作者：北京北方交通大學(xué)計算機(jī)科學(xué)工程系(100044) 王春花 黃厚寬 北京理工大學(xué)asic研究所(100081) 馬 聰 來 源：《電子技術(shù)應(yīng)用 》

一種基于fpga技術(shù)的虛擬邏輯分析儀的研究與實現(xiàn)

摘 要： 邏輯分析儀的現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢及研制虛擬邏輯分析儀的必要性，論述了基于fpga技術(shù)的虛擬邏輯分析儀的設(shè)計方案及具體實現(xiàn)方法，介紹了其中控制器的設(shè)計原理。將先進(jìn)的fpga技術(shù)引入硬制版的設(shè)計中，為研制pc虛擬儀器提出了一種新思路；充分利用硬件軟化的思想，將儀器的諸多功能集成在軟件中實現(xiàn)，利用面向?qū)ο蟆⒋翱诘燃夹g(shù)，實現(xiàn)了靈活、通用的虛擬儀器面板功能。

關(guān)鍵詞： 虛擬儀器　虛擬邏輯分析儀（fvla）現(xiàn)場可編程門陣列（fpga）面向?qū)ο蠹夹g(shù) 控制器

電子技術(shù)的迅速發(fā)展從客觀上要求測試儀器向自動化及柔性化方向發(fā)展，基于微計算機(jī)的虛擬測試儀器的出現(xiàn)和廣泛使用，將對測試儀器產(chǎn)生極為深刻的影響[１]。虛擬儀器是指具有虛擬儀器面板的個人計算機(jī)儀器。操作人員通過友好的圖形界面及圖形化編程語言控制儀器的運(yùn)行，完成對被測試量的采集、分析、判斷、顯示、存儲及數(shù)據(jù)生成。虛擬儀器的發(fā)展依賴計算機(jī)技術(shù)，可以肯定：隨著微計算機(jī)的發(fā)展，虛擬儀器將會逐步取代傳統(tǒng)的測試儀器而成為測試儀器的主流。軟件技術(shù)、i/o總線的發(fā)展及標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程、dsp、可編程邏輯器件技術(shù)的發(fā)展都使這一趨勢成為可能。

邏輯分析儀（logic analyzer簡稱la)也稱邏輯示波器，主要用于分析數(shù)字系統(tǒng)的邏輯關(guān)系，有效地解決越來越復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)的檢測和故障診斷問題，是數(shù)據(jù)域測試儀器中最有用、最有代表性的一種儀器[２]。邏輯分析儀與個人計算機(jī)相結(jié)合即虛擬邏輯分析儀是近年來的一個新的發(fā)展方向，兩者的結(jié)合擴(kuò)展了邏輯分析儀的分析和計算能力，降低了成本，而且使儀器的通用性增強(qiáng)，在這種情況下，邏輯分析儀作為微計算機(jī)的外設(shè)，不再是獨立的完整儀器了，在邏輯分析儀中占有很大比重的控制電路、顯示電路、指示電路等功能全部由微計算機(jī)完成。虛擬邏輯分析儀ｌａ與pc相結(jié)合具有許多優(yōu)勢：性能提高、成本降低、使用簡便和功能易于擴(kuò)展等[２]，特別是高性能價格比，決定了la與微機(jī)相結(jié)合的技術(shù)方案有著廣闊的前景。

　　國際上虛擬儀器發(fā)展十分迅速，而國內(nèi)基本處于起步階段。就目前來說，我國的許多科研單位、大學(xué)、生產(chǎn)部門依舊是傳統(tǒng)的測試儀器占據(jù)主導(dǎo)地位，微計算機(jī)與測試儀器基本上還處于互不相關(guān)的狀態(tài)，這大大地影響了我國電子行業(yè)的發(fā)展。研究pc虛擬儀器是我們的當(dāng)務(wù)之急，尤其是在數(shù)據(jù)域測試中占核心地位的邏輯分析儀。實踐證明，pc虛擬儀器在技術(shù)上是可行的，也是十分適合中國國情的，具有極其光明的前途。

因此我們開展了虛擬儀器方面的研究工作，進(jìn)行了虛擬儀器及其相關(guān)技術(shù)的研究，并研制開發(fā)了新一代虛擬儀器——一種基于fpga技術(shù)的虛擬邏輯分析儀（visual logic analyzer簡稱fvla）。它是微機(jī)系統(tǒng)及數(shù)字電路設(shè)計、偵錯、軟件開發(fā)和仿真的理想儀器。

