（电力电子与电力传动专业论文）虚拟逻辑分析仪的研制.pdf

东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t 1 1 h el o g i ca n a l y z e r ( l a ) i so n eo ft h em o s tr e p r e s e n t a t i v et e s tt o o l si nd a t ad o m a i nm e a s u r e v i r t u a l i n s t r u m e n t ( v i ) t e c h n o l o g yi sd e v e l o p e du p o nb o t hi n s t r u m e n tt e c h n i q u ea n dc o m p u t e rt e c h n i q u e a n di t i s c o n s i d e r e da st h ef u t u r et r e n do fi n s t r u m e n tt e c h n o l o g y t h i st h e s i sf o c u s e so nt h er e s e a r c ha n dt h ed e v e l o p m e n t o f t h el o g i c a n a l y z e rw h i c hi sb a s e do nt h ev i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y c h a p t e r1 a n dc h a p t e r2i n t r o d u c et h el o g i ca n a l y z e ra n dt h ev 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 n dp u t f o r w a r dt h es c h e m eo f ”p c + m c u + c p l d _ 卜u s b ”a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sa n dd e m o n s t r a t i o no ft h es y s t e m p r o j e c t c h a p t e r3m a i n l yd i s c u s s e st h eh a r d w a r ed e s i g no ft h el o g i ca n a l y z e r f i r s t l y , t h ew o r kp r i n c i p l eo ft h e l o g i ca n a l y z e ri st a k e na p a r td e e p l y t h e na c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n ta n a l y s i s ，e a c hm o d u l eo ft h eh a r d w a s e s y s t e mi sm a d ec e r t a i n a tl a s tt h es y s t e mr e s o u r c e sa r ea l l o t t e da n dt h ef i r m w a r ep r o g r a mi sd e s i g n e da sw e l l c h a p t e r4d e s i g n st h el o g i cc o n t r o lm o d u l e sw h i c ha r et h ec o r ep r o b l e m so f t h el o g i ca n a l y z e rb a s e d0 n c p l dt e c h n o l o g y t h em o d u l e sm a i n l yi n c l u d et h ei d e n f i f y i n ga n db r i n g i n gt r i g g e rw i t h i nc p l d la n ds r a m l o g i cc o n t r o lc i r c u i tw i t h i nc p l d 2 1 h eb r i n g i n gt r i g g e rm o d u l e a c t u a l i z e ss e v e r a lk i n d so f t r i g g e rm o d e s s u c ha s t h eb a s i ct r i g g e r , t h es e q u e n c et r i g g e ra n dt h ed e l a yt r i g g e r c h a p t e r5d i s c u s s e st h es o f t w a r ed e s i g n o ft h el o g i ca