基于FPGA的简易逻辑分析仪设计

1、1引言在设计和测试数字系统时,往往需要借助逻辑分析仪来观察多路数字信号波形,以分析其逻辑关系。然而,现有的逻辑分析仪不仅价格昂贵,也很难普及和推广。为此,设计了一个基于现场可编程门阵列(FPGA 和单片机的简易逻辑分析仪。它具有功能全面,价格低廉,能够实时分析8路数字信号的优点,因此实用价值很高。2系统总体方案设计将8路待分析的并行数字信号经过模拟开关分时选通成为串行信号,再由A/D 采样为逻辑电平值后,通过FPGA 读取并暂存,如果存满了,则用最近输入的数字覆盖掉最早存入的数字,等到满足触发条件后,再存入设定位数的数字。最后将这些数字存入FPGA 内部的双口RAM 中,由DAC 输出显示在模

2、拟示波器上。其中,触发电平、触发字、触发方式都由用户通过键盘输入,再由FPGA 解析为相应的逻辑,以控制A/D 转换结果和存储器的写入。触发位置和可移动光标处的逻辑状态均由LCD 同步显示,其系统框图如图1所示。3模拟电路的设计3.1输入阻抗变换电路为了尽可能地不影响输入信号,要求采样电路的输入阻抗要大于50k ,所以将各路信号先经射极跟随器,再由A/D 采样,但对于8路信号就需要8个射极跟随器,因而给电路带来复杂问题。将8路信号输入模拟开关AD7501的8个输入端,并由控制电路控制8路信号顺序输出,再经过一个射极跟随器进入A/D 转换器的输入端1,再在FPGA 内部将这8路数据分离开来。图2

3、给出具体电路。3.2门限电压控制及数据采集电路采用的门限电压控制方法是将待测信号通过A/D 转换器转换为数字量,并与预设数字进行比较,以决定信号的逻收稿日期:2008-08-04稿件编号:200808004 作者简介:程达(1987-,男,湖北黄冈人。研究方向:电子设计。基于FPGA 的简易逻辑分析仪设计程达,唐宏昊,邢玉秀(武汉大学电子信息学院,湖北武汉430079摘要:基于数字信号采集及数字示波器存储显示原理,并以AT89S52单片机和现场可编程门阵列(FPGA 组成的最小系统为核心,采用数字信号发生器模块、由模拟开关和A/D 采样组成的信号并行采集电路、触发模块、数据储存模块和显示电路等

4、构成简易逻辑分析仪。该分析仪的功能全面,价格低,能实时分析8路数字信号,具有很高的实用价值。关键词:逻辑分析仪;单片机;数字信号;采样/现场可编程门阵列中图分类号:TM935.2文献标识码:A文章编号:1006-6977(200811-0025-02Design of simple logic analyzer based on FPGACHENG Da ,TANG Hong -hao ,XING Yu -xiu(School of Electronic Information,Wuhan University ,Wuhan 430079,China Abstract :Based on th

5、e principle of logic signals acquisition and the digital oscilloscope and storage display,the design of simple logic analyzer is presented in this paper.The core of the logic analyzer is AT89S52and FPGA (EP1C6Q240C8.This simple logic analyzer consists of digital signal generator,trigger module,data

6、storage module,display circuit and parallel signal acquisition circuit including analog switches and A/D sampling.The logic analyzer features all functions,low cost and analyzing real -time 8-channel digital signal.So the logic analyzer has better practical utility.Key words :logic analyzer ;single

7、chip ;digital signal ;sampling/field programmable gate arrays图1系统总体方框图图2输入阻抗变换电路测控与仪器仪表国外电子元器件2008年第11期-25-国外电子元器件2008年第11期辑电平,通过改变预设数字,可直接改变门限电压。为了提高采集数据的清晰度,在此采用高速异步时钟来采集被测信号。采用美国Maxim 公司生产的12位快速A/D 转换器MAX197完成信号采样。MAX197的转换时间仅为6s ,所以即使分时采集8路信号,其输入信号的最高频率也达到1.5kHz 。图3为MAX197采用内部时钟、内部基准源模式的电路图。 3.3

8、后端显示电路利用两个DAC0800将RAM 中含逻辑信号和锯齿波信号的数据变为模拟信号2,因为DAC0800是电流型输出,所以还要通过I -V 转换器将电流输出信号转换成电压输出信号,再输入到示波器的x 、y 轴予以显示。图4给出D/A 转换器连接图。 4FPGA 部分设计4.1触发控制模块在AD7501选通每一路的同时,MAX197开始采集该路 信号。根据触发原理,当8路采样完成后,将8位状态数据组成一个字节,将这一字节与触发字进行比较,然后存入RAM ,若这一字节等于触发字,则视其触发条件满足,开始存储数据,并在FPGA 中记录对应的存储地址,继续存储128个状态后停止采样并送显;若为多级

9、触发,则依据屏蔽字选出感兴趣的路,然后对这些路的信号与触发字进行比较,若与触发字匹配,则记录对应的存储地址,继续存储128个状态后停止采样并送显。4.2数据存储模块所采集到的数据为一个字节,每一位的值代表相应路数的信息,在模拟示波器上显示时,需将8路信号分离开来,因此存储数据时需先对其进行处理,即先将采集到的数据分离成8bit ,然后将每个bit 填成一个字节(字节的高3位表示该bit 所在的输入路数,第4位为该bit 值,低4为填0,这样即可直接将数据送显,而无须再对数据进行处理。实际中,采用8个FPGA 的内部RAM ,分别存储8路数据。这样可在时钟信号的上升沿同时将数据分别存入各RAM

