（计算机应用技术专业论文）基于fpga的虚拟逻辑分析仪的研究与设计.pdf

摘要 随着数字技术、大规模集成电路及计算机的大量普及和快速发展，逻辑分 析仪( l o g i ca n a l y z e r ，简称l a ) 作为数字系统的数据域测试仪器中应用最为广 泛、最有代表性的一种通用测试仪器，为解决越来越复杂的数字系统的检测和 故障诊断问题提供了强有力的工具。虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) 是现代计算机软件技术、通信技术和测量技术相结合的产物，它代表着目前测 试仪器领域的发展方向。而如今互连资源丰富、性价比高的现场可编程逻辑器 件( f i l e dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，f p g a ) 已经在高速数据采集上得到了广 泛的应用，它是数字电路设计的利器。正是基于此，本文充分运用f p g a 技术和 虚拟仪器技术，开展了虚拟逻辑分析仪系统的研究与设计。 本文首先探讨了逻辑分析仪的工作原理及需求分析，并在此基础上，确定 了逻辑分析仪的整体方案，即仪器由p c 端应用软件和数据采集系统的硬件两大 部分组成，并对系统的各个组成模块的设计方案进行了研究，包括探头模块、 时钟模块、延迟与锁存模块、毛刺检测模块、触发识别模块、存储控制模块、 u s b 接口模块。在具体设计中，课题主要利用f p g a 技术及一些相关的软硬件知 识，完成了系统的采集、触发、存储、控制、接口模块的设计，这几大模块是 逻辑分析仪的核心组成部分，都是在a l t e r a 公司的c y c l o n ei i 系列中的一款型 号为e p 2 c 8 q 的f p g a 中实现的，采用了v e r i l o gb d l 硬件描述语言与原理图相 结合的混合输入方式，包括触发产生电路、触发选择电路、触发抑释电路、预 触发电路、时基电路、前置后置计数电路、f i f o ( f i r s ti nf i r s to u t ) 存储 控制电路、通信接口电路。完成电路设计后，在a l t e r a 公司的q u a r t u si i 中对 整个f p g a 电路进行了功能和时序仿真，并在g x s o p c e d a s t a r t e r - e d k 开发板 上进行了调试，以保证电路设计的正确性和可靠性。系统采用可编程逻辑器件， 既提高了系统的集成度，也能满足逻辑分析仪基本功能的要求，同时在调试过 程中可反复修改，提高了设计的灵活性，也节约了成本。 最后论文对主要工作进行总结，介绍了该逻辑分析仪的特点和不足，并指 出了系统软硬件需要进一步完善和发展的方面，以及未来逻辑分析仪的发展方 向。 关键字：逻辑分析仪，虚拟仪器，f p g a ，v e r il o gh d l ，仿真 a b s t r a c t w i t h t e c h n o l o g yo fd i g i t a l ，l a r g e s c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i ta n dc o m p u t e r t e c h n o l o g ya r ep o p u l a r i z i n ga n dd e v e l o p i n g , l o g i ca n a l y z e ri s t h em o s t l yu s e d u n i v e r s a la n dr e p r e s e n t a t i v et e s t i n gi n s t r u m e n ti nt h ed o m a i no fd a t at e s t i n g i tm a k e s g r e a th e l pf o rs o l v i n gt h ep r o b l e m so fd e t e c t i n ga n df a i l u r e sd i a g n o s ei nm o r ea n d m o r ec o m p l i c a t e dd i g i t a ls y s t e mv i r t u a l l y v i r t u a li n s t r u m e n ti st h er e s u l to fb a n d i n g t h et e c h n o l o g yo fm o d e r nc o m p u t e rh a r d w a r ea n dc o m m u n i c a t i o nd i r e c t i o ni nt h e d o m a i no fm e a s u r ei n s t r u m e n t ，w h i c hr e p r e s e n t st h ec u r r e n td e v e l o p m e n td i r e c t i o ni n t h ed o m a i no fm e a s u r ei n s t r u m e n t n o w , w i t hp l