n a l y z e nt h ew o r ke n v i r o n m e n to fl a b v i e wi s u t i l i z e dt op r o g r a mt h es o f tf r o n t - p a n e la n dt h ed r i v eo ft h eu s bc o r r e s p o n d e n c ei n t e r f a c e a tt h ee n do ft h e c h a p t e r , c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l i sa l s oe s t a b l i s h e d i nt h el a s tc h a p t e r , as u m m a r yi sp r e s e n t e da n ds o m es u g g e s t i o n sa r ep u tf o r w a r dt oi m p r o v et h ei n s t r u m e n t k e y w 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 s ，c p l d ，t r i g g e r , l a b v i e w i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，也不包含为获得东南大学或其它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。 研究生签名：查垣 e l期：型：! ：! ! 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：查i 鱼导师签名； 第l 章绪论 1 1 数据域测试与逻辑分析 第1 章绪论 1 1 1 数据域与数据域测试 2 0 世纪7 0 年代以来，大规模集成电路、可编程逻辑器件、高速数据信号处理器和计算机技术等高新 技术得到迅猛发展，为解决数字设各、计算机及v l s i 等电路在研制、生产、检修和维护中的测试问题， 出现了一类新的测试设备。因为其被测系统的信息载体主要是二进制数据流，为区别于频域或时域的测量， 把这一类测试统称为数据域( d a t ad o m a i n ) 测试”“”“ 0 3 1 。 被测系统的二进制数据流即数字系统信号的主要特性归纳如下： ( 1 ) 数字信息具有严格的时间和空间要求，几乎都是多位传输的。 ( 2 )数字信息多数为非周期的，数据流往往很长，而其中可能只有一位出错，不易辨认。 ( 3 )信号工作速度变化范围很大( 如：高速运行的主机和低速的外设) 。 ( 4 )由于软件问题、硬件问题、接口问题及i o 问题等等，造成了系统山错的误码常混在正确的数据 信息中难以区分，实际上一般只有在这些错误发生后，才能辨认出来。 所谓数据域是指以离散的时间或事件出现的次数为自变量，以状态空间的数字流信号为因变量的研究 领域。或者说，它是主要研究在一系列事件发生( 如时钟、i o 请求信号作用) 时，在总线或其他信号线 上数据流，这种研究常常还包括与数据相关的数据格式、设备结构等数字系统的特征。 显然，为了对数字电路和系统进行故障侦察、定位和诊断，数据域测试必须要满足以下几点基本要求： ( 1 )跟踪与分析同步的状态数据流，产生各种逻辑状态序列。这是对数字系统进行功能测量、分析所 必须的基本测量。跟踪状态流至少要连接地址总线，晟好也连接数据总线，以便并行同时监测和对比地址和 数据总线的活动。全部总线至少2 0 位。由于有些总线是复用的，要求测量时有选择数据的能力。 ( 2 )在监视总线上的数据流时，由设计的特定触发字来捕获对分析有意义的那部分数据。 ( 3 )在分析异步总线时，需要得到各信号状态序列和每个信号在给定状态的持续时间，从而可以判定 系统是否按正确的时序运行工作。这要求能够分析信号状态之间的时间关系。 ( 4 )来自系统内部和外界的干扰及毛刺会引起硬件出错，这就要求能捕捉干扰或毛刺，并加以显示。 1 1 2 数据域测试仪器与逻辑分析仪 数据域测试仪器包括逻辑笔、逻辑分析仪、特征分析仪、在线仿真仪、数据i 到形发生器、嵌入式开发 系统、大型测试网络等。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、最具有代表性的数据域测 试仪器。 逻辑分析仪用米测量由太、中规模数字集成电路组成的数字系统，特别是由微处理器组成的数字系统。 主要查找总线( 或多线) 相关性故障，以多种方式获得、存储并显示数据，同时，对于数据有很强的选择 能力和跟踪能力，既可用于硬件分析也可以用于软件分析。 为了满足数据域测试要求，逻辑分析仪应具有以下特点： ( 1 ) 足够多的输入通道。 ( 2 ) 多种触发方式。 ( 3 ) 具有记忆能力。 ( 4 )具有负的延迟能力，能够捕捉和跟踪触发前的数据。 ( 5 ) 具有限定能力。 ( 6 ) 灵活而直观的显示方式。 ( 7 ) 具有驱动时域仪器的能力。 ( 8 ) 可靠的毛刺检测能力。 