【正文】 課程報(bào)告 設(shè)計(jì)課題 : 簡易邏輯分析儀 姓 名 : 專 業(yè) : 電子信息工程 學(xué) 號 : 日 期 2020年 月 日 —— 20 年 月 日 指 導(dǎo)教師 : 國立華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 目 錄 1．設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求 （ 1）結(jié)構(gòu)組成 （ 2）數(shù)據(jù)采集和存儲部分 （ 3）邏輯狀態(tài)與波形顯示部分 （ 4）簡易邏輯分析儀的軟件流程： 5）實(shí)時(shí)波形存儲與上下翻頁 4. 測試及結(jié)果分析 簡易邏輯分析儀 的設(shè)計(jì) 1. 設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求 設(shè) 計(jì)并制作一個(gè) 8 路數(shù)字信號發(fā)生器與簡易邏輯分析儀，其結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示： 圖 . 簡易邏輯分析儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 設(shè)計(jì) 基本要求 基本要求 ： （ 1）制作數(shù)字信號發(fā)生器能產(chǎn)生 8 路可預(yù)置的循環(huán)移位邏輯信號序列，輸出信號為 TTL 電平，序列時(shí)鐘頻率為 100Hz，并能夠重復(fù)輸出。邏輯信號序列示例如圖 2 所示。 （ 2）制作簡易邏輯分析儀 a．具有采集 8 路邏輯信號的功能，并可設(shè)置單級觸發(fā)字。信號采集的觸發(fā)條件為各路被測信號電平與觸發(fā)字所設(shè)定的邏輯狀態(tài)相同。在滿足觸發(fā)條件時(shí)，能對被測信 號進(jìn)行一次采集、存儲。 b ．能利用模擬示波器清晰穩(wěn)定地顯示所采集到的 8 路信號波形，并顯示觸發(fā)點(diǎn)位置。 c． 8 位輸入電路的輸入阻抗大于 50k Ω，其邏輯信號門限電壓可在 ~4V范圍內(nèi)按 16 級變化，以適應(yīng)各種輸入信號的邏輯電平。 d．每通道的存儲深度為 20bit。 圖 重復(fù)輸出循環(huán)移位邏輯序列 00000101 設(shè)計(jì) 發(fā)揮部分 （ 1）能在示波器上顯示可移動的時(shí)間標(biāo)志線，并采用 LED 或其它方式顯示時(shí)間標(biāo)志線所對應(yīng)時(shí)刻的 8路輸入信號邏輯狀態(tài)。 （ 2）簡易邏輯分析儀應(yīng)具備 3級邏輯狀態(tài)分析觸發(fā)功能，即當(dāng)連續(xù)依次捕捉到設(shè)定的 3 個(gè)觸發(fā)字時(shí)，開始對被測信號進(jìn)行一次采集、存儲與顯示，并顯示觸發(fā)點(diǎn)位置。 3 級觸發(fā)字可任意設(shè)定（例如：在 8 路信號中指定連續(xù)依次捕捉到兩路信號 1 0 00作為三級觸發(fā)狀態(tài)字）。 （ 3）觸發(fā)位置可調(diào)（即可選擇顯示觸發(fā)前、后所保存的邏輯狀態(tài)字?jǐn)?shù)）。 （ 4）其它（如增加存儲深度后分頁顯示等）。 2. 方案論證與選擇 數(shù)字信號發(fā)生器 方案 ? 利用單片機(jī)內(nèi)的定時(shí)器，產(chǎn)生計(jì)數(shù)溢出中斷，從而實(shí)現(xiàn)信號頻率要達(dá)到100Hz 的要求。 ? 當(dāng)改 變撥段開關(guān)的預(yù)設(shè)值后，按下數(shù)字開關(guān)，單片機(jī)會重新讀入 8 位數(shù)據(jù)，并對改變后的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和輸出。 ? 在中斷程序中對信號實(shí)現(xiàn)循環(huán)右移和輸出，每次中斷到來的時(shí)候，單片機(jī)便對輸出端口輸送一組信號。 