e n t i f u li n t e r c o n n e c t i o nr e s o u r c e sa n d h i g hc o s t - e f f e c t i v e ，f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e s ( f p g a ) i su s e dw i d e l yi nh i g h s p e e d d a t aa c q u i s i t i o n o nt h eb a s i so fa b o v em e n t i o n e d ，t h i st h e s i sd i s c u s s e st h er e s e a r c h a n dd e s i g no fv i r t u a ll o g i ca n a l y z e rb a s e do nt h ef u l lu s eo ff p g at e c h n o l o g ya n d v i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y a f t e rt h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dr e q u i r e m e n ta n a l y s i sb e i n gs u r v e y e d ，t h es y s t e m f r a m e w o r ko fl o g i ca n a l y z e ri sp r e s e n t e d t h ei n s t r u m e n ti sm a d eu po ft w op a r t s ： a p p l i c a t i o ns o f t w a r eo i lp e r s o n a lc o m p u t e ra n dt h ed a t a - s a m p l i n gs y s t e mb a s e do n h a r d w a r ec i r c u i tb o a r d a n dt h ed e s i g no fv a r i o u sc o m p o n e n tm o d u l e sh a sb e e n s t u d i e d ，i n c l u d i n gp r o b em o d u l e ，c l o c km o d u l e ，d e l a ya n dl a t c hm o d u l e ，s p i k e s d e t e c t i o nm o d u l e ，t r i g g e ri d e n t i f i c a t i o nm o d u l e ，s t o r a g ea n dc o n t r o lm o d u l e ，u s b i n t e r f a c em o d u l e i nt h es p e c i f i cd e s i g n ，t h i sp r o j e c tm a i n l yu s e sf p g at e c h n o l o g y a n ds o m er e l a t e dk n o w l e d g ew i t hs o f t w a r ea n dh a r d w a r e t h ec o m p l e t e ds y s t e m d e s i g n si n c l u d ea c q u i s i t i o nm o d u l e ，t r i g g e rm o d u l e ，m e m o r ym o d u l e ，c o n t r o lm o d u l e a n di n t e r f a c em o d u l e t h e s em o d u l e sd e s i g n e db yv e r i l o gh d lh a r d w a r ed e s c r i p t i o n l a n g u a g ec o m b i n e dw i t hs c h e m a t i c si nf p g a a r ec o r ec o m p o n e n t so fl o g i ca n a l y z e r a n dt h et h e s i sa c h i e v e s t r i g g e r - g e n e r a t i n gc i r c u i t ，t r i g g e r - s e l e c t i o nc i r c u i t ， t r i g g e r - r e l e a s e s u p p r e s s i o nc i r c u i t ，p r e t r i g g e rc i r c u i t ，t i m e b a s ec i r c u i t ，f r o n t r e a r - c o u n t i n gc i r c u i t ，f