USB0虛擬邏輯分析儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、USB2.0虛擬邏輯分析儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)引言 傳統(tǒng)的邏輯分析儀體積龐大、價(jià)格昂貴、通道數(shù)目有限，并且在數(shù)據(jù) 采集、傳輸、存儲(chǔ)、顯示等方面存在諸多限制，在很大程度上影響了其在實(shí)際 中的應(yīng)用。選用高性能的FPGA芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，充分利用 PC的強(qiáng)大處理功 能，配合 LabView 圖形化語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的虛擬邏輯分析儀，其數(shù)據(jù)處理和傳輸速率 大大提高，適用性極大增強(qiáng)，其顯示、操作界面和低廉的成本較之傳統(tǒng)的邏輯 分析儀具有極大的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展前景。工作原理 本設(shè)計(jì)選引言傳統(tǒng)的邏輯分析儀體積龐大、價(jià)格昂貴、通道數(shù)目有限，并且在數(shù)據(jù)采集、傳 輸、存儲(chǔ)、顯示等方面存在諸多限制，在很大程度上影響了其在實(shí)際中的應(yīng) 用。選

2、用高性能的FPGA芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，充分利用 PC的強(qiáng)大處理功能，配 合 LabView 圖形化語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的虛擬邏輯分析儀，其數(shù)據(jù)處理和傳輸速率大大提 高，適用性極大增強(qiáng)，其顯示、操作界面和低廉的成本較之傳統(tǒng)的邏輯分析儀 具有極大的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展前景。工作原理本設(shè)計(jì)選用Altera公司的Cyclone系列FPGA器件EP1C31行數(shù)據(jù)采集和處 理，外接SRAM用于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。系統(tǒng)通過(guò)高性能的 PIC單片機(jī)PIC18F6620 完成與PC的通信，接收PC發(fā)出的觸發(fā)、配置信息并控制系統(tǒng)將采集處理后的 數(shù)據(jù)上傳至PC顯示。單片機(jī)與PC的接口利用符合USB2.0規(guī)范的接口芯片 CP2102實(shí)現(xiàn)。首先，PC向

3、FPGA發(fā)送觸發(fā)字信息、數(shù)據(jù)采集控制信息和開(kāi)啟數(shù)據(jù)采集信號(hào)； 單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)至外接DAC產(chǎn)生門限電壓；采集到的輸入信號(hào)通過(guò)高速比較器 與此門限電壓進(jìn)行比較，以確定其值為 0或1。接收到PC發(fā)出的開(kāi)啟數(shù)據(jù)采集 信號(hào)后，F(xiàn)PGA按設(shè)定的工作方式采集數(shù)據(jù)，各通道數(shù)據(jù)移位輸入 FPGA內(nèi)部緩 存并存入外部SRAM FPGA各緩存中存儲(chǔ)的采集數(shù)據(jù)與設(shè)定的觸發(fā)字、觸發(fā)方式 和屏蔽位進(jìn)行比較。一旦符合觸發(fā)條件，則設(shè)置觸發(fā)標(biāo)志，記錄觸發(fā)位置。當(dāng) 數(shù)據(jù)采集至設(shè)定的點(diǎn)數(shù)后，F(xiàn)PGA向PC發(fā)送采集完成信號(hào)。上位機(jī)接收到此信 號(hào)后，發(fā)送讀取數(shù)據(jù)命令，系統(tǒng)讀回采集數(shù)據(jù)并在 PC屏上顯示。系統(tǒng)功能框圖 如圖 1 所示。圖

4、 1 系統(tǒng)功能框圖系統(tǒng)觸發(fā)模塊設(shè)計(jì)觸發(fā)模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，主要包括采樣時(shí)鐘選擇模塊、觸發(fā)電平設(shè)置 和觸發(fā)電路三個(gè)部分。采樣時(shí)鐘選擇模塊 時(shí)鐘選擇模塊用于選擇采樣頻率?？晒┻x擇的時(shí)鐘源包括：外部時(shí)鐘 （ 由有源晶 振提供）、單片機(jī)PWM模塊產(chǎn)生的PWM時(shí)鐘、外部時(shí)鐘輸入（由額外的設(shè)備提 供）、以第N路數(shù)字信號(hào)輸入作為采樣時(shí)鐘。觸發(fā)電平設(shè)置 觸發(fā)電平用來(lái)確定系統(tǒng)正確識(shí)別采樣信號(hào)的高低電平。該模塊由串行數(shù)模轉(zhuǎn)換器TLC5615和高速比較器LT1721構(gòu)成。采樣開(kāi)始前，單片機(jī)向 DAC發(fā)送觸發(fā)電 平數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換后的電平信號(hào)（范圍從0+5V）送入高速比較器。觸發(fā)電路 觸發(fā)電路的作用是判斷采樣信號(hào)是否