圖 1 數(shù)字信號發(fā)生器 邏輯分析儀的設(shè)計(jì) 方案一：采用高性能單 CPU 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，比如 32位的 ARM 芯片作為控制系統(tǒng)核心。如果采用此方案，可以很好的解決同時(shí)采樣和控制顯示的功能，但是 ARM系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)試復(fù)雜，在短時(shí)間內(nèi)難以很好的完成設(shè)計(jì)，所以不宜采用此方案。 方案二：針對分析中提出的問題，我們也可以采用兩片普通 51單 片機(jī)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，一片 51 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，存儲；另一片 51 實(shí)現(xiàn)控制示波器實(shí)時(shí)顯示功能，兩片 51 之間采用串行通信來解決數(shù)據(jù)通信問題，這樣的方案可以滿足題目提出的設(shè)計(jì)要求。 方案三：采用大規(guī)模 FPGA 來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng) , 采用 FPGA 來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，一般是使用狀態(tài)機(jī)方式來實(shí)現(xiàn)，即所解決的問題都是規(guī)則的有限狀態(tài)轉(zhuǎn)換問題。分析本題目的要求，可以看出，其中的邏輯控制靈活多變，適合于采用程序控制的 cpu 執(zhí)行方式，如使用 FPGA 來實(shí)現(xiàn)，大部分的資源會消耗用來控制鍵盤和顯示等輔助功能，用在主邏輯控制方面的資源相對比較少。另外，考 慮到邏輯復(fù)雜程度和實(shí)現(xiàn)規(guī)模，可采用芯片大概要到Alter EPF11C50、 Alter EP1C6 等級別的芯片來實(shí)現(xiàn)，但此種規(guī)模 PLD 系統(tǒng)受實(shí)驗(yàn)室條件限制，無法順利開發(fā)，而且其所需元器件和 EPC 配置芯片在本地?zé)o法買到，因而綜合比較后我們淘汰掉本方案。 綜合分析上述各方案，比較其優(yōu)缺點(diǎn)，包括靈活性、可靠性、可擴(kuò)展性和 易操作性，所以選用方案二。 3. 簡易邏輯分析儀方案實(shí)現(xiàn) （ 1） 結(jié)構(gòu)組成： 本分析儀由數(shù)據(jù)采集存儲和控制顯示兩部分構(gòu)成：數(shù)據(jù)采集存儲模塊由信號輸入電路、 89C52 單片機(jī)、小鍵盤和液晶顯示模塊組 成；邏輯狀態(tài)與波形顯示模塊由 D/A變換器（ TLC7226）和 89C52 構(gòu)成。兩模塊之間采用串行通信方式。 結(jié)構(gòu)框圖如下： （ 2） 數(shù)據(jù)采集和存儲部分 此部分對應(yīng)框圖中的 MCU電壓比較器、鍵盤和 LCD 液晶顯示 輸入電路： 八路輸入信號通過電壓比較器 LM339 和 D/A 轉(zhuǎn)換器 TLC7226 提供的基準(zhǔn)電壓作比較后，作為存儲單片的輸入， 8 路信號接入 LM339 同相輸入端，可以獲得較大阻抗。 觸發(fā)和存儲原理： 本部分功能主要依靠 51單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)。 根據(jù)題目要求，對邏輯信號的采集是要依靠觸發(fā)字來觸發(fā)的。觸發(fā)字又分單級 觸發(fā) 字和三級觸發(fā)字兩種，單級觸發(fā)字的預(yù)置依靠小鍵盤輸入實(shí)現(xiàn)。