i f o - m e m o r y - c o n t r o lc i r c u i t a n dc o m m u n i c a t i o n - i n t e r f a c e c i r c u i t a f t e rt h ec o m p l e t i o no ft h ec i r c u i td e s i g n ，t h ef u l lf p g ac i r c u i ti ss i m u l a t e d i nf u n c t i o na n dt i m i n go nq u a r t u si io fa l t e r ac 0 叩a n dt h e nd e b u gt h ec i r c u i t so n t h eg x s o p c - e d a s t a r t e r e d kd e v e l o p m e n tb o a r dt oe n s u r et h ec o r r e c t n e s s i l a n dd e p e n d a b i l i t yo fc i r c u i t t h es y s t e mu s i n gp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e sn o to n l y i m p r o v e st h es y s t e m si n t e g r a t i o n ，b u ta l s om e e t s t h eb a s i cf u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so f l o g i ca n a l y z e r a tt h es a m et i m e ，d u r i n gt h ed e b u g g i n gp r o c e s st h ed e s i g n 啪b e r e v i s e ds e v e r a lt i m e st oi m p r o v ef l e x i b i l i t ya n dr e d u c et h ec o s t a tt h ee n do ft h et h e s i s ，as u m m a r yi sp r e s e n t e da n df e a t u r e sa n dd e f i c i e n c i e so f l o g i ca n a l y z e ra r ei n t r o d u c e d a tt h es a m et i m e ，s o m es u g g e s t i o n sa l ef o r w a r dt o i m p r o v et h ei n s t r u m e n t ，a sw e l la st h ed e v e l o p i n gt r e n do fl o g i ca n a l y z e ri nf u t u r e k e yw o r d s ：l o g i ca n a l y z e r , v i r t u a li n s t r u m e n t ，i 叩g a , v e r i l o gh d l , s i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：垣垫堡：! 日期：型! ： 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权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。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：勋叩 导师( 签名) ：锱 日期沙r pj 武汉理t 大学硕士学位论文 1 1 课题的背景 第1 章绪论 数字逻辑电路产生后，伴随着计算机与大规模集成电路的迅速发展，各种 规模的数字系统的设计、开发、检测任务越来越多，也越来越复杂。数字电路 系统所处理的信息都是用离散的二进制信息来表示的，常用“1 表示高电平， 而“0 ”表示低电平，多个二进制位的组合就构成一个数据，我们称这一领域为 数据域；该领域的测试技术就被称为数据域测试技术，简称数据域测试【1 1 。 在数据域测试的领域里，大多数情况下只关心数据信号之间的逻辑关系与 时序关系，而忽略实际的具体波形。但是对于设计人员而言，要想从大量的数 据流中，找出一些无规则的、隐蔽的、随机的错误无异于大海捞针，因此，必 须采用一些全新的测试设备才能及时、迅速、准确地解决问题，如逻辑分析仪、 数据图形产生器、仿真器、大型测试网络、嵌入式开发系统等等【2 1 。其中，逻辑 分析仪( l o g i c a n a l y z e r ，简称l a ) 是最基本、应用最广泛的测试仪器。 逻辑分析仪的主要作用是在时钟的作用下对被测系统的数字信号进行采集 并显示出来，以判定时序的正确性。