逻辑分析仪的设计 电子设计专业毕业设计 毕业论文.docx
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逻辑分析仪的设计电子设计专业毕业设计毕业论文
逻辑分析仪的设计电子设计专业毕业设计毕业论文
摘要
逻辑分析仪是一种分析数字化设备的测试仪器,主要用于分析数字系统的逻辑关系,有效地解决越来越复杂的数字系统的检测和故障诊断问题。
随着电子技术的迅猛发展,计算机的广泛应用,基于PC的虚拟仪器也将是测试仪器领域的一大发展趋势。
USB通用串行总线是一种主流的标准计算机接口。
USB接口具有即插即用与热插拔的特性,它可使用户迅速方便地连接PC主机的各种接口设备。
基于USB接口的逻辑分析仪充分利用计算机的强大功能,大大突破了传统仪器仪表在数据传送、处理、显示和存储等方面的限制,在性能方面得到了极大的提高。
因此研究基于USB接口的虚拟逻辑分析仪具有一定的经济效益和现实意义。
本文主要介绍了基于USB接口的虚拟逻辑分析仪的实现原理和过程。
采用现场可编程器件FPGA,设计基于USB的虚拟逻辑分析仪,首先进行了方案的论证与选取,而后进行软件和硬件设计。
硬件设计主要是外围电路设计,包括电源电路、复位电路、时钟电路、配置电路、USB接口电路等。
软件设计主要是利用VerilogHDL语言编程而后用QuartusⅡ软件进行波形仿真等。
关键词:
逻辑分析仪;USB;FPGA;
Abstract
Logicanalyzerisakindoftestinstrumenttoanalysethedigitaldevices,isusuallyusedtoanalysethelogicrelationshipofthedigitalsystem.Itcansolvethedetectionandfaultdiagnosisofthedigitalsystemeffectively.Withtherapiddevelopmentofelectronics,thewidelyusedofthePC,thevirtualinstrumentbasedonPCwillbeamajordevelopmenttrendinthetestinstrument.USBisamainstreamstandardcomputerinterface.TheUSBinterfacehasmanyfeatures,suchasplugandplay,hotswap.ItallowsuserstoquicklyandeasilyconnectingavarietyofinterfacedevicesofPC.ThelogicanalyzerbasedonUSBmakesfulluseofthecomputertobreakthroughthelimitationoftraditionalinstrumentationintransmission,processing,displayandstorage,hasgreatlyimprovedincapability.Therefore,researchthelogicanalyzerbasedonUSBinterfacehasgreateconomicandpracticalsignificance.
ThispaperdescribestheprinciplesandprocessesofthelogicanalyzerbasedonUSB.WiththehelpoftheField-programmabledevices-FPGAtodesignthelogicanalyzerbasedonUSB,greatlysimplifiestheperipheralhardwarecircuit.Thefirstfirstselection,thedemonstrationandschemeofsoftwareandhardwaredesign.Hardwaredesignmainlyistheperipheralcircuitdesign,includingpowersupplycircuit,resetcircuit,clockingcircuitandconfigurationcircuit,USBinterfacecircuit,etc.SoftwaredesignisthemainVerilogHDLlanguageprogrammingandthenuseQuartusⅡsoftwarewaveformsimulation,etc.
Keywords:
Logicanalyzer;USB;FPGA
1绪论
1.1课题研究背景及意义
20世纪70年代以来,伴随计算机技术、大规模集成电路、可编程逻辑器件、高速数据信号处理器的迅猛发展,各种数字系统的设计、开发、检测任务越来越多,也越来越复杂了。
数字电路系统所处理的信息都是用离散的二进制来表示,常用“1”来表示高电平,“0”表示低电平,多个二进制位的组合构成一个数据,我们称这一领域是数据域;该领域测试技术即被称为数据域测试技术,简称数据域测试。
在数据域测试的领域中,大多数情况下只在意数据信号之间的逻辑关系和时序关系,缺忽视了实际的具体波形。
对于设计人员来说,若想从大量的数据流中找出一些无规则、隐蔽、随机的错误无异于大海捞针,所以,必须采用一些全新的测试设备才能及时、准确的解决问题,比如逻辑分析仪、仿真器、数据图形产生器、嵌入式开发系统等等。
其中,逻辑分析仪(LogicAnalyzer,简称LA)是最基本、最具有代表性的数据域测试仪器。
逻辑分析仪的主要功能是在时钟作用下对被检测的系统的数字信号进行采集并将其显示出来,来判断时序正确与否。