當(dāng)單片機(jī)采集到的狀態(tài)字和用戶所提供的觸發(fā)字 8 位邏輯狀態(tài)完全一致時(shí)，開始一次數(shù)據(jù)采集，連續(xù)采集 24 位，然后存儲到顯示緩沖區(qū)中，這樣每個(gè)顯示通道的存儲深度為 24bit； 對于三級觸發(fā)字方式，設(shè)定從外部采兩位的狀態(tài)，連續(xù)取三次，都和我們設(shè)定的兩位邏輯狀態(tài)一樣的情況下，將進(jìn)入 3級觸發(fā)采集狀態(tài)，開始采集。 采集完 24 位數(shù)據(jù)后，存儲起來。為了同時(shí)顯示 8 路信號，所以數(shù)據(jù)送去顯示前要把采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼裝處理，把采集到的 24 個(gè)字節(jié)排列成適合顯示的8 通道數(shù)據(jù)組合， 每一通道存放從同一輸入端口采集到的 24BIT 信息即組合形 成 8 個(gè)存儲深度為 24BIT 的數(shù)據(jù)顯示通道，這樣就可以把數(shù)據(jù)依次送到示波器上按行掃描顯示。 （ 3） 邏 輯狀態(tài)與波形顯示部分 此部分對應(yīng)框圖中的 MCU D/A轉(zhuǎn)換器和示波器。本部分的主要難點(diǎn)集中在示波器顯 示控制上，我們先對示波器的顯示方法進(jìn)行分析討論： 顯示方法分析： 要能同時(shí)在示波器上看到 8 路信號波形，模擬示波器需要用外接掃描信號方式工作示波器上顯示數(shù)字信號發(fā)生器的 8 路信號和 1 路觸發(fā)點(diǎn)位置標(biāo)識，共需 9 個(gè)通道。同時(shí)顯示這 9 個(gè)通道的信號，需要采用動態(tài)掃描 的方法：借助 9個(gè)不同的基準(zhǔn)電壓，使顯示的 9 路波形分別處在不同的位置上，即把要在示波器上顯示的信號電平 Qi+Vi 偏置電平（ i=0～ 7)加與示波器 Y軸輸入端。 X軸輸入則是由 TLC7226 提供的線性鋸齒波。 顯示的信號電平 Qi+Vi 其疊加效果如下圖的 Y++所示： 具體掃描方式有三種方案可供選擇： （ 1）、按行掃描方式， X 用外觸發(fā)方式，掃描 10 次掃完一屏。Ｘ要外接線性的鋸齒波信號，Ｙ和上述說明中沒有變化。按行掃描送的數(shù)據(jù)是把數(shù)據(jù)采集存儲 24BIT 深度后，把 Q0Q7 的數(shù)據(jù)串行送到示波器，即先送 Q0的 24BIT,再依次送 Q1Q7 的 24BIT,掃完一屏要送 9次（還有時(shí)標(biāo)數(shù)據(jù)）。 時(shí)標(biāo)的掃描方法 ：掃描光標(biāo)是單獨(dú)進(jìn)行的一行掃描。我們在掃描光標(biāo)亮點(diǎn)的時(shí)候，給Ｘ提供一個(gè)小平臺電壓，這樣掃描光點(diǎn)在平臺電壓的持續(xù)時(shí)間內(nèi)水平方向不移動，而與此同一時(shí)間，Ｙ方向上快速掃描，形成一豎直的時(shí)標(biāo)線。這樣 X軸的電壓是帶一個(gè)小平臺的鋸齒波。 （ 2）、按行掃描方式， X 用外觸發(fā)方式，掃描 9 次掃完一屏， X、 Y 接法和方案一一樣。此掃描方法沒有單獨(dú)去實(shí)現(xiàn)時(shí)標(biāo)的顯示掃描，時(shí)標(biāo)的掃描顯示通過將時(shí)標(biāo)分成 9 次顯示分別在各頻道的掃描顯示中打點(diǎn)顯示，由于一屏的 掃描時(shí)間為 (1/25)S,眼睛是覺察不到時(shí)標(biāo)的分段顯示過程的。這樣也可減少一次掃描時(shí)間，提高顯示質(zhì)量，且同樣可以實(shí)現(xiàn)方案二中的豎直時(shí)標(biāo)線，也不至于造成產(chǎn)生小平臺鋸齒波的問題。此方法較簡單，且效果也不錯(cuò)。 （ 3）、按列掃描方式， X 采用外觸發(fā)方式 ,故 X、 Y 接法同方案 2。 具體掃描過程是：按列掃描時(shí)送數(shù)據(jù)的順序是 8 位為一組，即單片機(jī)采集一次的 Q0Q7 共 8BIT 數(shù)據(jù)，掃完一屏需送 24次。掃描第一個(gè)通道的 10 點(diǎn)（即1BIT)結(jié)束后， X 輸入的電平立刻變?yōu)榇?BIT 的起始處的電平值， Y 方向同時(shí)變化一臺階，再掃描第二個(gè)頻 道的 10 點(diǎn)，重復(fù)第一頻道的操作，一直掃描到存儲深度 24（第 0 頁），則掃完一屏。 