与示波器不同，逻辑分析仪没有具体电压 值的显示，而且通常只显示两个电压( 逻辑“1 和“0 ) ，因此设定一个电压 作为参考值是必需的，被测信号通过比较器与参考电压进行比较，比参考电压 高的为h i g h ( 即逻辑“1 ) ，相反，比参考电压低的就为l o w ( 即逻辑“0 ”) ， 在h i g l i 与l o w 之间形成数字波形1 3 1 3 0 。比如：利用1 0 0 m h z 采样率的逻辑分析 仪对一个待测信号进行检测，设定参考电压为2 v ，逻辑分析仪平均每1 0 n s 就对 被测信号采取一个点，高于2 v 者为逻辑“1 ，不到2 v 者为逻辑“0 ，之后“1 和“o 就可连接成一个简单、连续的波形，在该波形中，设计人员能够方便地 找出存在异常错误( b u g ) 的地方。总而言之，逻辑分析仪在检测被测信号时， 只有“1 与“o 之分，若要测量具体的电压就需要使用示波器。逻辑分析仪 可以拥有多个以及上百个通道数不等，并可对多个通道同时进行测试，而一般 的示波器通常只有2 个或4 个通趔3 j 4 0 。 逻辑分析仪主要用来测量大、中规模的数字集成电路所组成的数字系统， 特别是由微处理器构成的系统，主要是检测总线上的相关故障，既能用于硬件 武汉理工大学硕士学位论文 分析也能用来分析软件。但市面上逻辑分析仪的核心部件设计非常昂贵，投资 又高，因此对仪器的普及造成了一定的影响【4 1 。而基于f p g a 的虚拟逻辑分析仪 将仪器与计算机进行了有机接合，采用软件开发系统，充分地利用了“软件即 仪器 思想，缩短了产品的开发周期，设计又简单，可靠性也高，大大降低了 成本，而且使用简便且易于扩展，并增强了仪器的通用性，具有广阔的实用性 及应用性【5 1 。 1 2 逻辑分析仪与虚拟仪器技术的发展历程 1 2 1 逻辑分析仪的发展状况 逻辑分析仪最早被构思为“数字示波器 ，由多线示波器的设计思路发展而 成。自1 9 7 3 年美国h e w - l e t rp a c k a r d 公司( 简称h p ) 和b i o m a t i o n 公司 几乎同时研制出了第一代逻辑分析仪，迄今为止经历了四代。第一代产品仅具 有简单的触发功能和显示方式，功能单一、测试速度慢，而且定时分析和状态 分析两种功能还分属两种仪器；第二代产品大大的改进了触发功能和显示方式， 微机化是其发展到该阶段的主要标志，定时分析与状态分析通常也被结合在了 一起，便于分析微机的软硬件功能：第三代产品速度高、通道数多、存储容量 大，并且具有以系统性能分析为重点的分析能力；第四代产品构成功能完善的 仪器系统，不仅包含了早期的逻辑分析仪功能，还扩充了特征分析仪和嵌入式 开发系统等功能1 6 j 1 5 。 国内逻辑分析仪的应用不断增强，但制造业发展较慢，究其原因是因为这 种仪器应用复杂，价格昂贵，而且市场的主导地位主要由国外产品所占领，核 心技术也被美国的a g i l e n t 、t e k t r o n i x 等大公司所掌握，所以国内厂商的市场份 额较小，影响了国内的普及1 3 1 4 5 。我国逻辑分析仪的研制和生产始于8 0 年代初， 但目前主要是以应用为主，而所研制的逻辑分析仪大部分都是功能单一、性能 指标低、操作麻烦，所以基本上很难投入实际使用。国内真正形成市场份额的， 是生产与微机配合的经济型仪器逻辑分析仪插卡或外接模块【6 j 1 6 。 逻辑分析仪未来的发展趋势主要表现在以下几个方面，首先是它与网络及 其它仪器相结合的趋势；第二，新一代的逻辑分析仪将不仅仅是单用户的开发 工具，而是成为局域网开发环境的中心，借助不同功能的接口与其它仪器协调 以共同工作，给用户提供互联、共享的低成本开发系统【3 】印；第三，未来的逻辑 2 武汉理工大学硕十学位论文 分析仪需能支持多种不同的总线结构，以满足设计开发人员调试和分析任何高 性能计算机系统的需要【3 1 6 1 。第四，能对多微处理器结构同时进行监测、调试和 验证，例如泰克公司推出的t l a 7 0 0 系列逻辑分析仪，具有2 1 7 6 个通道且每通 道高达1 6 m 的存储深度1 7 - 8 1 ；第五，在设置触发、连接被测系统等方面都应支持 人性化的操作，让用户感到熟悉、便利。 1 2 2 虚拟仪器技术 虚拟仪器是指在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义虚拟 面板，测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。使用者用鼠标或键盘 操作虚拟面板，就如同使用一台专用测量仪器。虚拟仪器技术目前在国外发展 很快，从简单的仪器控制、数据采集到尖端的测试和工业自动化，已经广泛应 用于测试与自动化的各个领域【9 】m 。 国外虚拟仪器的研制工作始于上个世纪8 0 年代，以美国国家仪器公司( n i ) 等著名企业为代表，于9 0 年代开始了仪器产业从数字化仪器、智能仪器向虚拟 仪器的过渡。作为现代仪器仪表发展的方向，虚拟仪器已迅速发展成为一种新 的产业。美国是全球最大的虚拟仪器制造国，主要的生产厂家有h p 公司、 t e k t r o n i x 公司、n l 公司等。目前，这些公司的产品很多已经进入我国市场【9 】1 5 。 国内虚拟仪器的研究起步较晚，基础薄弱，最早的研究开始于引进消化n i 的产品。