和示波器不同,逻辑分析仪没有具体的电压值显示,并且通常只显示两个电压--即逻辑“1”和“0”,因此设定一个电压作为参考是必需的,被测信号通过比较器与参考电压进行比较,比参考电压高的为高电平(即为逻辑“1”),同理,比参考电压低的即为低电平(逻辑“0”),在高电压与低电平之间形成数字波形。
例如:
利用100MHz采样频率的逻辑分析仪对一个待测信号进行检测时,我们设定参考电压为2V,逻辑分析仪平均每10ns就对被测信号采取一个点,高于2V的为逻辑“1”,低于或等于2V的为逻辑“0”,之后“1”和“0”就可以连成一个简单且连续的波形。
在此波形中,设计人员能很方便的找出异常的地方。
总之,逻辑分析仪是一种分析数字化设备软件和硬件的测试仪器,主要用于分析数字系统的逻辑关系,解决了复杂类型的数字系统的检测和故障诊断问题。
随着计算机技术的迅速发展及其广泛应用,计算机上传统的并行和串行接口已经无法满足PC与外部设备之间不断提高的速度和稳定性、易用性的要求,而且给计算机系统的设计带来诸多麻烦,给用户也带来很多不便,限制了计算机的发展。
USB通用串行总线是一种逐流的计算机标准接口,通过它实现了即插即用与热插拔的特性。
USB接口让用户迅速方便地连接计算机主机的设备接口,很好的满足了用户的需要。
因此基于USB接口的虚拟逻辑分析仪设计具有一定的经济效益和现实意义[1]。
1.2国内外研究现状及发展趋势
1.2.1国内外研究现状分析
自1973年美国HP公司和BIOMATION公司研制出逻辑分析仪以来,加上计算机、信号处理、软件工程等技术的快速发展,逻辑分析仪已经历了四代:
第一代仅具有简单的触发功能和显示方式,速度慢且功能单一,定时分析仪和状态分析仪分别属于两种仪器;第二代的标志是微机化,很大程度上改进了触发和显示方面,定时分析仪和状态分析仪被结合到一起使用,便于对微机的软硬件进行分析;第三代具有速度高、通道数多、存储容量大等特点,而且具有了以系统性能分析为重点的分析能力;第四代产品则是性能相当完善的逻辑分析仪或逻辑分析系统。
随着数字设备检测仪器在生活中的广泛应用,逻辑分析仪有着很好的市场和广阔前景。
国内逻辑分析仪的应用不断增强,但国内该领域的制造方面发展不是很快,这主要是因为一方面逻辑分析仪应用复杂,价格也较高。
另一方面,该仪器的市场主导地位主要由国外产品占领,国内厂商的市场份额较小,影响了国内的普及。
国外逻辑分析仪的产品主要厂家是美国的Aglient公司和Tektronix公司,他们掌握着逻辑分析仪的核心技术和很大部分的市场份额。
国内南京电讯仪器厂、上海无线电二十一厂、红华仪器厂和电子科技大学均制造了台式逻辑分析仪[2],但不部分都是功能单一、性能指标低、操作繁琐,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工作的逻辑分析仪插卡或外接模块,它们利用微机资源,补充逻辑分析仪的重要部分,共同完成LA功能。
该产品价格不高,便于LA在国内的普及。
1.2.2逻辑分析仪的发展趋势
逻辑分析仪未来的发展趋势主要有以下几个方面:
第一,它与网络的结合,这便于远程操作和控制,而且所测数据能再网上共享,便于专家在异地指导操作人员利用仪器对数字设备进行高难度维护、检修;
第二,与其他仪器的结合,例如Agilent公司的16500、16600和16700系列和Tektronix公司的9200系列都是模块化的综合逻辑分析系统,包括了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;
第三,支持多种总线结构,新一代逻辑分析仪应能支持PC主机采用的新型I/O总线,以满足开发人员调试和分析PC主机或任何高性能计算机系统的需要;
第四,能对多微处理器结构同时进行检测、调试和验证。
例如泰克公司的TLA700系列逻辑分析仪,具有2176个逻辑通道以及每个通道高达16M的存储深度;
第五,支持人性化操作。
对较复杂的触发设置以及与被测系统的连接、显示方面等都应支持人性化操作,让用户感到熟悉、方面。
整个逻辑分析仪应向标准化、便携化发展,因此研究基于USB接口的虚拟逻辑分析仪是符合这一发展趋势的。
1.3本论文研究的主要内容
本文的虚拟逻辑分析仪是基于USB接口并且采用现场可编程器件FPGA而设计的,通过USB接口,实现了计算机和外设备之间通信速度、稳定性和易用性,同时即插即用的特性让其使用非常方便。
本课题研究内容包括以下几个方面:
1.研究了本论文的设计方案及其论证,包括逻辑分析仪的原理设计,方案比较,芯片选择等工作,并且拟定了虚拟逻辑分析仪的参数;
2.介绍了USB接口的工作原理;
3.进行逻辑分析仪的硬件设计,包括确定硬件设计的总框图,然后进行逻辑分析仪的外围电路设计;
4.进行逻辑分析仪的软件设计,包括基本思想,Verilog语言和QuartusⅡ软件介绍,进行各个模块的设计和仿真,完成FPGA芯片和外围芯片的接口设计。
2方案论证
2.1方案设计与选取
2.1.1逻辑分析仪的设计指标
根据本课题的研制周期、经济性等要求,拟定了本课题的设计指标:
1.采用USB2.0接口;
2.通道数:
32路;
3.全通道存储深度:
128KB;
4.采样频率:
100MHz;
5.FIFO存储容量:
8192bit×32(路);
6.支持条件触发和立即触发;
7.支持内、外两种采样时钟;
8.门限电平设置在0-5V连续可调
2.1.2方案比较
方案一:
采用高速RAM(随机存取存储器,断电时将丢失其存储内容)将其用作FIFO来使用,这样系统运行速度快,实时性强,但其成本较高,USB总线的传输速度也将限制了该种逻辑分析仪。
该方案的结构框图如图2-1所示,数据捕获完后将数据通过USB接
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