１ 虛擬邏輯分析儀(fvla)的總體設(shè)計方案

我們主要針對國內(nèi)需求，著重從性能價格比和實用的角度出發(fā)，利用微機(jī)現(xiàn)有的軟、硬資源，與微機(jī)相結(jié)合開發(fā)研制虛擬邏輯分析儀(fvla)。它是新型的數(shù)據(jù)域分析儀器，除具有傳統(tǒng)邏輯分析儀的一般功能外，還具有激勵信號發(fā)生功能、智能化輔助分析功能及全中文交互式的圖形用戶界面等性能。利用硬件軟化的思想，將fvla的采樣部分即具有數(shù)據(jù)獲取能力的部分做成微機(jī)擴(kuò)展插卡，其它諸部分：控制、顯示等利用微機(jī)的軟件技術(shù)實現(xiàn)。

從實用性、研制周期、性能價格比等角度考慮，fvla的研制分兩個版本，第一版完成基本邏輯分析儀功能及第二版帶激勵的邏輯分析儀功能。fvla中占很大比重的控制電路、顯示電路、指示電路等功能全部由微計算機(jī)完成，其中顯示電路由監(jiān)視器代替，而控制電路等由軟件實現(xiàn)。利用面向?qū)ο蠹夹g(shù)及windows消息機(jī)制結(jié)合vixual c++mfc 4.21類庫完成fvla控制軟件的設(shè)計及實現(xiàn)，將復(fù)雜、繁瑣的虛擬邏輯分析儀控制面板諸多功能，集成在fvla主控gui中實現(xiàn)，并提供智能化的輔助分析和特征分析功能。

fpga是現(xiàn)場可編程門陣列field programmable gate array，簡稱fpga。fpga器件及其開發(fā)系統(tǒng)是開發(fā)大規(guī)模數(shù)字集成電路的新技術(shù)，它將現(xiàn)代vlsi邏輯集成的優(yōu)點和可編程器件設(shè)計靈活，制作及上市快速的長處相結(jié)合，使設(shè)計者在fpga開發(fā)系統(tǒng)軟件的支持下，現(xiàn)場直接根據(jù)系統(tǒng)要求定義和修改其邏輯功能，使一個 作者：北京北方交通大學(xué)計算機(jī)科學(xué)工程系(100044) 王春花 黃厚寬 北京理工大學(xué)asic研究所(100081) 馬 聰 來 源：《電子技術(shù)應(yīng)用 》

一種基于fpga技術(shù)的虛擬邏輯分析儀的研究與實現(xiàn)

摘 要： 邏輯分析儀的現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢及研制虛擬邏輯分析儀的必要性，論述了基于fpga技術(shù)的虛擬邏輯分析儀的設(shè)計方案及具體實現(xiàn)方法，介紹了其中控制器的設(shè)計原理。將先進(jìn)的fpga技術(shù)引入硬制版的設(shè)計中，為研制pc虛擬儀器提出了一種新思路；充分利用硬件軟化的思想，將儀器的諸多功能集成在軟件中實現(xiàn)，利用面向?qū)ο蟆⒋翱诘燃夹g(shù)，實現(xiàn)了靈活、通用的虛擬儀器面板功能。

關(guān)鍵詞： 虛擬儀器　虛擬邏輯分析儀（fvla）現(xiàn)場可編程門陣列（fpga）面向?qū)ο蠹夹g(shù) 控制器

電子技術(shù)的迅速發(fā)展從客觀上要求測試儀器向自動化及柔性化方向發(fā)展，基于微計算機(jī)的虛擬測試儀器的出現(xiàn)和廣泛使用，將對測試儀器產(chǎn)生極為深刻的影響[１]。虛擬儀器是指具有虛擬儀器面板的個人計算機(jī)儀器。操作人員通過友好的圖形界面及圖形化編程語言控制儀器的運(yùn)行，完成對被測試量的采集、分析、判斷、顯示、存儲及數(shù)據(jù)生成。虛擬儀器的發(fā)展依賴計算機(jī)技術(shù)，可以肯定：隨著微計算機(jī)的發(fā)展，虛擬儀器將會逐步取代傳統(tǒng)的測試儀器而成為測試儀器的主流。軟件技術(shù)、i/o總線的發(fā)展及標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程、dsp、可編程邏輯器件技術(shù)的發(fā)展都使這一趨勢成為可能。