东南人学硕士学位论文 1 1 3 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 p 公 司和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，迄今为止已经经历了四代。第一代产r 吊速度低、 功能简单，具有基本触发功能和简单显示方式；第二代产品在触发功能和显示方式上有较大改进，以适应 微机软、硬件分析的需要；第三代产品实现微机化，将定时分析和状态分析结合在一起，便于软、硬件交 互分析，功能日臻完善：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。 目前逻辑分析仪的市场主要由外国产品占主导地位，核心技术掌握在如美国的a g i l e n t 、t e k t r o n i x 等大 公司手中。例如t e k t r o n i x 公司的t l a 7 q 4 产品，具有1 3 6 通道，2 g h z 定时速率，1 0 0 m h z 状态速率，6 4 m 内存深度。其功能齐全，结构复杂，技术要求高，但价格也相当昂贵。 我国在8 0 年代初，开始逻辑分析仪方面的研制、生产。此外，还制定了相应的国家标准，出版了该 仪器的原理与应用专著。但目前，国内主要以应用为主，生产的部分逻辑分析仪由于功能单一、性能指标 低、操作不方便灵活，能投入实际运行的并不多。 1 2 仪器的发展与虚拟仪器 电子测量仪器发展至今，大体可分为四代：模拟仪器，分立元件仪器，数字化仪器，以及智能仪器和 虚拟仪器。 第一代模拟仪器：以电磁感应基本定律为基础的仪器，如：指针式万用表、指针式电压表、指针式电 流表等。这类仪器借助指针来显示最终结果。 第二代分立式仪器：当2 0 世纪5 0 年代出现电子管和2 0 世纪6 0 年代出现晶体管时，产生了以电子管 和晶体管电路为基础的分立式测试仪器。 第三代数字化智能仪器：随着集成电路的出现，诞生了以集成电路芯片为基础的数字化仪器。如：数 字电压表、数字频率计等。这类仪器将模拟信号转化为数字信号的测量，并以数字方式输山，适用于快速 响应和较高准确度的测量。 第四代智能仪器；随着微电子技术的发展和微处理器的普及，出现了以微处理器为核心的智能仪器。 它既能自动测试，又具有一定的数据处理功能。其缺点是功能块全部以硬件( 或固化软件) 的形式存在， 开发和应i ； j 缺乏灵活性。 计算机技术飞速发展，引起了测试仪器领域的一场新的革命，产生了新一代仪器虚拟仪器1 d 4 1 0 虚拟仪器就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。虚拟仪器的实质是利用计算机显示器形象、方便地模拟传统仪器的控制面板， 以多种形式输出检测结果；利用计算机软件实现信号数据的运算、分析和处理；利用i o 接口设备完成信 号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能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，虚拟仪器技术广泛应用于测试与自动化的各个领域。 1 3 本论文研究的内容 逻辑分析仪是数据域测试中广泛应用的电子测试工具之一，虚拟仪器是现代计算机技术、通信技术和 测量技术相结合的产物，虚拟仪器技术在工程应用和社会经济效益方面具有突出的优势。所以，本论文主 要围绕逻辑分析仪的分析和设计展开，研究如何应用虚拟仪器技术开发一个在科学研究、教学实践中可以 实际使用的逻辑分析仪。 本论文研究的具体内容包括以下几个方面： ( 1 )虚拟逻辑分析仪的整体架构及备选解决方案分析。 ( 2 )详细阐述了逻辑分析仪的工作原理，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 件系统各模块并设计了逻辑分析仪固化软件。其中硬件系统各模块包括处理器模块，存储器模块，内部时钟 第1 章绪论 模块，门限电平模块，u s b 通信接口模块，c p l d 逻辑控制模块，数据输入探头，电源模块等。 ( 3 ) 逻辑分析仪系统的核心问题是触发识别、触发产生及触发存储控制的实现。论文中应用c p l d 技 术对其加以设计实现。 ( 4 ) p c 端虚拟仪器应用软件的开发。本论文采用美国国家仪器公司( n i ) 的l a b v i e w 软件作为工作 环境，规划了逻辑分析仪的软面板，设计了u s b 通信模块的驱动程序，并制定了逻辑分析仪上下位机之间 的通信协议。 东南大学硕士学位论文 第2 章系统方案分析与论证 2 1 逻辑分析仪综述 2 1 1 逻辑分析仪的工作原理 逻辑分析仪主要有两个基本功能：一是用便于观察的形式显示山数字系统的运行情况，相当于扩展了 人们的视野，起一个逻辑显示器的作用；二是对系统进行分析和故障诊断1 0 5 1 0 逻辑分析仪的简化框图如图2 - 1 所示，主要由数据获取和数据显示两大部分组成。前者捕获并存储所 要观察分析的数据，后者用多种形式显示这些数据。其中数据输入部分将各通道的输入变换成相应的数据 流；触发产生是逻辑分析仪的关键部分，它的作用是在被分析的数据流中搜索特定的数据字。