逻辑分析仪的设计毕业论文.doc
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1、逻辑分析仪的设计作者姓名: 专业名称:电子信息科学与技术指导教师: 摘要逻辑分析仪用于涉及大量信号或复杂的触发器要求的数字测量,但是以往的独立式逻辑分析仪不仅结构复杂,而且价格昂贵。文章介绍了一种基于单片机的逻辑分析仪,阐述了逻辑分析仪的硬件电路设计和软件设计部分。通过本次设计实践证明该逻辑分析仪不仅结构简单、成本较低,而且具有通道数量多、捕获速度快、性能稳定等特点。本系统的设计电路由8位数字信号发生器电路、数据采集电路、功能控制系统、显示电路四部分构成。8位数字信号发生器电路:由单片机、液晶、按键等元器件组成,可以产生8路循环移位逻辑信号序列,并能设定、调节并显示预置值。数据采集电路:由单片
2、机控制,含有RAM及8位输入电路等,能够采集并存储输入的8位逻辑序列。功能控制系统:它也是由单片机控制,完成设定、显示、调整系统各功能项的任务。显示电路:主要由可编程逻辑器件CPLD和电平移位及扫描电路组成,用于将RAM中的8路逻辑序列取出,将其高速送入示波器稳定显示。关键词:逻辑分析仪 AT89C51 数字信号发生器 示波器AbstractLogic Analyzer used to involve a lot of signal digital measurement requirements or complex triggers, but independent Logic Analy
3、zer in the past not only complicated and expensive. This article describes a kind of logic analysis instrument based on single-chip, in this paper, the logical analyzer design of hardware circuit and the software design part. Through this design practice proves that the logical analyzer is not only
4、simple structure, low cost, and has the number of channels, capture speed, stable performance, and so on. The system design of circuit consists of 8-bit data acquisition circuit for digital signal generator circuit, four part, features, display control system circuit. 8-bit digital signal generator
5、circuit: it is made of single-chip, LCD, press the key components, and so on, can produce 8 cyclic shift logic signal sequences, and can establish, regulate and displays the preset value. Data acquisition circuit: single-chip control, with RAM and 8-bit input circuit, to collect and enter a sequence
6、 of 8-bit logical storage. Function control system: it is also controlled by the single-chip, complete set, displays tasks, adjust all functions of the system. Display circuits: mainly of programmable logic device CPLD and level shifting and scan circuit, used for remove RAM 8 channels in logical se
7、quence, the stability of high-speed into the oscilloscope display.Keywords: logic analyzer, AT89C51, digital waveform generators, oscilloscope目录摘要IAbstractII目录III前言11 概述21.1 逻辑分析仪的作用及地位21.1.1 逻辑分析仪的需求21.1.2 逻辑分析仪介绍31.1.3 逻辑分析仪的应用41.2 逻辑分析仪的发展状况41.3 设计的提出52 系统工作原理62.1 系统组织结构62.2 系统原理框图73 系统硬件设计83.1 硬
8、件器材的选择与应用83.1.1 单片机概述83.1.2 设计采用芯片及其引脚介绍93.2 数字信号发生器模块的实现143.3 信号采集处理电路设计与实现153.4 功能实现模块173.4.1 按键实现电路173.4.2 CPLD显示电路183.4.3 D/A转换电路193.4.4 硬件的抗干扰措施204 系统软件设计214.1 软件主要功能控制214.2 数据采集及显示流程图234.3 中断程序流程图234.4 电路保护流程图245 系统测试275.1 测试仪器275.2 测试方法275.2.1 数字信号发生器的测试275.2.2 系统的测试285.3 误差分析30结论31参考文献33致谢34