经过长期的研究，我国在虚拟仪器的开发方面也取得了比较大的成果。 随着我国科学技术的加速发展，对先进仪器的需求越来越大；另外，近年来虚 拟仪器的主要构成部分个人计算机的迅速崛起，也为虚拟仪器在我国的普及奠 定了良好的基础。目前国内有十几家企业在研制p c 虚拟仪器，上百种实用产品 已面市，并开始在航空、航天、通信、医疗、电力、石油勘探、铁路等行业普 及应用【1 0 l 。 1 3 研究的目的与意义 本课题的研究目的在于为未来片上系统芯片提供功能验证平台，利用现场 可编程门阵列f p g a 系统搭建自动测试系统，实现对待测器件施加激励和捕获 响应等功能，验证所提时延测试方法在真实芯片中的使用效果。 基于虚拟仪器技术的逻辑分析仪，作为p c 机的外设，不再是独立的单个仪 器，它与微计算机相结合，充分利用p c 机的软件和硬件资源，使得逻辑分析仪 3 武汉理t 大学硕士学位论文 的分析和计算能力得到了充分的扩展，成本大大降低，提高了仪器的通用性【1 1 l 。 现今具有丰富的互连资源且性价比高的现场可编程门阵列f p g a 在高速数 据采集上得到了非常广泛的应用，f p g a 技术是数字电路设计的利器，将其应用 于科研和工程实践，肯定受益匪浅。采用可编程逻辑器件，既提高了系统的集 成度，也能满足逻辑分析仪对速度的要求，同时在调试过程中可反复修改，提 高了设计的灵活性，也节约了成本。因此，研究基于f p g a 的虚拟逻辑分析仪 是非常有现实意义的1 1 2 1 ，它通过软件将个人计算机的硬件资源与仪器硬件有机 的融合为一体，实现了仪器与个人计算机的有机接合，很好的结合了计算机强 大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力，大大缩小了仪器硬件的成本 和体积。 1 4 本课题的研究内容和组织结构 1 4 1 研究内容 本文仔细研究了逻辑分析仪的工作原理，并详细分析了其整体架构及系统 解决方案，根据逻辑分析仪的功能和性能指标，确定了逻辑分析仪的硬件系统 各模块的设计方案，主要对逻辑分析仪的主要组成部分探头电路、延迟网 络、毛刺检测、触发识别、采样数据、存储控制、u s b 接口电路等模块的设计方 案进行了研究。 在确定系统的设计方案后，研究了f p g a 的工作原理，学习并运用v e r i l o g h d l 硬件描述语言在f p g a 中进行相关硬件电路的设计。本论文运用自上而下 的设计方法对整个系统进行功能划分和定义，接着采用v e d l o gh d l 硬件描述语 言与原理图相结合的混合输入方式对划分的每个模块进行描述。完成电路设计 后，在f p g a 的开发环境q u a r t u si i 中对逻辑分析仪的各个模块及集成模块进行 功能以及时序的仿真，以满足设计的要求；最后在f p g a 开发板 g x s o p c e d a s t a r t e r e d k 上分别对每个独立小模块及集成模块进行测试， 检验设计是否可行。 最后论文对主要工作进行了总结，介绍了该逻辑分析仪的特点和不足，并 指出了系统硬软件需要进一步完善和发展的方面，以及未来逻辑分析仪的发展 方向。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 2 本文的结构安排 本文的结构安排如下： 第1 章是绪论，对逻辑分析仪及虚拟仪器的研究背景和发展现状进行了阐 述；对本文的研究意义、目的和内容进行说明。 第2 章概要介绍了虚拟逻辑分析仪及可编程逻辑器件的工作原理及特点， 根据逻辑分析仪的功能和性能指标，确定了系统总体结构的逻辑框架、f p g a 芯 片型号。 第3 章详细介绍了虚拟逻辑分析仪的系统设计方案，对其主要组成部分一 探头电路、延迟网络、毛刺检测、触发识别、采样、存储控制、u s b 接口电 路等模块进行了深入的研究和设计。 第4 章和第5 章介绍了虚拟逻辑分析仪的数据捕获、存储控制电路在f p g a 中的具体设计与仿真，包括触发产生电路、触发选择电路、触发抑释电路、预 触发电路、时基电路、前置后置计数电路、f i f o ( f i r s ti nf i r s to u t ) 存储控制电 路、通信接口电路。 第6 章介绍了整个f p g a 电路在q u a r t u s i i 开发平台和f p g a 开发板 g x s o p c e d a - s t a r t e r e d k 上进行的时序功能仿真以及调试。 第7 章为全文总结与展望，指出本课题的不足与优势，以及改进空间。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章虚拟逻辑分析仪的简介 2 1 虚拟逻辑分析仪的概述 2 1 1 虚拟逻辑分析仪的基本结构 逻辑分析仪与个人计算机的结合是现代逻辑分析仪新的发展方向，即虚拟 逻辑分析仪。按照其工作特点，可分为虚拟逻辑状态分析仪( v i r t u a llo g i cs t a t e a n a l y z e r ，简称l s a ) 和虚拟逻辑定时分析仪( v i r t u a ll o g i ct i m i n ga n a l y z e r 简称 l t a ) 1 3 1 1 2 。