一臣发现这 个数字，便产生触发信号去控制和存储有效数据，它决定了欲观察的数据窗口在数据流中的位置；数据显 示部分则将存储器中的有效数据以多种显示方式显示出来。整个系统的运行，都是在外部时钟( 同步) 或 内部时钟( 异步) 的作用f 实现的。 数据获取部分 数据显示部分 图2 - 1 逻辑分析仪简化框图 2 1 2 逻辑分析仪的分类 逻辑分析仪按其 = 作特点，可分为两大类：逻辑状态分析仪( l o g i cs t a t ea n a l y z e r ，简称l s a ) 和逻 辑定时分析仪( l o g i ct i m i n ga n a l y z e r ，简称l t a ) 。两类分析仪的基本结构是相似的，主要区别在于显示 方式和定时方式上。 逻辑状态分析仅主要用来监测数字系统的工作程序，并用0 域1 来显示被测系统的逻辑状态，阻便 对系统进行状态分析。其状态数据的采集是在被测系统的时钟下实现的，即逻辑状态分析仪与系统是同步 工作的。这能有效地解决程序的动态调试问题，因此，逻辑状态分析仪主要用于系统的软件测试。 逻辑定时分析仪主要用来显示各通道的逻辑波形，特别是各通道之间波形的时序关系。为了能显示出 这种时序关系，在逻辑定时分析仪中应提供采样时钟，即所谓内部时钟，来控制数据的采集。通常采集数 据的内部时钟频率应为被测系统时钟频率的5 1 0 倍。因此，逻辑定时分析仪与被测系统是异步二作的， 主要用于系统的硬件测试，它能检测出系统的工作时序及各种不正常的毛刺脉冲。 2 2 虚拟仪器技术 2 2 。1 虚拟仪器系统框架 虚拟仪器技术综合运用了计算机技术、数字信号处理技术、标准总线技术和软件工程方法，代表了测 量仪器与自动测试技术的未来发展方向。虚拟仪器技术的优势在于利用一种硬件投资，开发多种功能，实 现一机多用与功能复合0 6 1 1 。 虚拟仪器系统由硬件和软件两大部分构成，其组成框图如图2 - 2 所示。虚拟仪器系统硬件部分通常包 第2 章系统方案分析与论证 括通用p c 和外围硬件设备。外围硬件设备可选择g p i b 系统、v x i 系统、p x i 系统、数据采集系统或其他 系统，也可以选择几种系统构成的混和系统。其中最简单、成本低的形式是基于r s 2 3 2 或u s b 总线的便 携式数据采集模块。 “软件就是仪器”是虚拟仪器技术的本质特征。虚拟仪器系统的软件部分包括操作系统、仪器驱动器软 件利应用软件三个层次。操作系统可选择w i n d o w s9 x n t 2 0 0 0 、l i n u x 等；仪器驱动器软件是直接控制各 种硬什接口的驱动程序，应用软件通过仪器驱动器与外围硬件模块通信连接；应用软件包括实现仪器功能 的软件程序和实现虚拟面板的软件程序。用户通过虚拟面板与虚拟仪器进行交互。 图2 2 虚拟仪器系统组成 2 2 2 虚拟仪器软件结构 v x l p l u g & p l a y 系统联盟( 简称v p p 系统联盟) 成立于1 9 9 3 年9 月，由n i 等著名仪器公司发起成立。 v x l p l u g & p l a y 系统联盟是一个开发的组织，它主要致力于促进v x l 技术系统级的易用性、开放性和互操 作性。联盟制定的v x i p l u g & p l a y 规范，即v p p 规范，使得v x i 总线更易于使用，实现v x i 系统的互换 性，并在系统级上使v x i 总线系统成为一个真正的开放的系统结构。它的主要目标是提高v x i 技术的易 用性，方便最终用户的使用。通过制定规范，提高产品的易用性和性能、保持与原有产品的兼容性、维护 多厂商之间的开发结构、提高扩展性和模块性、提高软件的重用性等。v p p 规范的推出，对虚拟仪器软件 级的标准化、虚拟仪器软件结构的规范、仪器驱动程序的标准结构都起到了促进作用。 虚拟仪器最核心的思想，就是充分利用通用计算机的软件和硬件资源，使本来需要硬件或电路实现的 技术软件化和虚拟化，最大限度的降低系统成本，增强系统的功能与灵活性。基于软件在虚拟仪器系统中 的重要作用，从底层到顶层，虚拟仪器的软件系统框架包括三个部分：v i s a 库、仪器驱动程序、应用软 件 0 7 1 0 虚拟仪器的软件系统框架如图2 - 3 所示。 东南大学颁士学位论文 例2 - 3 虚拟仪器的软件系统框架 v i s a ( v i r t u a li n s t r u m e n ts o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ) ，即虚拟仪器软件结构，是v p p 系统联盟制定的i o 接 口软件标准及其相关规范的总称。以v i s a 接口软件作为底层函数库来开发虚拟仪器程序，可咀使不同厂 商的软件在同一平台上协调运行。这大大减少了软件的重复开发，缩短了测试应用程序的开发周期。 仪器驱动程序完成对特定仪器的控制，是应用程序实现仪器控制的桥梁。每个仪器模块都有自己的仪 器驱动程序。 应用软件建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户。应用软件主要提供人机界面、数据分析处理 等功能。应用软什还包括通用数字信号处理软件，它为用户进一步扩展虚拟仪器的功能提供了基础。 