邏輯分析儀（logic analyzer簡稱la)也稱邏輯示波器，主要用于分析數(shù)字系統(tǒng)的邏輯關(guān)系，有效地解決越來越復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)的檢測和故障診斷問題，是數(shù)據(jù)域測試儀器中最有用、最有代表性的一種儀器[２]。邏輯分析儀與個人計算機(jī)相結(jié)合即虛擬邏輯分析儀是近年來的一個新的發(fā)展方向，兩者的結(jié)合擴(kuò)展了邏輯分析儀的分析和計算能力，降低了成本，而且使儀器的通用性增強(qiáng)，在這種情況下，邏輯分析儀作為微計算機(jī)的外設(shè)，不再是獨立的完整儀器了，在邏輯分析儀中占有很大比重的控制電路、顯示電路、指示電路等功能全部由微計算機(jī)完成。虛擬邏輯分析儀ｌａ與pc相結(jié)合具有許多優(yōu)勢：性能提高、成本降低、使用簡便和功能易于擴(kuò)展等[２]，特別是高性能價格比，決定了la與微機(jī)相結(jié)合的技術(shù)方案有著廣闊的前景。

　　國際上虛擬儀器發(fā)展十分迅速，而國內(nèi)基本處于起步階段。就目前來說，我國的許多科研單位、大學(xué)、生產(chǎn)部門依舊是傳統(tǒng)的測試儀器占據(jù)主導(dǎo)地位，微計算機(jī)與測試儀器基本上還處于互不相關(guān)的狀態(tài)，這大大地影響了我國電子行業(yè)的發(fā)展。研究pc虛擬儀器是我們的當(dāng)務(wù)之急，尤其是在數(shù)據(jù)域測試中占核心地位的邏輯分析儀。實踐證明，pc虛擬儀器在技術(shù)上是可行的，也是十分適合中國國情的，具有極其光明的前途。

因此我們開展了虛擬儀器方面的研究工作，進(jìn)行了虛擬儀器及其相關(guān)技術(shù)的研究，并研制開發(fā)了新一代虛擬儀器——一種基于fpga技術(shù)的虛擬邏輯分析儀（visual logic analyzer簡稱fvla）。它是微機(jī)系統(tǒng)及數(shù)字電路設(shè)計、偵錯、軟件開發(fā)和仿真的理想儀器。

１ 虛擬邏輯分析儀(fvla)的總體設(shè)計方案

我們主要針對國內(nèi)需求，著重從性能價格比和實用的角度出發(fā)，利用微機(jī)現(xiàn)有的軟、硬資源，與微機(jī)相結(jié)合開發(fā)研制虛擬邏輯分析儀(fvla)。它是新型的數(shù)據(jù)域分析儀器，除具有傳統(tǒng)邏輯分析儀的一般功能外，還具有激勵信號發(fā)生功能、智能化輔助分析功能及全中文交互式的圖形用戶界面等性能。利用硬件軟化的思想，將fvla的采樣部分即具有數(shù)據(jù)獲取能力的部分做成微機(jī)擴(kuò)展插卡，其它諸部分：控制、顯示等利用微機(jī)的軟件技術(shù)實現(xiàn)。

從實用性、研制周期、性能價格比等角度考慮，fvla的研制分兩個版本，第一版完成基本邏輯分析儀功能及第二版帶激勵的邏輯分析儀功能。fvla中占很大比重的控制電路、顯示電路、指示電路等功能全部由微計算機(jī)完成，其中顯示電路由監(jiān)視器代替，而控制電路等由軟件實現(xiàn)。利用面向?qū)ο蠹夹g(shù)及windows消息機(jī)制結(jié)合vixual c++mfc 4.21類庫完成fvla控制軟件的設(shè)計及實現(xiàn)，將復(fù)雜、繁瑣的虛擬邏輯分析儀控制面板諸多功能，集成在fvla主控gui中實現(xiàn)，并提供智能化的輔助分析和特征分析功能。

fpga是現(xiàn)場可編程門陣列field programmable gate array，簡稱fpga。fpga器件及其開發(fā)系統(tǒng)是開發(fā)大規(guī)模數(shù)字集成電路的新技術(shù)，它將現(xiàn)代vlsi邏輯集成的優(yōu)點和可編程器件設(shè)計靈活，制作及上市快速的長處相結(jié)合，使設(shè)計者在fpga開發(fā)系統(tǒng)軟件的支持下，現(xiàn)場直接根據(jù)系統(tǒng)要求定義和修改其邏輯功能，使一個