作人员利用这种仪器对数字设备进行高难度维护、检修。其次，逻 辑分析仪与其它仪器相结合的趋势也值得注意。例如a g i l e n t 公司的1 6 5 0 0 、1 6 6 0 0 和 1 6 7 0 0 系列和t e k t r o n 议公司的9 2 0 0 系列都是模块化的综合逻辑分析系统。它们通常包 括高性能的逻辑分析仪、数字信号发生器和数字示波器等多种仪器。 方便使用是逻辑分析仪推广的重要问题，厂商均比较重视。例如对较复杂的触发设 置，一些产品给出触发事件库，用户只需选择一下或在图形化的界面上连接一下就完成 了设置。对整个逻辑分析仪的操作有的产品也采用w i n d o w s 界面或类似示波器的操作方 式，使用户感到熟悉、方便。在与被测件相连接、显示方式等方面也尽量简便。降低售 价是逻辑分析仪普及的重要条件之一，这也是著名仪器公司推出经济型产品的原因。 与整个仪器的发展趋势相适应，逻辑分析仪也向标准化、便携化的方向发展，因此 研究开发基于g p i b 接口的便携式逻辑分析仪是极其符合这一发展趋势的。 1 3 本课题的主要研究内容 ( 1 ) 研究g p i b 接口芯片n a t 9 9 1 4 和c p l d 芯片e p m 3 2 5 6 a t c - 1 4 4 的工作原理，采用 硬件描述语言完成对其设计。 ( 2 ) 设计g p i b 接口板。 ( 3 ) 研究逻辑分析仪的基本原理和结构。 ( 4 ) 研究f p g a 工作原理，完成a r m 芯片s 3 c 4 4 b o x 与f p g a 芯片e p 2 c 8 q 2 0 8 c 8 的连 接的硬件及软件设计。 ( 5 ) 设计上位机操作界面，与仪器整体调试，实现该仪器的功能。 3 g p i b 接口芯片的设计及在逻辑分析仪中的应用研究 2 系统总体方案设计 本课题是一个典型的基于接口的实时信号处理系统，重点介绍基于g p i b 接口的逻 辑分析仪系统结构项层设计和设计方案，同时给出了g p i b 接口板模块和逻辑分析仪模 块的关键器件的选择方案。 2 1 系统方案的选择 2 1 1g p i b 接口板的设计方案 可程控仪器g p i b 接口电路的设计主要有以下实现方法： ( 1 ) 利用g p i b 专用芯片如t i 公司的t n t 4 8 8 2 、n a t 9 9 1 4 实现g p i b 接口功能，这是 目前最主要的g p i b 接口实现方法。利用g p i b 专用芯片其优点为速度快，对c p u 的占用 少，现在生产的计算机、测试仪器上的g p i b 接口电路，绝大多数采用专用芯片实现。 但此类芯片只有国外少数公司能生产，不仅价格昂贵，而且购买不便晗1 。 ( 2 ) 利用f p g a 、c p l d 等器件实现g p i b 接口功能。大规模集成电路技术的发展，使 得可以采用一至几片集成芯片完成通用接口功能，从而简化了g p i b 接口的外围电路， 减小了接口的体积、重量和功耗，提高了它的可靠性，使其易于实现。随着e d a 等新技 术的不断引入和c p l d f p g a 等新型器件的广泛应用，无论是在理论创新层面还是在工程 需求方面都完全有必要而且也具备可能实现g p i b 控制器的自主知识产权研发。本设计 正是基于这样的契机以及业界的需求而决定选用c p l d f p g a 实现完全独立自主的g p i b 控制器。采用c p l d 后，我们可获得一种“软 硬件的崭新概念，使得电子系统的硬件 设计变得像软件设计那样灵活而又易于修改。通过我们综合考虑，参考了已有的多种具 有g p i b 接口的自动测量仪器的基本原理和设计经验后，我们决定参考t i 公司的n a t 9 9 1 4 芯片设计硬件电路。 2 1 2 逻辑分析仪的设计方案 由于数字信号只有高电平和低电平两种情况，因此用单片机( m c u ) 就可直接实现多 路数字信号进行采集和逻辑分析。