9、附录:35前言随着通信技术的的越加技术纯熟,通信技术在半导体器件出现后开始从以前的只对模拟信号进行变换和传输发展为现在的可以将语音和图像信号用数字技术变换成数字信号后,再在线路上进行传输。但是在近十年中由于大规模集成电路技术的发展,生产了大容量的半导体存贮器、移位寄存器,以及广泛应用的微处理器芯片和许多支持芯片。在这些器件以及应用这些器件的电路和系统中采用数据表示信息。这个数据可以是存贮器的地址或该地址单元中所存放的内容,而这个内容可以是程序中某条指令或要操作的数据。这些数据及其控制信号的其中一个特点就是它们都是逻辑信号,可以表示为高电平或低电平,或表示为逻辑“ 1 ” 或逻辑“ 0 ”, 只
10、有这两种状态。数据信号的另一个特点就是它是由几个比特(bit)的逻辑状态来组成一个具体的数据字(word)。在数字通信中它们以串行方式进行传输, 如以五位或七位代码表示一个量值或控制信号。数据信号的第三个特点是逻辑信号往往是随机的,非周期性信号, 甚至是间歇出现的信号。传统的示波器往往比较适合观察周期性的重复出现的模拟信号或脉冲信号。但是对随机的非周期信号是很难稳定同步的。而且在现有示波器中一般只有双踪交替扫描显示, 所以它们不能观察显示多通道的并行逻辑状态。并且示波器是由被测信号的波形电平去触发产生扫描来显示被测信号,它不能捕捉特定的数据字,不能由特定的地址或指令来进行触发, 以便观察显示相
11、应的数据序列。一般示波器的第三个主要缺点是没有数据存贮能力,所以就不能捕捉和保存瞬刻即逝的信号。1 概述1.1 逻辑分析仪的作用及地位1.1.1 逻辑分析仪的需求随着科学技术的发展,不仅网络技术得到了发展,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也得到迅猛发展。现在为解决数字设备、计算机及VLSI 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。在电子器械中主要运用的信息载体主要是二进制数据流,现在除了有频域或时域的测量外,又有新的一类测量把这一类测试统称为数据域(Data Domain)测试,即有关数字系统的测试称为数据域测试。以离散时间或
12、事件出现的次序为自变量,状态值为因变量的函数关系属数据域范畴。具有以下一些特征: (1) 数字信息几乎都是多位传输的。 (2) 数字信息是按时序传递的。 (3) 许多信号仅发生一次。有些信号虽然可以重复发生,但是它们是非周期性的。 (4) 造成系统出错的误码常混在一串正确的数据流中,实际上只有错误已经发生以后才能辨认出来。 (5) 信号的速度变换范围很大(如高速运行的主机和低速的外围设备)。显然,对数字系统的检测不可能象对模拟系统那样。用示波器及一般的电子测量仪器是难以观察和测量数字信息的。以上特点决定了对数字系统基本的检测要求:a、跟踪与分析状态数据流。这是对数字系统进行功能分析所必须的基本
13、测量。跟踪状态流需要利用地址总线,最好同时也能观察数据总线,以便分析总线的全面工作情况。由于有的总线是复用的,因此要求测量时有选择数据的能力。b、为了监视数据线上的数据流,需要设置一个观察参考点,由它来决定需要捕获的对分析有意义的那部分数据。c、分析异步总线时,需要了解各信号状态序列和每个信号在给定状态的持续时间,以便判定系统是否按正确的时序运行。这要求能分析信号状态之间的时间关系。d、来自系统内部或外界的干扰及毛刺常引起硬件出错,这样就需要捕捉干扰或毛刺,并把它们显示出来。1.1.2 逻辑分析仪介绍逻辑分析仪是用来分析数字系统逻辑关系的一种仪器。它属于总线分析仪一类的数据域测试仪器,它主要用
14、于查找总线(或多线)相关性故障。对于数据域的测试,逻辑分析仪是最典型的测试仪器。它一方面是分析数字系统和计算机软、硬件最有力的工具,另一方面它本身又与微计算机紧密结合起来,产生了多种智能逻辑分析仪和个人仪器型的逻辑分析仪插件。有些逻辑分析仪还与计算机开发系统、仿真器、数字电压表和示波器等结合起来,构成完善的仪器系统。有些先进的逻辑分析仪可以同时检测几百路的信号,还拥有灵活多样的触发方式,可以方便的在数据流中选择感兴趣的观测窗口。逻辑分析仪还能观测触发前和触发后的数据流,具有多种便于分析的显示方式。目前逻辑分析仪已成为设计,调试和检测维修复杂数字系统,计算机和微机化产品的最有力工具。逻辑分析仪按
15、其工作特点,可分为两大类:逻辑状态分析仪(Logic State Analyzer,简称LSA)和逻辑定时分析仪(Logic Timing Analyzer,简称LTA)。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。逻辑状态分析仪主要用来监测数字系统的工作程序,并用“0”或“1”来显示被测系统的逻辑状态,以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
16、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。一般采集数据的内部时钟频率应该是被测系统时钟频率的510 倍。因此,从上面的描述可以看出,逻辑定时分析仪与被测系统是异步工作的,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。1.1.3 逻辑分析仪的应用逻辑分析仪是一种数据域测试仪器。逻辑分析仪在计算机、自动测试系统、IC 设计、智能仪器、数据通讯以及自动控制等数字系统中是新产品开发和系统维护必不可少的工具。在软件方面,逻辑分析仪具有很大存储深度的特性,可以用长时间间隔“实时跟踪”方法来找到问题根源,再加上逻辑分析仪具有实时跟踪记录程序的能力
17、而无须停止运行的特性。在软件方面,特别是象冲突、存储器泄漏和栈溢出等这些实时软件问题是很难诊断的,因为它们只有系统在某一速度运行时才出现。逻辑分析仪具有很大存储深度的特性,可以用长时间间隔“实时跟踪”方法来找到问题根源。因而,逻辑分析仪具有实时跟踪记录程序的能力而无须停止运行。在硬件方面,嵌入式硬件设计者在系统开发中试图找出不明显的实时硬件问题是很难的,这些问题包括:逻辑错、逻辑电平违例、噪声超限、串扰、总线竞争、匹配电阻错、时钟漂移、时序超差或违例、建立保持时间违例和毛刺。逻辑分析仪为实时监视、捕捉和分析硬件操作提供了一种解决方法。现在,逻辑分析仪已经成为国际上最通用的电子测量仪器之一。1.