l s a 能直观地用字符o 、1 或助记符显示被检测系统的逻辑状态， 主要用来对数字系统的软件进行分析测试，利用被测系统的时钟采集记录，其 内部是不存在时钟发生器的，可实时分析系统的工作状态以及总线上的信息状 态，在解决程序的动态调试问题上非常有效。l t a 主要用于分析、调试和维修 硬件，能有效地考察两个系统时钟之间的数字信号的传输情况和时间关系，内 部装有时钟发生器，其频率为被测系统的5 1 0 倍，与被测系统异步工作。 这两类分析仪除了在于取样方式和显示方式上不同以外，其结构基本相同， 因而一般都做到同一个仪器中。图2 - 1 为其基本的结构框图。由图可见，逻辑 分析仪主要由数据捕获和数据处理两部分组成【1 3 瑚。前者的工作主要是采集并存 储所要观察分析的有效数据，后者则是用多种形式显示这些数据以便用户分析。 整个系统的运行，都是在外时钟( 同步时钟) 或内时钟( 异步时钟) 的作用下 实现的。 数粥特获： l ；分 ! 数抛5 4 尔：l i ：； 图2 1 逻辑分析仪的简化框图 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2 虚拟逻辑分析仪的特点 在本文的绪论中，我们已经了解到了研究虚拟逻辑分析仪的意义以及必要 性，下面主要是介绍虚拟逻辑分析仪的一些特点以及其技术指标。 1 、足够多的输入通道。随着微机的总线结构越来越复杂，逻辑分析仪的输 入通道数就必须足够多，这样才能检测足够多的信息量，般而言，通道数至 少应为被测系统的数据总线数与控制总线数的总和再加上时钟线数【1 4 l 。通道数 越多，所能检测到的数据信息量就越大，逻辑分析仪的功能也就越强。 2 、触发方式丰富灵活。灵活、丰富、准确的触发能力是一个虚拟逻辑分析 仪应该具备的，这样在大量的数据流中，分析仪才能准确定位所要观察的那部 分信息，从而采集到对分析有效的数据。 3 、足够大的存储深度。一般而言，虚拟逻辑分析仪都拥有能够快速存储数 据的高速存储器。存储器的存储深度和存储速度决定了分析仪所能采集数据的 多少以及分析速度( 本论文是先将采集到的数据存储在存储器中，待存满后才取 数进行分析) 【”l 。逻辑分析仪的存储深度一般在4 k b 到1 m b 之间。 4 、具有负的延迟能力。虚拟逻辑分析仪的内部存储器除了能存储触发之后 的信息也能存储触之前的信息，并能显示出触发点之前及之后的数据。 5 、具有限定能力。分析仪在观察数据的单向传输情况及分析复用总线上， 需要对采集的数据进行鉴别挑选，这便是限定能力。该限定能力通过删除与分 析无关的数据，有效地提高逻辑分析仪内存的利用率。 6 、可靠的毛刺检测能力。由于数字电路的竞争现象、信号间的串扰、外界 的干扰以及电源耦合等原因，信号中常常夹杂着一些引起电路运行错误的不规 则的毛刺【1 6 j 。分析仪能够利用其特有的毛刺检测技术捕捉并显示这些无规则的 毛刺。 7 、灵活多样且方便直观的显示方式。 2 2 可编程逻辑器件 2 2 1 可编程逻辑器件的简单介绍 专用集成电路设计和制造的周期长、成本高、灵活性差，于是能够进行多 次重复擦写的可编程逻辑器件( p l d ，p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 就应运而生。 7 武汉理工大学硕士学位论文 它是一种半定制的数字集成电路，可以通过软件对器件内部的连接结构和逻辑 单元进行更改和配置，以实现所需的逻辑功能。 简单的可编程逻辑器件包括可编程只读存储器( p r o m ) 、可编程阵列逻辑 ( 儿) 和通用阵列逻辑( g a l ) 。其基本结构般由与阵列、或阵列、输入电 路和输出电路组成。随着微电子制造工艺的发展与市场需要，p l d 如今已经发 展成为可以完成超大规模、高速、低功耗的复杂组合逻辑与时序逻辑的复杂可 编程逻辑器件( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，c p l d ) 和现场可编程逻辑 器件( f i l e dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，f p g a ) 1 ：7 1 5 7 。 对于完成需要大量触发器的时序逻辑结构，f p g a 是适当的选择，它可以达 到比c p l d 更高的集成度，相较之下，c p l d 则更适用于完成各种组合逻辑； f p g a 是在逻辑门下且基于s r a m 的编程，通过修改内部连线而布线，并能编 程任意次，但由于其分段式的布线结构导致延迟是不可预测的。而c p l d 是在 逻辑块下且基于e e p r o m 或f l a s h 的编程，通过改变具有固定内连电路的逻 辑功能，编程次数只可达上万次，但具有连续的布线结构，其延迟是均匀并可 预测的。在一般情况下，c p l d 功耗要比f p g a 大，并且集成度越高就越明显【1 7 1 5 9 。 因此，f p g a 比c p l d 在编程上具有更大的灵活性基于两者以上的特点，并考虑 到设计中的各个方面特别是逻辑规模上，本文就选择了在f p g a 中设计逻辑分 析仪的硬件电路。 2 2 2 现场可编程门阵列( f p g a ) 2 0 世纪8 0 年代中期，超大规模集成电路和计算机辅助技术的迅猛发展导致 了现场可编程门阵列f p g a 的应运而生。