但由于单片机的时钟频率较低，完成一次采样的时间 受程序执行指令速度的限制，采样速率通常不超过1 m h z 。因此，用单片机只能实现对 低速率数字信号进行逻辑分析。f p g a 的工作时钟速率通常可达2 0 0 m h z 以上，可对高速 数字信号进行采样，但普通的f p g a 在与外部设备进行数据交换时显得不灵活，为了解 决上述问题，通常是将m c u 与f p g a 结合起来，用f p g a 对高速数字信号进行采样，用 4 西华大学硕士毕业论文 m c u 负责与外部设备进行数据交换，从而实现对高速数字信号进行逻辑分析。因此本设 计采用f p g a + a r m 结构来实现逻辑分析仪的功能。 f p g a + a r m 结构最大的特点是结构灵活，有较强的通用性，适于模块化设计，从而 能够提高算法效率；同时其开发周期较短，系统易于维护和扩展，实时信号处理。在逻 辑分析仪系统中，低层的信号预处理算法处理的数据量大，对处理速度的要求高，但运 算结构相对比较简单，适于用进行f p g a 硬件实现，这样能同时兼顾速度及灵活性。高 层处理算法的特点是所处理的数据量较低层算法少，但算法的控制结构复杂，适于用运 算速度、高寻址方式灵活、通信机制强大的a r m 微处理器芯片来实现。 2 2 系统顶层结构设计 基于以上方案，本设计中g p i b 接口板部分采用c p l d + 单片机的结构方案，逻辑分析 仪部分采用了f p g a + a r m 的结构方案。 本系统总体结构上分为g p i b 接口板部分、数据采集系统和数据处理系统三部分。 系统的总体结构如图2 - 1 所示。 彩色l c d 1 r 一 a cd t e s s1 ： 洲h 鬻 ， 键盘 i a r m k 【 a t a l 串行通讯i 、 匐且县 数据处理系统 卜 毋 卜 毋 羚 建 八 峭书 塑 怍电ij 辔l 它靶q 炼买 留q潜m b q 一l d 晤；| 玩斤 a d d r e s s2 ： 潜 瑚它q 蝣 摘 | y 特征码触发电 怔拯 簖 ：d 哟2 比较路 爿i 爿i 1 数据驱 管理线 f p g a 驱动器 动嚣 z t 双a ，u 通讯电路 i 申行通讯ll 1 6 0 2 1 a z d lg i b 接口 g p i b 接口板数据采集系统 图2 - 1 总体设计框图 f i g u r e2 - 1c o l l e c t i v i t yd e s i g n 缸n 圮p i c t u r e g p i b 接口板部分主要是将上位机通过g p i b 接口板和逻辑分析仪连接起来，计算机 通过g p i b 接口向逻辑分析仪发送各种程控命令来实现对它的各种接口功能控制。 数据采集系统是以f p g a 为中心的采集单元，首先将被测数据流送入高速p e c l 电平 5 g p i b 接口芯片的设计及在逻辑分析仪中的j 立用研究 比较单元的输入端与阀值电平进行比较来完成二进制转换，比较后输出的p e c l 电平经 p e c l - t t l 电平转换单元转换成t t l 逻辑电平的二进制信号，然后将二进制信号与按键键 入的触发字进行各种特征码比较而产生的触发信号来控制存储电路的启动与停止，从而 来完成静态r a m 里有效的数据的采集。 数据处理系统是以a r m 处理器为中心的数字运算处理单元，主要完成读入静态r a m 中的有效数据，然后将有效数据进行处理并以多种显示方式在彩色l c d 上显示出来，以 便对捕获的数据进行分析和观察。 g p i b 接口板部分的接口芯片采用的是a l t e r a 公司的m a x 3 0 0 0 系列的c p l d 芯片 e p m 3 2 5 6 a t c l 4 4 - 1 0 ，m a x 3 0 0 0 是1 9 9 9 年推出的3 3 v 低价格，高集成度的可编程逻辑系 列，集成度范围6 0 0 5 0 0 0 可用门，3 2 - 5 1 2 个宏单元，3 4 - 1 2 8 个可用i o 引脚，同时它 的很好的性价比。 