來源：電子產(chǎn)品世界 作者：四川大學(xué) 電子信息學(xué)院 電路與系統(tǒng)專業(yè) 唐海洋等

    摘　要：本文介紹了一種基于fpga的usb2.0高速、低成本的虛擬邏輯分析儀的設(shè)計(jì)原理與實(shí)現(xiàn)方法。重點(diǎn)介紹了邏輯分析儀的觸發(fā)方式設(shè)計(jì)以及利用cp2102芯片構(gòu)建usb接口、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與pc通信的方法。

    關(guān)鍵詞：虛擬邏輯分析儀；fpga；觸發(fā)設(shè)計(jì)；usb2.0；cp2102

    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ep1c3進(jìn)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fpga發(fā)送觸發(fā)字信息、數(shù)據(jù)采集控制信息和開啟數(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)出的開啟數(shù)據(jù)采集信號(hào)后，fpga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將緩存中存儲(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，fpga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)字和開始采樣指令后，fpga開始采樣并立即產(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)，為了操作的靈活性，還加入了