2 3 系统方案论证 2 3 1 系统整体方案比较 目前市场上己出现的虚拟仪器类型多种多样，本文主要对三种系统整体方案进行比较，如图2 - 4 所示 ( a )( b )( c ) 图2 4 系统整体方案比较 ( 1 ) 通用p c + 扩展模块+ 传统总线 国内已出现的大部分虚拟仪器产品的构成方式为通用p c + 扩展模块，p c 与扩展模块之间通过传统总 线如g p i b 、r s 2 3 2 通信。如图2 - 4 ( a ) 所示，传统总线将数据输入到p c 中，使用者对其进行分析处理。 该模型保持了虚拟仪器利用p c 资源的基本特色，价格便宜，使用方便。但p c 与扩展模块之间的通信带 宽是系统的瓶颈，限制了系统在某些对数据传送速度要求苛刻的场合的应用。 ( 2 ) 嵌入式p c + 扩展模块 以美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t ) 为代表的以嵌入式p c + 扩展模块构成的虚拟仪器，体积 小、配置合理，各扩展模块可根据需要选用。如图2 4 ( b ) 所示，嵌入式p c 与扩展模块放置在一带背板 的机箱中，各个模块间通过背板总线通信。该系统功能齐全，具有实时监控性能，使用灵活、轻便，但硬 件成本高，价格昂贵。 ( 3 ) 通用p c + 扩展模块+ 高速总线 近些时间以来，国内外已有部分厂家生产p c 与扩展模块之间通过新型高速总线通信的虚拟仪器系统。 如图2 4 ( c ) 所示，用到的高速总线标准如p c i 、i e e e1 3 9 4 、u s b 等。第三种方案克服第一种方案速度 的不足，且兼有价格低廉的优点。 通过对以上三种系统整体方案比较，本文设计选用了第三种方案，采用“p c + 扩展模块+ 高速总线u s b 6 一 第2 章系统方案分析与论证 通讯接口”来实现虚拟逻辑分析仪。 2 3 2 软件开发平台比较 比较流行的虚拟仪器软件开发环境人致有两类：一类是基于文本的编程语言，如c ，v i s u a lc 抖， l a b w i n d o w s c v i ；另一类是图形化的编程语言，如代表性的有l a b v i e w ，h p v e e 等。其中l a b w i n d o w s c v i ， l a b v i e w ，h p v e e 是针对虚拟仪器和测控领域专门设计，编程直观、开发效率高。 通用软件v b 、v c 是计算机专家广泛使用的编程语言，但对非计算机编程专家来说，使用起来有一定 难度。而且用通用软件开发虚拟仪器应用软件，开发周期跃，软件工作量大，在数字信号处理能力、对硬 件的操作能力等方面无法和专业软件相比拟。 l a b w i n d o w s c v i 是n i 公司的一个优秀的虚拟仪器软件平台，是面向仪器的交互式c 语言开发平台。 l a bw i n d o w s c v i 将功能强大、使用灵活的c 语言平台与用于数据采集分析和显示的测控专业t 具有机地 结合起来，利用它的集成化开发环境、交互式编程方法、函数面板和丰富的库函数大大增强了c 语言的功 能，为熟悉c 语言的开发设计人员编写检测系统、自动测试环境、数据采集系统、过程监控系统等应用软 什提供了一个理想的软件开发环境。 l a b v i e w 是n i 公司强力推出的另一个优秀的虚拟仪器软件开发平台，是编译型图形化编程语言，非 常适合没有编程经验的用户。l a b v i e w 把复杂、费时的语言编程简化成用菜单或图标提示的方法选择功 能( 图形) ，并用线条把各种功能( 图形) 连接起来的简单图形编程方式。所以，它非常适合熟悉专业知 识的电子工程师和测试工程师学习和使用。由于l a b v i e w 的广泛应用，大部分硬件厂商的产品都针对 l a b v i e w 提供了专门的应用接口，使得应用l a b v l e w 可以方便的同其它厂商的硬件产品进行交互。在本 文设计中，p c 侧的u s b 驱动模块就是采用f t d i 公司开发的支持l a b v i e w 语言的硬件模块，可以通过动 态链接库( d l l ) 与l a b v m w 语言接口，从而弥补了在l a b v i e w 环境中对底层硬件操作不便的缺陷。 从代码效率和执行速度来看，编译型语言v c + + 速度最快，解释型语言v b 速度较慢，l a b v i e w 属于 编译型语言，经过代码优化的l a b v l e w 应用程序执行速度与c 语言相当t 0 8 1 0 通过对以上几个虚拟仪器的软件开发平台的比较，对于基于虚拟仪器技术的逻辑分析仪，设计选择了 对仪器和硬件的控制效率较高的l a b v i e w 作为软件开发平台。 2 3 3 通讯接口方案比较 计算机与外设之间的通信总线可分为并行和串行两类，以下仅对常用的三种总线标准进行比较论证。 ( 1 ) p c i 总线 到目前为止，p c i 总线是通信速率最高的并行总线标准，几乎所有计算机主板都配有多个p c i 插槽。 但p c i 总线协议比较复杂，而且p c i 模块必需安装在机箱内，数据采集时会受到较强的电磁干扰；另一方 面，用户组装系统时，需要打开机箱，使用不便。 ( 2 ) r s 2 3 2 总线 r s 2 3 2 串行接口总线是美国电子工业协会( e i a ) 正式公布的串行总线标准，也是目前最常用的串行接口 标准，几乎所有计算机主板都配有r s 2 3 2 总线。r s 2 3 2 串行接口总线采用电平方式传输，多用于点对点的 通讯系统，且通讯设备间距离不大于1 5 m 。它的传输速率最大为2 0 k b p s ，不适合于传送速度要求高的场合。 ( 3 ) u s b 总线 为了解决日益增加的p c 外设与有限的主板插槽和端口之间的矛盾，1 9 9 5 年m i c r o s o f t 、c o m p a q 、i b m 等公司联台制定的一种新的p c 串行通信协议四芯电缆的u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 总线。现在生产的 p c 几乎都配备了u s b 接口，各种流行操作系统都增加了对u s b 的支持。u s b l 1 具有速度快( 1 2 m b p s ) 、 总线供电、即插即用、易于扩展、成本低等优点，带宽可以满足在线监视的要求，用户安装使用方便。在 虚拟仪器市场上，u s b 接口产品具有良好的发展前景。 考虑以上因素，高速虚拟逻辑分析仪的硬件通信部分我们采用了u s b 接口通讯的方案。 东南大学硕士学位论文 2 3 4 控制电路实现方案比较 触发识别、触发产生及存储控制电路的实现是设计逻辑分析仪的关键部分，直接影响整个系统的功能、 数据采集速度、编程效率等决定性指标。下面对三种实现方案进行了分析比较”1 。 ( 1 ) 单片机m c u 独立实现 根据单片机m c u 的结构特点，很容易编程实现触发和控制方式简单、输入通道数少于8 路的简易逻 辑分析仪。但欲实现本文要求的技术指标，由于单片机的输入输出口有限，必须要作总线扩展，这就大大 增加了编程的难度。而且用m c u 独立实现此系统的一个致命弱点就是单片机的速度低，逻辑分析仪的最 高速度受到限制，设计出的产品的意义和实际价值因此而受到影响。 ( 2 ) m c u 十f p g a p l d 可编程逻辑电路是目前数字系统设计中迅速发展并被广泛使用的一种新的设计技术，它包括 f p g af f i e l dp r o g r a m m a b l el o g i ca r m y ) 现场可编程门阵列和c p l d ( c o m p l i c a t e dp r o g r a m m a b l el o g i c d e v i c e ) 复杂可编程逻辑器件等器件，设计者可根据需求在板可再编程，降低了成本，缩短了开发周期。 采用m c u + f p g a 方案或m c u + c p l d 方案，可以用m c u 来控制人机界面和高层控制，实现起来高效而 且简单，而f p g a 或c p l d 可以达到设计中的高速度的要求。 现场可编程门阵列( f p g a ) 是一种高集成度、高密度的可编程逻辑器件，适合于触发器丰富的结构。 但由于f p g a 是门级编程，分段式布线结构决定了其延迟时间的不可预测性；并且，f p g a 的编程信息需 存放在外部存储器上，断电时编程信息丢失，保密性差，使用方法复杂。 ( 3 ) m c u + c p l d 复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 的主体结构是与或阵列，适合于完成各种算法和组合逻辑。c p l d 连续 式布线结构决定了它的速度比f p g a 快，且时序延迟是均匀的和可预测的；c p l d 的编程采用e e p r o m 或 f l a s h 技术，无需外部存储器芯片且具有良好的保密性，编程使用相t k f p g a 简单。 通过上述三种方案分析，本文采用了“m c u + c p l d ”的方案进行逻辑分析仪的控制电路的设计，不 但能满足逻辑分析仪对时间的延迟具有一定的可预测性的需求，而且9 够达到速度和效率的最佳结合。虽 然c p l d 的触发器不及f p g a 丰富，但选用逻辑宏单元多的c p l d 器件，完全可满足本文的设计需要。 2 4 系统总体结构设计 图2 - 5 系统总体结构设计 根据前几节对虚拟逻辑分析仪的需求分析和系统方案论证，本文设计的系统总体结构由通用p c 、数 据获取硬件及通讯接口组成，如图2 - 5 所示。p c 端软件采用l a b v l e w 软件t 作平台，通讯接口采用高速 的u s b 串口通讯，数据获取硬件采用“m c u + c p l d ”方案，参考图2 - 1 各硬件模块实现功能如下： ( 1 ) 前端信号调理及数据采集模块 来自3 2 路通道的被测数字信号的输入端与地之间并接了皮法级电容和双向瞬态电压抑制二极管，以 防l r 输入信号可能出现高电压浪涌或高共模电压，保护昂贵的测试系统。采用高速电压比较器，将输入信 号与一r j 限电平比较，即得到标准0 、“1 ”数字信号，从而完成数据采集功能。本文采用了可编程数字电 位器分压来产生c m o s 、t t l 、l 、，t t l 等门限电平。 ( 2 ) 触发电路及存储控制电路模块 逻辑分析仪的触发电路和大部分逻辑控制电路都是在两片高速c p l d 中实现的，即：检测输入信号和 判断触发条件，并在满足触发条件时控制存储器及时将数据进行存储，是整个系统设计的关键部分。c p l d 中的主要功能包括控制字的暂存电路、各种触发方式的触发识别电路、触发产生电路、存储控制电路、地 址锁存电路、地址译码电路等。 ( 3 ) 处理器模块 8 第2 章系统方案分析与论证 处理器负责整个逻辑分析仪相对较低速的控制部分，主要是与p c 通讯的相关信息，包括时钟选择控 制、数据通道选择控制、开始停止采用控制、触发电平选择控制、触发方式选择控制等，并且负责控制 u s b 通信模块的数据传送。 ( 4 ) u s b 通信模块和p c 侧软件工作平台 u s b 通信模块和p c 侧软件工作平台相互协调工作，完成数据的上下通信。u s b 通信模块主要完成两 个任务：一是接收上位机下传的控制指令；二是将满足控制指令的数据上传给上位机。p c 侧的操作控制、 数据处理及显示是在图形化编程语言l a b v i e w 工作平台上开发完成的。p c 侧的u s b 通用驱动程序由u s b 通信模块开发商提供，本文设计中，将常用的功能做成了动态链接库，供l a b v i e w 应用程序调用。 2 5 需求分析 2 5 1 系统功能和主要技术指标 1 逻辑辑分析仪的功能主要包括以下几个部分： 具有逻辑状态分析和逻辑定时分析两种测量模式。 具有多种触发模式，包括基本触发、序列触发、延迟触发等。 门限电平可调。 时钟限定。 提供两种显示方式：状态表和时序图。 文件操作功能，可将波形数据另行保存为数据文件。 数据打印输出。 2 逻辑分析仪的主要技术指标为： 可测电平幅值范围：0 5 v 。 门限电平可调，如：c m o s 、t t l 、l v t t l 、3 3 v 等。 逻辑状态分析仪时钟频率( 外时钟) ：最大能处理1 0 m h z 的外部时钟。 逻辑定时分析仪时钟频率( 内时钟) ：4 0 m h z 3 1 2 5 k h z 共8 档可选( 由a d 9 8 5 0 作为主时 钟) 。 3 2 路通道数据输入，2 个外部时钟输入。 存储深度：3 2 k 通道。 选择u s b 接口通信电路。 2 5 2 系统特色 与传统仪器相比，基于虚拟仪器技术的逻辑分析仪具有如下特色： 系统结构简单 高速的数据采集与数据传输相互独立进行，触发识别、触发产生、存储控制及相关逻辑控制 电路都在c p l d 内部编程实现，系统结构简单。 人机界面友好 利用的虚拟仪器开发软件，由用户根据实际需要定制，生成逻辑分析仪的软面板，方便了用 户的操作。使用者对逻辑分析仪的操作只需用鼠标和键盘对软面板操作即可。 系统升级方便 利用虚拟仪器技术，系统的升级和维护简单方便。仪器功能的增强只需要对仪器的软件部分 进行升级就可以实现。 系统性价比高 虚拟逻辑分析仪的很多功能都由软件实现，减少了自动测试系统的硬件环节，降低了系统的 开发成本和维护成本。 代表了仪器的发展方向 - 9 - 东南大学硕士学位论文 2 6 本章小结 本章首先分别介绍了逻辑分析仪和虚拟仪器技术，然后对虚拟逻辑分析仪设计的关键技术进行方案论 证，提出了“通用p c + m c u + c p l d 控f # i + u s b 串口通讯”的方案。在系统总体结构设计中，逐一介绍了各主 要功能模块，包括前端信号调理及数据采集模块、触发识别及存储控制电路模块、处理器模块、u s b 模块 和p c 侧软件t 作平台。最后，根据逻辑分析仪的需求分析，确定了系统功能和主要的技术指标。后面各 章将对虚拟逻辑分析仪的软件和硬件部分加以详细论述。 1 0 第3 章逻辑分析仪的硬件系统结构 第3 章逻辑分析仪的硬件系统结构 本章主要讨论逻辑分析仪的硬件设计和固化软件两大部分。 3 1 虚拟逻辑分析仪整体结构框图 虚拟逻辑分析仪主要由数据输入探头、处理器m c u 模块、存储器s r a m 模块、内部时钟模块、门限 电平模块、触发电路及各种逻辑控制电路、电源模块、u s b 通信接i s l 模块、p c 侧l a b v i e w 软件工作平台 等部分组成。虚拟逻辑分析仪的整体结构框图如图3 1 所示。 图3 - 1 虚拟逻辑分析仪的整体结构框图 m c u 主要负责完成逻辑分析仪低速的采样参数的配置工作和协调逻辑分析仪高速的采样数据传输的 控制工作。采用两片c p l d 完成控制字锁存、地址译码、地址锁存、时钟选择、触发识别、触发产生、存 储器s r a m 读写控制及其他各种逻辑控制电路，一方面有利于保证系统实现高速采集数据，另一方面也简 化了系统的规模，有利于系统的保密和升级。时钟选择电路用来选择来自探头的外部时钟或米白ta d 9 8 5 0 产生的内部主时钟。s r a m 地址控制可以自动调整s r a m 读写地址，方便的进行数据读写。为了兼顾多 种门限电平的可测量性，在信号输入端有门限电平的转换模块。m c u 与p c 机之间由u s b 模块实现数据 高速通信。在底层的整个硬件设计中，系统设计将高速的数据采样部分与低速的m c u 协调控制部分相对 独立的处理，使系统良好可靠运行。 