数据采集系统部分主要芯片采用a l t e r a 公司的c y c l o n e l i 系列的f p g a 芯片 e p 2 c 8 q 2 0 8 c 8 ，c y c l o n ei i 系列f p g a 基于成本优化的全铜1 5 vs r a m 工艺，容量从2 9 1 0 至2 0 0 6 0 个逻辑单元，具有多达2 9 4 9 1 2 b i t s 嵌入r a m 。c y c l o n ei if p g a 支持各种单端 i o 标准如l v t t l 、l v c m o s 、p c i 和s s t l - 2 3 ，通过l v d s 和r s d s 标准提供多达1 2 9 个 通道的差分i o 支持。每个l v d s 通道高达6 4 0 m b p s 。c y c l o n ei i 器件具有双数据速率 ( d d r ) s d r a m 和f c r a m 接口的专用电路。c y c l o n ei if p g a 中有两个锁相环( p l l s ) 提供六 个输出和层次时钟结构，以及复杂设计的时钟管理电路嘲。 数据处理系统部分的核心我们选择了s a m s u n g 公司推出的1 6 3 2 位r i s c 处理器 s 3 c 4 4 b o x 。它为手持设备和一般类型应用提供了高性价比和高性能的微控制器解决方 案。为了降低成本，s 3 c 4 4 b o x 提供了丰富的内置部件，包括：8 k bc a c h e ，内部s r a m ， l c d 控制器，带自动握手的2 通道u a r t ，4 通道d m a ，系统管理器( 片选逻辑， f p e d o s d r a m 控制器) ，代用p w m 功能的5 通道定制器，i 0 端口，r t c ，8 通道1 0 位 a d c ，i i c - b u s 接口，i i s - b u s 接口，同步s i o 接口和p l l 倍频器哺1 。 6 西华大学硕士毕业论文 3 系统的硬件设计 3 1 g p l b 接口板硬件设计 3 1 1g p i b 通用接口系统的基本特性 g p i b 通用接口具有以下基本特性： ( 1 ) 信息传递方式是位并行，字节串行( b i tp a r a l l e l ，b y t es e r i a l ) 。这主要是 指8 根数据线，它携带的8 个位和现代微计算机相兼容，又恰好相当两个b c d 码，而且宜 于采用i s o 编码传送信息。 ( 2 ) 母线上联接的仪器设备最多不能超过1 5 台。这是对大量自动测试系统设计的 结果。由于挂到母线上的发送器和接收器以及终端匹配负载都是据此而设计的，因此要 组建超出此设备数量的系统，尚需采用专门措施。 吨 ( 3 ) 系统母线总长度最好不要超过2 m x 设备数，而总长不允许超过2 0 m 。这样3 台 设备不能超过6 m ，4 台设备不能超过8 m 。 ( 4 ) 最高传送速率为l m 字节s ，但实际应用一般为l o - 1 0 0 0 k 字节s 。传输速率一 般与系统母线长度及所使用的发送器有关。 ( 5 ) 每一设备至少拥有一个地址供母线控制器寻址。单字节地址码用一个字节中的 5 个位来表示，因而有效地址为3 1 个，双字节则为3 1x3 1 = 9 6 1 个。 ( 6 ) 在系统中允许有多个控制器，对系统的控制权可以在各个控制器之间转移，但 是在某一时刻只能由一台控制器为当前的责任控制者。 ( 7 ) 在母线电缆上所传输的消息采用负逻辑。低电位( = 2 o v ) 为0 ，即假值m n 们。 3 1 2g pib 接口功能系统 g p i b 标准接口共定义了1 0 种接口功能，各种功能介绍如下n 们： 。( 1 ) 控者( c o n t r o l l e r ) 功能，简称c 功能。这种接口功能主要是为系统中能起控制 作用的设备而设立的n 铂。 ( 2 ) 讲者( t a l k e r ) 功能，简称t 功能一个设备( 仪器或计算机) 如果需要通过总线向 别的设备传送程控数据、测试数据或状态，则它必须具有讲者功能，例如将一台电压表 或一台功率计采集到的测量数据送往打印机或绘图仪记录，便可以通过讲者功能来实现 【2 5 】【2 6 】 o ( 3 ) 听者( l i s t e n e r ) 功能，简称l 功能。l 功能是为一切需要从母线上接收来自讲 7 g p i b 接口芯片的设计及在逻辑分析仪中的应用研究 者发送的消息的设备而设立的n 乜钔。 ( 4 ) 源方挂钩( s o u r c eh a n ds h a k e ) 功能，简称s h 功能。源方挂钩功能是为讲者 功能或控者功能服务的，必须配合t 功能或c 功能使用h 1 。 ( 5 ) 受方挂钩( a c c e p t e rh a n ds h a k e ) 功能，简称a h 功能，a h 功能是为需要从母线 上接受数据或命令的器件而设立的。在接收控者发出命令时，a h 功能仅只同控者的s h 功能挂钩，保证器件能收下控者发出的命令。在接收数据时，a h 功能负责对内和对外挂 钩。 ( 6 ) 服务请求( s e r v i c er e q u e s t ) 功能，简称s r 功能。s r 功能不仅可供器件出现临 时故障时向控者发出s q r 消息，而且也为正常运行的器件与控者联系而提供了一种渠道 【l 0 ( 7 ) 并行查询( p a r a l l a lp o l l ) 功能，简称p p 功能。器件出现故障后可通过s r 功 能向控者提出服务请求，在接受控者查询时再通过讲者功能，但是有些器件本身不需要 配置讲者功能。不具有讲功能的器件可以通过p p 功能来接受控者的查询。 ( 8 ) 远地本地( r e m o t el o c a l ) 功能，简称r l 功能。用来选择远地或本地工作方式 【2 2 】 o ( 9 ) 器件触发( d e v i c et r i g g e r ) 功能，简称d t 功能。产生一个内部触发信号，以 启动有关的仪器功能进行工作。 ( 1 0 ) 器件清除( d e v i c ec l e a r ) 功能，简称d c 功能。产生一个内部清除信号，使某 仪器功能回到初始状态。 通用接口系统一共设立了上述1 0 种接口功能，每一种接口功能虽然只起一定的作 用，赋予器件有限的能力。但是1 0 种接口功能配合使用，各施其能h 1 。 3 1 3g p i b 握手协议( 三线挂钩过程) 三线挂钩过程由于g p i b 系统中各器件的工作速度可能相差悬殊，为了保证多线消 息能双向、异步、准确可靠地传递，g p i b 母线中设置了三条握手线，分别为： ( 1 ) d a v ( d a t av a l i d ) ：数据有效线d a v = 1 表示数据有效。此线由源方使用。 ( 2 ) n r f d ( n o tr e a d yf o rd a t a ) ：未准备好接收数据线n r f d = i 表示受方未准备好 接收数据：n r f d = o 表示各接收器件均准备好接收数据。 ( 3 ) n d a c ( n od a t aa c c e p t e d ) ：未受到数据n d a c = 1 表示受方尚未收到数据；n d a c = o 表示所有接收器件均收到了数据。 三线挂钩使数据字节传输实现双向异步，数据传输的每一个过程都要受到三线挂钩 的制约，从而使具有不同工作速率的装置之间进行自动协调，以保证数据的可靠传输。 三挂钩控制数据传输的节奏。源功能必须在检查n r f d 线和n d a c 线不都为高电位后， 西华大学硕士毕业论文 才将数据放置于d i o 线上。所以源功能控制着数据传输的开始，当源发现n d a c 线为高 电位后，就令d a v 线为高电位，宣布d i o 线上的数据无效。