它不仅克服了普通专用集成电路 ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ，a s i c ) 设计周期长、投资大、灵活性 差的特点，而且还继承了a s i c 规模大、集成度高、可靠性强等特点1 1 8 1 3 0 。f p g a 因其内部具有丰富的触发器和i 0 引脚，使得它在提高小批量系统的集成度及可 靠性上成为首要的理想选择。 简单的f p g a 一般由可编程输入输出单元、基本可编程逻辑单元、嵌入式 块r a m 、丰富的布线资源、底层嵌入功能单元和内嵌专用硬核等组成。不同厂 家、不同型号的f p g a 各自有各自的特色，但就其基本结构可分为以下几种： 1 、根据逻辑功能块的大小分类 可编程逻辑块是f i g a 的基本逻辑构造单元，按其大小可将f p g a 分为细 8 武汉理工大学硕士学位论文 粒度结构和粗粒度结构两类1 1 8 p 5 。前者的逻辑功能块规模较小，能充分利用功能 块的资源，需要大量的连线和开关才能完成复杂的逻辑功能，速度较慢；后者 的逻辑功能块较大，只需利用较少的功能块和内部连线就能完成比较复杂的逻 辑功能，性能好，但有时不能充分利用功能块的资源。 2 、按互连结构分类 按照f p g a 内部连线结构可将其分为分段互连型和连续互连型两类。前者 通过开关矩阵或反熔丝编程连接多种不同长度的金属线段，虽然走线灵活多样， 但布线延时不可预测。连续互连型的f p g a 是利用长度一致的金属线段贯穿于 整个芯片来实现逻辑功能块之间的互连，布线延时固定并可预测【1 8 】3 5 。 3 、按编程特性分类 f p g a 根据所采用的开关元件可分为两类：次编程型和可重复编程型。前 者采用反熔丝开关元件，体积小，集成度较高，互连线阻抗低，速度较高，一 次编程。后者采用s r a m 或快闪e p r o m 控制的开关元件，可多次编程，能实 现系统功能的动态重构。但f p g a 一旦重新加电就需要再载入配置信息1 1 8 1 3 5 。 2 2 3f p g a 芯片的选择 随着p l d 的广泛应用，许多i c 制造厂家涉足c p 叩g a 领域。a l t e r a 公 司的c y c l o n el i 是一种低成本的f p g a 低端市场的主流产品，其逻辑单元密度非 常高。c y c l o n ei i 系列中的e p l c 系列和e p 2 c 系列开发板的指标比较如下： 1 、e p l c 系列的开发板外设非常少，只有四个按键，四个l e d 数码管，而 且是并口下载。但e p 2 c 系列却拥有所有常用的外设功能，而且带有一个l c d 显示屏，对波形的调试及显示非常有用，而e p l c 要额外配置。e p 2 c 采用u s b 下载，其下载速度要远远快于并口下载，使用更方便。 2 、尽管e p l c l 2 q 拥有9 0 0 0 多个逻辑单元，e p 2 c 8 q 为8 0 0 0 多个，但就目 前的设计而言足够了，两者内置r a m 均为2 0 k b y t e s ，价格双方基本相当。 基于以上原因，本设计采用e p 2 c 8 q 系列开发板。该款f p g a 还提供了两 个数字锁相环和八个全局时钟网络，足够完成逻辑分析仪装置的设计，而且还 有足够的资源多逻辑分析仪进行灵活地扩展，以达到逻辑分析仪更高的技术指 标，比如增加通道数以及实现更多的触发方式。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 系统总体结构的逻辑框架 逻辑分析仪主要由探头电路、延迟网络、毛刺检测、触发识别、采样、存 储控制和显示等部分组成。数据探头对被测系统的信号进行采集后经延迟网络 将其送到采样电路，与此同时也送至毛刺检测电路检测后再送到采样电路，在 时钟( 外时钟内时钟) 电路的作用下对被测信号进行采样；采样的数据通过触 发识别电路与预设的触发字进行比较，一旦找到触发字就立即产生触发标志信 号；存储控制电路根据触发标志信号控制存储器写入限定数据，数据存完后就 通过u s b 接口电路将存储器中的数据送入p c 机进行分析处理，之后以波形或 列表的形式显示，以便用户观察【1 9 j 。其系统结构如图2 2 所示。f p g a 实现了逻 辑分析仪的核心组成部分，主要包括触发选择电路、毛刺检测电路、触发识别 电路、时钟电路、存储控制电路。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章基于f p g a 的虚拟逻辑分析仪的设计方案 3 1 探头电路 探头电路是用来连接逻辑分析仪与被测系统的，其性能直接影响着逻辑分 析仪能否正确取数。它主要是由门限电平和比较器组成，分为数据探头和时钟 探头。为了完成逻辑分析仪的实时检测功能，探头电路的输入阻抗需高，以减 少探头接入所引起的失真，速度要高，时延要小，并具有较强的驱动能力l 捌。 数据探头将被测的输入信号通过比较电路与门限电平进行比较，如果输入 信号大于门限电平，则输出为逻辑“l ”，反之则为逻辑“0 。