5、滿足觸發(fā)條件，并分別產(chǎn)生觸發(fā)動(dòng)作。當(dāng) 采集的信號(hào)滿足用戶設(shè)置的觸發(fā)條件時(shí)，系統(tǒng)記錄觸發(fā)位置并產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)通 知上位機(jī)讀取、顯示采樣數(shù)據(jù)。本次設(shè)計(jì)的觸發(fā)電路具有三種可選的觸發(fā)模 式：立即觸發(fā)、順序觸發(fā)和并行觸發(fā)。立即觸發(fā)當(dāng)上位機(jī)向FPGA發(fā)出立即觸發(fā)觸發(fā)字和開(kāi)始采樣指令后，F(xiàn)PG朋始采樣并立 即產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)。采樣電路將采集到的信號(hào)存入外部的SRAM中，直至采集到規(guī)定的點(diǎn)數(shù)后停止采樣，向上位機(jī)發(fā)出采樣結(jié)束信號(hào)，通知其讀取采樣數(shù)據(jù)。此 方式下讀回的觸發(fā)點(diǎn)位置為 0。順序觸發(fā)該方式設(shè)置了一個(gè) 8 位的序列觸發(fā)，只有當(dāng)被測(cè)通道的信號(hào)按依次滿足觸發(fā)字 所設(shè)定的 8 位序列時(shí)，才產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)。同時(shí)，為了操作

6、的靈活性，還加入了 屏蔽位。若對(duì)某一位的數(shù)據(jù)不敏感，可以將其對(duì)應(yīng)的屏蔽位設(shè)置為0，在判斷觸發(fā)條件時(shí)不對(duì)該位進(jìn)行檢測(cè)。使用順序觸發(fā)方式，可以對(duì)任意一個(gè)通道選擇最多 8 位長(zhǎng)度的序列進(jìn)行觸發(fā)。 在進(jìn)行觸發(fā)設(shè)置時(shí)，除設(shè)置觸發(fā)方式 （選擇順序觸發(fā) ）和進(jìn)行采樣頻率選擇以 外，還需要進(jìn)行通道選擇、觸發(fā)字和屏蔽位設(shè)置。其 VerilogHDL算法源程序如下：if(dbufATrigWord1,TrigWord0)beginTrigFlag=2'b01; Trigpoint6:0 end0)&enbit1,enbit0)<= MemABus_Wr6:0;= 8'h0其中： db

7、uf 為所測(cè)采樣通道的數(shù)據(jù)緩存； TrigWord0 、TrigWord1 為觸發(fā) 字； enbit0 、 enbit1 為屏蔽字； Trigpoint 為觸發(fā)位置寄存器。并行觸發(fā)該方式設(shè)置了一個(gè)八級(jí)深度的并行觸發(fā)，將每次采樣得到的 4 個(gè)通道的數(shù)據(jù)組 合為一個(gè)十六進(jìn)制數(shù)，對(duì)應(yīng)于一個(gè) 4 位的觸發(fā)字，當(dāng) 4 個(gè)通道的數(shù)據(jù)在時(shí)間上 依次滿足 8個(gè)4 位的觸發(fā)字時(shí) （并非要求連續(xù) ） ，產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)。同樣，可以使 用屏蔽位對(duì)某一通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行屏蔽，即在進(jìn)行并行觸發(fā)檢測(cè)時(shí)，不對(duì)該路通 道進(jìn)行檢測(cè)。使用并行觸發(fā)方式，可以選擇最多八級(jí)的并行觸發(fā)。在進(jìn)行觸發(fā)設(shè)置時(shí)，除設(shè) 置觸發(fā)方式 （選擇并行觸發(fā) ）和進(jìn)

8、行頻率選擇以外，還需要進(jìn)行觸發(fā)字、屏蔽位 和并行深度的設(shè)置。其 VerilogHDL算法源程序如下：if (dbuf40,dbuf30,dbuf20,dbuf10F TrigWord dcou nt)&enbit0 ) = 4'h0)begin if(dcount2:0=control4:2) beginTrigFlag=2'b01; Trigpoint6:0 <= MemABus_Wr6:0; dcount=3'b000;enddcount = dcount+3'b001;end其中，dbuf4、dbuf3、dbuf2、dbuf1分別為采樣通道4