所以源又控制着每一个数据 传输的结束。另外，源功能还必须在d i o 线上的数据稳定后才能宣布数据用效。这样各 受者不至于接收错误的数据。源方和受方之间利用三线挂钩技术以异步方式来进行数据 传送。 町 v 。m 八l n i w d t i 虹v n 赶 矗n d “n o t v t l i d a t c _ r m a r , j 6 2 t i d y 广一 ，n 蚍蜘矾 2 l 5 功恤 7 图3 - 1 三线挂钩时序图 f i g3 - 1t h r e e - t i m es e r i e sl i n k e dt op l a n s r 量d ， 血i 其挂钩过程大致如下： ( 1 ) 源方将需要发送的消息比特送到数据总线上，同时读入n r f d 消息，检验n r f d 消息是否为o ，以了解各个受方是否都已准备好接收次消息比特。 。： ( 2 ) 由于和各受方器件的工作速度不相同，它们达到准备好状态的时刻也不同，即 它们发送r f d 消息的时刻不相同。只有所有的受方的r f d = i 时，才有n r f d = o ，这时n r f d 线为高电平，表明所有受方都准备好接收数据比特。 ( 3 ) 源方一旦检验到n r f d = o 时，立即发送d a v = i ，通知所有受方消息比特已经稳定 的数据线上，可能开始接收。如三线挂钩时序图中所示的跳变。然后受方读入n d a c 消 息，检验n d a c 是否为o ，以了解各个受方是否都已经接收到消息比特。 ( 4 ) 各个受方接收到d a v = i 时，就开始接收数据总线上的消息比特。并且恢复n r f d 消息，使n r f d = i ，表示现在正在接收消息比特，处于未准备好状态。 ( 5 ) 每个受方接收完毕一个消息比特，就发送d a c = i ，即图中的n d a c 线上的虚线 波形，等到所有受方都接收完该消息比特时，就有n d a c = o 。 ( 6 ) 源方检验到n d a c = o ，则就发送d a c = o ，通知各个受方，该消息比特已经传送完 9 g p i b 接口芯片的设计及在逻辑分析仪中的应用研究 毕，变为无效。 ( 7 ) 各个受方接收到d a v = 0 时，就恢复n d a c = i 。至此，一个消息比特传送完成， 各个挂钩信号线恢复到初始状态心羽。 在三线挂钩过程流程图中，它形象地表现出讲者、听者之间的互锁联络过程。应该 指出的是，前面我们说明的是讲者与听者之间的互锁联络过程，对控者向各设备发送母 线命令或地址时的互锁过程也是一样的，所不同的前者是讲者的源互锁联络与听者的受 互锁联络功能协调工作，而后者则是控者的源互锁联络与所有设备的受互锁功能协调工 作。 三线挂钩的流程图： ( 1 ) 受挂钩器件的运行序列图( 2 ) 源挂钩器件的运行序列图 图3 - 2 三线挂钩流程图 f i g3 - 2z h r o 。- l i n k e df l o wc h a r t 每种接口均赋予器件一种能力。每个器件可以选取或部分选取1 0 种接口功能来配 置其接口，而不一定需要标准定义的全部功能。根据仪器的具体要求，由于逻辑分析 1 0 西华大学硕士毕业论文 仪只要求被远控，并不要求控功能，为了简化系统，设计中彻底去掉此功能。而且仪 器既可以程控又可以手动控制，需要紧急处理，所以选定九种接口功能：有源方挂钩和 受方挂钩功能；有讲者功能和听者功能；具有远控和本控功能；有串行查询和并行查询 能力；有器件清除功能；有器件触发功能m 1 。同t m s 9 9 1 4 或n a t 9 9 1 4 控制相同，我们所 设计的控制芯片可直接与s n 7 5 1 6 0 s n 7 5 1 6 2 收发器接口，是一种由微处理器控制的多功 能器件，设计者可以用它提供i e e e - 4 8 8 标准中所述的几乎全部功能或一个子集。使用 这一标准，各种仪器可以互连而且可远地或自动地被编程和控制，它能方便地与大多数 微处理器接口。