10、的相同地址中。图5示出FPGA 生成数据存储模块3。4.3显示模块依据示波器原理,若要真实显示被测信号的波形,必须在Y 通道输入被测信号的同时,在X 通道输入一个随时间线性变化的电压,通常该电压采用锯齿波电压。同时为了稳定显示波形,要求每个扫描周期所显示的信号波形在荧光屏上完全重合,即曲线形状相同,并在同一起始点。要满足这一点,扫描电压周期和被测信号周期必须成整数倍关系,这样才能保证每次扫描的起始点都对应在与信号电压相同的相位点上,使每次扫描显示的波形都重叠在一起。在此,采用依次显示各列的方式,即横轴波形为两重嵌套的锯齿波;纵轴依次显示第1路的第1个状态,第2路的第1个状态,第7路的第8个状态

11、,第8路的第8个状态。若要较好地显示整个画面,则根据人眼的视觉惰性,每帧的刷新率应大于16Hz 。这里选50Hz ,因此横向扫描信号的每一小锯齿波频率应为50f (f 为数字信号码元的速率。5系统软件设计该系统采用单片机和FPGA 共同完成对逻辑分析仪的软件控制。单片机负责读取键盘有关门限电压值、触发模式和触发字的设定,然后通知FPGA 启动相应的数字信号发生器、触发判断、RAM 储存等模块,再由FP -GA 完成最后的示波器显示功能,最后由单片机完成反馈时间标志线所对应的逻辑状态的LCD 显示4-5。图6给出软件流程图。图6主程序流程图图3MAX197电路图图4D/A 转换送显示电路图5FP

12、GA 生成数据存储模块(下转第29页-26-6系统测试利用外接的自制移位数字信号源对该系统进行了测试。当输入的移位序列为11101011时,通过按键设定触发字为01111101和10101111,最后显示的触发位置分别为01111101和10101111。当设定单级触发字为XX000XXX 时,显示无触发;当设定二级触发字为01XXXXXX XXXX01XX 时,显示的触发位置分别为01111101,11110110;当设定三级触发字为X0X1XXXX X1X1XXXX X1X1XXXX 时,显示的触发位置为10111110,01111101,11110110。上述实验结果与理论结果相符,所以

13、整个系统的工作是可靠的。7结语 数字技术的发展提供了更多的实用检测设备方案。基于FPGA 的简易逻辑分析仪就是这些方案的一种尝试。它实现了对8路逻辑信号中任意一路或多路的单级和多级触发,并具有分页显示功能。不仅界面友好,且扩展功能强。参考资料:1谢自美.电子线路综合设计M.武汉:华中科技大学出版社,2006.2顾乃绂.逻辑分析仪原理与应用M.北京:人民邮电出版社,1989.3徐慧明,安德宁.数字逻辑与VHDL 描述M.北京:电子工业出版社,2002.4马忠梅,籍顺心,张凯,等.单片机的C 语言应用程序设计M.4版.北京:北京航空航天大学出版社,2007.5李朝青.单片机原理及接口技术M.3版.

14、北京:北京航空航天大学出版社,2005.!(上接第26页home ;mkdir HW ;cd HW ;vi HelloWorld.c 。将出现一个空白窗口,这是文件编辑窗口,vi Helloworld.c 命令是使用Vi 编辑器来编辑HelloWorld.c 的c 文件。在vi 编辑器中先单击A 键,窗口左下角出现-IN -SERT-表示已进入vi 的输入模式。输入程序与其他编辑器的操作相同5。当输入程序完毕后,单击Esc 键,然后输入“:”,“wq ”,最后按回车确认存盘,即可退出vi 编辑器。在同一终端窗口中,输入arm -linux -gcc -o HelloWorldHelloWorl

15、d.c 和ls 两条命令,交叉编译HelloWorld.c 源程序,并查看生成的.o 目标文件,如图4所示。等到再次出现提示符,表明程序编译正确。如出现错误信息,需重新编辑原来的.C 文件,修改错误,直到正确编译为止。Urm -linux -gcc -o Hellowold Helloworld.c 命令是调用交叉编译器arm -linux -gcc 编译HelloWorld.c 文件。由于已在准备过程中加入了该命令路径,所以在任何路径下,均可直接输入命令arm -linux -gcc 编译源程序文件,参数-o 后边为目标文件,编译后生成HelloWorld ,如果编译出错,将不产生该文件。该

16、编译器arm -linux -gcc 生成的可执行文件HelloWorld 不能在宿主PC 机上运行,只能在目标板上运行,因此可将其转到minicom 的终端窗口运行该目标程序。重新打开minicom 的终端窗口,即到目标板的mnt 目录下,输入下列cd home/HW/*回到minicom 中目标板的/mnt/home/HW 目录下*/;ls ;./HelloWorld 3条命令,运行HelloWorld编译成功的HelloWorld 目标程序,如图5所示,即可实现基于PXA270嵌入开发板的应用程序。5结语介绍了基于PXA270开发板的嵌入式开发环境搭建过程,以及在嵌入式目标板上开发应用程序的流程。可使读者了解PXA270嵌入式系统的基本特点,学习嵌入式开发的基本流程。基于PXA270的嵌入式系统已广泛应用于各个领域。参考文献:1Intel.PXA27x Processor Family Optimization GuideDB/OL.2Intel.PXA27x Processor FamilyElectrical,Mechanical,and Therm