f 面具体讨论主要功能模块的设计思想和控制原理。 堡要奎兰竺主兰篁笙兰 3 2 处理器模块 处理器是逻辑分析仪硬件的关键部分之一，不但要协调、控制逻辑分析仪低速方面的工作，同时还要 控制与p c 机通信的高速u s b 模块。选择处理器时，需要根据设计要求，考虑多方面因素，从而选择合适 的处理器。通过对处理器的字长、工作频率、功能、性能价格比等因素的综合方案分析，在本文设计中选 用了w i n b o n d 公司的与8 0 5 1 兼容的芯片w 7 7 l e 5 8 作m c u 处理器。 5 l 系列单片机在国内已经得到了极其广泛的应用，w 7 7 l e 5 8 单片机是由8 位微处理器8 0 c 5 1 优化派 生出来的高性能c m o s 微处理器，w 7 7 l e 5 8 单片机的内部结构如图3 - 2 所示“”。 其主要功能和性能指标如下： 8 位m c u ，最高2 5 m h z 的时钟频率。 指令和引脚与8 0 c 5 2 完全兼容。 内部集中了高速结构，将1 2 周期肘日令缩减为4 周期指令，使c p u 的响应速度提升了1 5 3 倍。 工作电压范围广：2 7 v 5 5 v 。 4 个8 位i o 口。 在p l c c q f p 封装时，比8 0 5 1 增加4 个i o 口，其中一个可作等待状态控制信号。 有两个全双工串行通信口，支持u a r t ( 通用异步通信接受和发送器) 和同步移位寄存器。 集成了2 5 6 字节的可直接读取r a m 和1 k 字节的m o v x 读取的内置s r a m 。 3 2 k 字节可重复编程的f l a s h 。 3 个1 6 位定时器，计数器。 内部集成了可编程看门狗复位电路。 1 2 个中断源，两级优先级。 2 个1 6 位数据指针。 支持i d l e 和p o w e r d o w n 两种节电模式。 w 7 7 l e 5 8 具有改进的5 1 内核，不但指令系统执行周期明显缩短，满足了系统对速度的要求，而且运 算能力强，效率大大提高。内部3 2 k 的f l a s h ，满足系统程序空间需求，避免外扩程序存储器。本文设 计的w 7 7 l e 5 8 采用的是p l c c 封装，因此比一般5 l 芯片多出4 个i o 端口，满足系统对i o 口的需求。 p 3 0 ，b i = 40 一。 图3 - 2w 7 7 l e 5 8 结构框图 - 1 2 第3 章逻辑分析仪的硬件系统结构 3 3 存储器模块 存储器存储速度能够决定整个逻辑分析仪的数据捕获速度，而且，存储器的存储容量的大小决定了采 集数据的多少，即决定了逻辑分析仪的存储深度。双口r a m 存储方式速度快，但大容量的双口r a m 比 较贵、难以购买，而且占用大量的c p l d 引脚，p c b 板布线比较繁琐。f i f o 先进先出的存储方式节省了 地址线，有利于p c b 板布线，但f i f o 方式只能顺序读写数据，比较呆板，而且大容量高速f i f o 多采用 动态r a m 技术，需要刷新控制电路。根据系统性能指标和性价比的综合考虑，外扩的存储器数据r a m 选用i s s i 公司1 6 位高性能静态存储器i s 6 1 l v 5 1 2 1 6 “”，它的存取速度i o n s ，工作电压3 3 v ，存储容量 为5 1 2 k x l 6 b i t ，可通过引脚u b 、z 百选择存储器高8 位、低8 位或1 6 位的数据传输。这样可以实现c p l d 对其1 6 位数据进行快速存储，处理器w 7 7 l e 5 8 对存储的数据进行8 位读取，使c p l d 的高速数据传输和 m c u 的低速控制、数据传输得到合理匹配。 由于i s 6 1 l v 5 1 2 1 6 超过了8 位处理器w 7 7 l e 5 8 的正常外扩数据存储容量，本文设计中采用了映象模 式的存储器扩展技术，设计时把外扩的存储器映射到w 7 7 l e 5 8 芯片数据存储器空间的8 0 0 0 h f f f f h ， 此时a 1 5 为c c l ”，页地址寄存器由p r g 0 p r g 4 确定，这样，可访问外部r a m 达2 1 5 x 2 k1 m ，满足设计 对存储深度( 3 2 通道3 2 k 通道) 的要求。具体的控制电路是在c p l d 中实现的，详细分析参见第4 章。 3 4 内部时钟模块 逻辑分析仪的整个工作过程是在外部时钟( 同步) 或内部时钟( 异步) 的作用f ，分别实现了逻辑分 析仪的状态分析和定时分析这两大功能，完成采样问隔定时。逻辑状态分析时，采用被测系统数据的外部 时钟来控制，进行同步采样。 逻辑定时分析时，根据前面所需求的系统指标，* s c a n 了美国a d i 公司生产的a d 9 8 5 0 高性能芯片产 生内部主时钟。时钟频率由m c u 根据来f l p c 机的控制参数命令确定，本论文设计t 4 0 m h z 3 1 2 5 k h z 共8 档可选的采样时钟。 a d 9 8 5 0 的最高时钟频率为1 2 5 m h z ，采用先进的c m o s 技术制造的直接数字式频率合成器。它l 勺部包 括可编程d d s ( d i r e c