此方案中 X 端的不規(guī)則鋸齒輸入的提供也是一個(gè)問題，這種方案情況下的時(shí)標(biāo)輸入也是先計(jì)算好位置，在單 BIT 掃描中打點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的。 綜合以上幾種方案的分析比較，我們選用方案 2，此方案靈活簡單，實(shí)現(xiàn)起來相對方便，而且可以達(dá)到較好的效果。 具體硬件實(shí)現(xiàn)： （ 1）、 D/A 轉(zhuǎn)換器： TLC7226 提供的基準(zhǔn)電壓變化范圍大（ 0～ 5V)，可適應(yīng)各種輸入信號的邏輯電平，提高了測量范圍和測量精度。 此輸入電路在本設(shè)計(jì)中，由于信號發(fā)生器輸出 TTL 電平 ，沒有將這一優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)出來。 數(shù)據(jù)顯示模塊用一片 162A 液晶顯示 ,用高四位傳輸數(shù)據(jù)，接法與信號發(fā)生器中一樣。 TLC7266 加示波器顯示模塊 產(chǎn)生周期相同的 X 和 Y 信號，便于波形顯示的同步，且可以顯示較復(fù)雜的波形。但單片機(jī)通過 D/A 轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生波形產(chǎn)生信號波形時(shí)，輸出頻率會受到單片機(jī)本身工作速度的限制（ 12MHZ 晶振主頻時(shí)，機(jī)器周期為 1us)。其次，要有一定的顯示質(zhì)量，在信號的一個(gè)周期內(nèi)取樣點(diǎn)不能太少，這進(jìn)一步限制了信號的頻率。 TLC7226 是高性能 D/A 轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)包含四路 8 位電壓輸出數(shù) /模轉(zhuǎn)換器(DAC)， 每個(gè) DAC 都有分離的片內(nèi)鎖存器，數(shù)據(jù)通過一個(gè)公共的 8 位 TTL/CMOS兼容 (5V)輸入口送入這些數(shù)據(jù)寄存器之一。由 A0 和 A1 決定 /WR 變低時(shí)哪個(gè) DAC被加載。在 /WR 的上升沿，數(shù)據(jù)被鎖存在被尋址的輸入寄存器，只有保存在 DAC寄存器中的數(shù)據(jù)決定轉(zhuǎn)換器的模擬輸出。 由 D/A 轉(zhuǎn)換器 TLC7226 和示波器組成，采用一片 TLC7226 產(chǎn)生三路模擬信號， OUT C 提供基準(zhǔn)電壓，使邏輯信號門限電壓在 0~5V 范圍內(nèi)按 32 級變化；OUT B 提供線性鋸齒波作為示波器 X 方向輸入，用這個(gè)線性增長的電壓作為掃 描電壓控制電子束移動，以 產(chǎn)生示波器上光點(diǎn)的水平移動； OUT A 提供 Y 軸偏置電平以區(qū)分各頻段顯示位置，一共需要 9個(gè)電平以區(qū)分 9 個(gè)頻段的輸出顯示。此 9 個(gè)偏置電平和 T0輸出的信號相迭加，實(shí)現(xiàn) T0 信號在示波器上的的分頻段顯示。 （ 2）、產(chǎn)生和使用門限 單片機(jī)通過對 D/A 設(shè)置不同輸出電壓，得到門限電平從 D/A 轉(zhuǎn)換器輸出到LM339 反相輸入端。 （ 3）、產(chǎn)生 Y軸偏置信號 針對分通道顯示時(shí)，我們注意到并不是簡單的疊加偏置電平就可以的，因?yàn)榀B加到偏置電平上的信號電壓本身可能就很高，超過相鄰偏置電平的變化值，這樣就會發(fā)生相鄰頻道信號甚至多頻道信號波 形的疊加，這樣我們的分頻道實(shí)現(xiàn)多路顯示也就已經(jīng)沒有了任何意義?？紤]到這種情況，我們就需要對信號疊加偏置電壓前進(jìn)行限幅處理，以使各路頻道信號均勻的分布于示波器的屏幕上得以清晰顯示。并且要保證各信號之間要有一定的空白間隔，以區(qū)分顯示 9 個(gè)頻段。針對此方案，我們設(shè)計(jì)了如