9、、3、2、1的數(shù)據(jù)緩 存； TrigWorddcount 為觸發(fā)字； dcount 為觸發(fā)深度計(jì)數(shù)器； control4:2 為 設(shè)定的觸發(fā)深度； enbit0 為屏敝字； Trigpoint 為觸發(fā)位置寄存器。USB2.0接口設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)選用符合USB2.0規(guī)范的CP2102芯片構(gòu)建系統(tǒng)與PC的通信接口CP2102是USB-UAR橋接芯片。該電路內(nèi)置USB2.0全速功能控制器、USB攵發(fā) 器、晶體振蕩器、EEPRO及異步串行數(shù)據(jù)總線，支持調(diào)制解調(diào)器全功能信號(hào)， 無(wú)需任何外部的USB器件。其功能強(qiáng)大，采用 MLP-28封裝，尺寸僅為 5mM 5mm占用空間非常小，非常適合大數(shù)據(jù)量處理與傳輸電路系

10、統(tǒng)的設(shè)計(jì)與 應(yīng)用。實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)只需使用 CP2102基本的輸入/輸出數(shù)據(jù)線與復(fù)位信號(hào)線。其 接口原理如圖 2 所示。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)， 單片機(jī)RB1端口發(fā)送一低電平至CP2102復(fù)位端，芯片復(fù)位，然 后保持復(fù)位端高電平，CP2102正常工作。圖2 USB2.0接口電路圖由于CP2102內(nèi)部的透明設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)通信時(shí)，可以不必構(gòu)建 CP2102與單片機(jī)的 握手信號(hào)；CP2102數(shù)據(jù)線直接與單片機(jī)1 # USART模塊的接收移位寄存器（RSR） 和發(fā)送移位寄存器（TSR）相連。CP2102數(shù)據(jù)線上一旦出現(xiàn)待發(fā)送的數(shù)據(jù)，該數(shù) 據(jù)會(huì)自動(dòng)移入單片機(jī)接收移位寄存器；同樣，單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送移位寄 存器中的數(shù)

11、據(jù)直接移至CP2102的數(shù)據(jù)線（即USB接口數(shù)據(jù)線）上。程序設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)不斷檢測(cè)單片機(jī)接收中斷標(biāo)志位RCIF1, 一旦USAR異步接收器的移位寄存器RSR接收到CP2102數(shù)據(jù)線上發(fā)送的停止位，RSR寄存器就將 已接收的8位數(shù)據(jù)裝載到接收寄存器（RCREG1中。系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，前次裝入 發(fā)送緩沖器（TXREG1的數(shù)據(jù)的停止位P發(fā)送出去后，TXREG援沖器中的數(shù)據(jù) （軟件裝入）就被載入TSR寄存器中，TXREG援沖器就為空狀態(tài)，同時(shí)發(fā)送中斷 標(biāo)志位TXIF被置1。TSR將待發(fā)送數(shù)據(jù)逐位移至CP2102數(shù)據(jù)線，完成系統(tǒng)與 CP2102 USB莫塊的數(shù)據(jù)傳輸。軟件設(shè)計(jì)FPGA功能實(shí)現(xiàn)程序運(yùn)用硬件描述

12、語(yǔ)言 VerilogHDL編寫；PIC單片機(jī)程序用C語(yǔ)言編寫，并采用第三方 C語(yǔ)言工具HITECH公司PICC18編譯器編譯實(shí)現(xiàn)。PC顯示和操作部分運(yùn)用圖形化語(yǔ)言 LabView7.1編寫，其前面板如圖3所示。圖 3 系統(tǒng)面板實(shí)驗(yàn)操作采用 LabView7.1 開(kāi)發(fā)的虛擬操作平臺(tái)，可以方便實(shí)現(xiàn)儀器的操作控制。實(shí)驗(yàn)開(kāi) 始前，首先選擇通信端口，建立 PC與本系統(tǒng)的通信；設(shè)置觸發(fā)電平，設(shè)置采樣 頻率 （ 外部、內(nèi)部或其他 ） 、觸發(fā)方式、觸發(fā)字、屏蔽字并點(diǎn)擊“發(fā)送觸發(fā)命 令”按鈕，完成相關(guān)設(shè)置，開(kāi)啟數(shù)據(jù)采集和觸發(fā)進(jìn)程。點(diǎn)擊“讀取采樣數(shù)據(jù)” 可讀出采集到的數(shù)據(jù)，并在 PC上顯示。結(jié)語(yǔ) 在綜合考慮應(yīng)用需要和成本的前提下，本設(shè)計(jì)采用 4 個(gè)高速采樣通道，最高可 達(dá)75MHz采樣率，存儲(chǔ)深度達(dá)512KB最多可采集220個(gè)測(cè)試點(diǎn)。觸發(fā)電平由 10位串行數(shù)模轉(zhuǎn)換器TLC5615產(chǎn)生，電平誤差小于5mV高速USB2.0通信接口 配合LabView7.1開(kāi)發(fā)的虛擬操作平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在 PC上的實(shí)時(shí)顯示。本設(shè) 計(jì)的成本還不到市場(chǎng)上同性能產(chǎn)品的 1/2，更適用于教學(xué)