18、2 逻辑分析仪的发展状况逻辑分析仪是一种常见的电子测量仪器,是数字域分析仪器的典型代表,它的主要功能是测量数字电路中的逻辑波形及逻辑关系。目前,它在数字域内解决问题的能力已使它的应用处于与示波器并列的位置。前者用于解决数字域检测问题,后者则用于解决模拟信号的检测问题。逻辑分析技术的发展可以由逻辑分析仪的发展来展示。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1973 年美国HP 公司和Biomation 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。第一代产品速度低、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作出了较大
19、改进,以便适应微机软、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。20世纪80 年代后期,逻辑分析仪变得更加复杂,当然使用起来也就更加困难。今天的逻辑分析仪提供几百个工作在200MHz频率上的通道信号连接就是个现实问题。适配器、夹子和辅助爪钩等多种多样,但是最好的办法的是设计一种廉价的测试夹具,逻辑分析仪直接连接到夹具上,形成可靠和紧凑的接触。1.3 设计的提出随着科学技术的发展,不仅网络技术得到了发展,大规模集成电路、可编程
20、逻辑器件、高速数据信号处理器和计算机技术等高新技术也得到迅猛发展。现在为解决数字设备、计算机及VLSI 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。在电子器械中主要运用的信息载体主要是二进制数据流,现在除了有频域或时域的测量外,又有新的一类测量把这一类测试统称为数据域(Data Domain)测试,即有关数字系统的测试称为数据域测试。以离散时间或事件出现的次序为自变量,状态值为因变量的函数关系属数据域范畴。具有以下一些特征: (1) 数字信息几乎都是多位传输的。 (2) 数字信息是按时序传递的。 (3) 许多信号仅发生一次。有些信号虽然可以重复发生,但是它们是非周期性的
21、。 (4) 造成系统出错的误码常混在一串正确的数据流中,实际上只有错误已经发生以后才能辨认出来。 (5) 信号的速度变换范围很大(如高速运行的主机和低速的外围设备)。显然,对数字系统的检测不可能象对模拟系统那样。用示波器及一般的电子测量仪器是难以观察和测量数字信息的。本设计提出是为了解决仪器的测量问题,本实验主要是以单片机为核心。本设计采用AT89C51单片机控制8路逻辑信号电平采集的简易逻辑分析仪设计。逻辑信号门限电压通过键盘任意设定,信号采集的触发等级、触发条件、触发位置由键盘设定。2 系统工作原理2.1 系统组织结构简易逻辑分析仪系统包括四个部分:(1)8位数字信号发生器(2)数据采集电
22、路(3)功能控制电路(4)显示电路。如图2.1所示。同步信号号数据采集系统功能控制系统信号源同步信号简易逻辑分析仪8位序列8位序列同步信号触发字8位序列显示电路示波 器 8 位数字信号发 生 图2.1系统组织结构图第一部分是8位数字信号发生器。本题要求能产生8路可预置的循环移位逻辑信号序列,输出信号为TTL电平,序列时钟频率为100Hz,并能够重复输出。用单片机AT89C52来完成。第二部分为功能控制系统。此系统实现控制简易逻辑分析仪的某些特殊功能。用单片机AT89C52完成。第三部分数据采集电路的实现也用单片机AT89C52完成数据采集及存储。用单片机来完成8位数字发生器、功能控制系统以及数
23、据采集电路。第四部分显示电路,主要使用示波器显示出结果波形。2.2 系统原理框图根据已确立的各部分电路,选择好主控器件我们根据题目的基本要求和发挥部分的需要,进一步完善各部分电路的具体实现,作出了此分析仪的系统原理框图,如图2.2所示: 图2.2 系统原理方框图 3 系统硬件设计本文的硬件结构主要是由以下几个部分组成的:系统主控模块AT89C51、数字信号发生模块、D/A转换模块、键盘输入模块、CPLD显示模块。3.1 硬件器材的选择与应用3.1.1 单片机概述单片机是一种集成在电路芯片,是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/
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