在本课题具体的 设计中，数据探头采用t t l 电平输出的高速、双通道、传输时延仅为5 a s 的比 较器m a x 9 0 1 2 完成信号的逻辑电平转换；f - j 限电压则由4 通道的8 位串行接口 的数模转换器a d 7 3 0 4 产生；a d 7 3 0 4 和m a x 9 0 1 2 通过双通道的低噪声j 唧 输入运算放大器t l 0 7 2 连接【2 1 - 2 2 l 。 时钟探头连接到被测系统的时钟上，将其送给逻辑分析仪的时钟电路。数 字系统有时钟上升沿同步和时钟下降沿同步两种，逻辑分析仪应尽量保持与被 测系统一致，在同样的时钟沿上取数。时钟探头和数据探头基本相同，为了保 证时钟探头能够选择有效的时钟沿，时钟探头多了一个由4 通道的7 4 l c x 8 6 异 或芯片来完成时钟沿选择，数模转换器由双通道的8 位串行接口的a d 7 3 0 3 替换， 输入运算放大器替换为1 r i 乃7 1 【咎2 4 l 。 3 2 时钟电路 逻辑分析仪的内部有两个结构相同的时钟电路，一个用于正常数据通道的 采样存储，另一个用于毛刺电路的毛刺检测与存储。逻辑分析仪的状态分析和 定时分析是采用不同的时钟陋】。前者采用被测系统的时钟( 也称外时钟) ，由时 钟探头电路提供，因此能够与被测系统同步工作；后者采用逻辑分析仪自身的 时基电路产生的时钟( 也称内时钟) ，同被测系统异步工作，该时基电路的详细 设计将在第三章中介绍。系统根据分析仪不同的工作方式而选择外时钟或内时 钟。 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 延迟与锁存电路 可检潮戮的量小艨宽卜一 j i 二； r f 。 仁育p 一气叫1i | 斟崮 乞。一 i i f i i l 。 i l i ： 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 三片7 4 l c x l 6 2 4 4 共延时1 0 5 n s 左右，如图3 3 。而在时钟通道中用到了两片 7 4 l c x l 5 7 ( 两通道的多路选择器) 来选择时钟和一片7 4 l c x 8 6 ( 异或门) 来选 择时钟沿【弘2 引，其中7 4 l c x l 5 7 的时延大约为3 5 n s ，7 4 l c x 8 6 的时延大约为 3 5 n s ，所以时钟通道总共的时延大约有1 0 5 n s 。这样可使数据与时钟到达锁存 器时，正好满足锁存器的保持时间要求，而从仪器的输入来看，又可得到仪器 的保持时间为o 的效果。 7 4 1 f x i g 2 4 47 4 1 髓1 6 2 4 4 t 4 1 r x l 必 ：篓墙i i , 。l u t j i _ _ 一 - 纂存的写入时锋信号：r t - _ o o _ o - 图3 3 延迟网络 分析仪在定时分析的工作状态下，所采用的时钟是仪器本身的内时钟，同 被测系统是异步工作，数据通道是否有时延都不会影响到采样结果，因此加入 的延迟网络不会对分析仪的采样造成负面的影响。 延迟网络中的锁存器主要有两个作用：1 、它采用变换后的系统时钟将分析 所需的数据写入暂存器，实现与被测系统同步工作，因此它是逻辑状态分析仪 同步采样的核心组成部分。2 、在一个时钟作用下，使多位并行数据同时进入暂 存器，保证各通道信号同步，便于后边的触发识别，并能消除由于各信号时延 不同所造成的假触发【2 6 1 1 6 。 3 4 毛刺检测电路 毛刺是一种在一个采样时钟周期内两次通过门限的极窄的尖峰脉冲，它是 数据流中出现的不正常抖动，也是造成数字系统出错的重要原因。任何电路在 开关时都要吸收大量的电流，这个电流会在电源线或地线上产生压降形成毛刺。 由于其随机性，普通示波器无法检测出来，即使使用数字存储示波器也只能捕 捉到脉宽大于采样周期的窄脉冲。而逻辑定时分析仪能够通过毛刺检测电路把 一个很窄的毛刺展宽，并且用一个采样周期对应的宽度显示这个毛刺【2 6 】1 8 。每个 输入信号通道都可以添加一个毛刺检测电路，将各观察点上出现的毛刺检测出 来并存储，当需要对其分析再将其读出并显示在屏幕上。 武汉理工大学硕士学位论文 图3 4 毛刺检测电路 图3 - 4 中，d a t a i n 为输入信号；# i t c h _ e n 为采样锁定控制信号；c l k 为采样 时钟；d a t a b a c k 在采样方式下为采样数据输出，在锁定方式下为展宽后的毛刺数 据输出。电路工作原理如下： 在采样方式下，g l i t c h _ e n 为低电平，关闭两个与非门。当采样时钟有效后， 两个d 触发器就锁存输入数据信号，屏蔽采样时钟之间出现的毛刺。如下图3 5 ： m 啪t n _ b l ，弼馒l p c - 蛔：孢舢mh - 帕t5 时瞄s t 蝻 e 口” 柚9 _m嫩，”l p h锄。9 ” 畸 v 诅t l s ： 1 5 哪h | 1 oe l kl ij 1 j 九：九一一几广1 门：一几广1 一冗亓广 ：门：冗 气：一广t ： 净： a - t u 一0 u 痧2口“o ，a - m t曹o 。_ j 鼍 磊螽誓 图3 5 采样方式 在锁定方式下，g l i t c h为高电平，两个与非门将根据输入信号的现_en d a t a i n 态( d a t a b a c k ) ，决定第一个d 触发器是置位还是复位。该