基于FPGA的便攜式邏輯分析儀設(shè)計(jì)

　　摘要 介紹一種16通道便攜式邏輯分析儀，通過FPGA將高速數(shù)據(jù)采樣并緩存，采用USB控制芯片和FPCA協(xié)同控制將數(shù)據(jù)通過USB接口發(fā)送到電腦的上位機(jī)上顯示，簡化了以往邏輯分析儀硬件電路部分，降低了邏輯分析儀的成本且便于攜帶。重點(diǎn)闡述硬件電路部分的設(shè)計(jì)。

　　關(guān)鍵詞 邏輯分析儀;USB接口;FPGA;FIFO傳輸

　　邏輯分析儀是數(shù)字設(shè)計(jì)驗(yàn)證與調(diào)試過程中應(yīng)用廣泛的工具，其能夠檢驗(yàn)數(shù)字電路是否正常工作，并幫助用戶查找并排除故障。每次可捕獲并顯示多個(gè)信號(hào)，分析這些信號(hào)的時(shí)間關(guān)系和邏輯關(guān)系。根據(jù)硬件設(shè)備設(shè)計(jì)上的差異，目前邏輯分析儀大致可分為獨(dú)立式和需結(jié)合電腦的卡式虛擬邏輯分析儀。獨(dú)立式邏輯分析儀性能優(yōu)異，但價(jià)格昂貴，一般用戶較少使用。而本項(xiàng)目所實(shí)現(xiàn)的便攜式邏輯分析儀，以較低的成本提供了相應(yīng)的性能，雖然性能有所下降，但完全可以滿足一般的邏輯信號(hào)分析，并且使成本大幅度下降，儀器體積較小，便于攜帶，適合普通用戶的使用。

　　1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

　　本邏輯分析儀可實(shí)現(xiàn)16通道邏輯分析，輸入信號(hào)可以是模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào);可測量寬范圍輸入電平，支持1.8～5 V電平采樣;采用芯片CY7C68013A作為主控芯片，通過USB 2.0將其與電腦連接傳輸數(shù)據(jù)信息，使用FPGA實(shí)現(xiàn)高采樣速率，每通道都支持12 Mbit·s-1高速采樣;被采樣的信號(hào)按順序存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。采樣信息以“先進(jìn)先出”的原則組織在存儲(chǔ)器中，得到顯示命令后，按照先后順序逐一讀出信息，按設(shè)定的顯示方式進(jìn)行被測量的顯示。這樣就可以在軟件界面觀測到所需要的數(shù)字波形，并可設(shè)置觸發(fā)方式，顯示所需要的波形。

　　本項(xiàng)目采用CY7C68013A作為USB采集主控芯片，利用XC6SLX9作為數(shù)據(jù)通道的選擇器件，選擇輸入到CY7C68013A的數(shù)據(jù)是來源于數(shù)字信號(hào)還是模擬信號(hào)經(jīng)ADC模塊之后的數(shù)字信號(hào)。由于該邏輯分析儀為USB連接，故此在USB連接端口上加入ESD芯片。并在板上增加16 kB的EEPR0M來作為CY7C68013A的程序存儲(chǔ)器。圖1為邏輯分析儀的基本組成框圖。

　　項(xiàng)目所采用的CY7C68013A芯片為低功耗芯片，該芯片內(nèi)核為增強(qiáng)型51核，內(nèi)部有16 kB程序數(shù)據(jù)區(qū)，該芯片的主頻為48 MHz，并且滿足480 Mbit·s-1高速傳輸協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，符合USB2.0規(guī)范，并向下兼容USB1.1規(guī)范，基本能滿足該項(xiàng)目的數(shù)據(jù)要求。

　　XC6SLX9為Xilinx公司生產(chǎn)的Spartan6系列的FPGA，具有9 152個(gè)邏輯單元。Spartan6系列產(chǎn)品基于公認(rèn)的低功耗45 nm、9-金屬銅層、雙柵極氧化層工藝技術(shù)，提供了高級(jí)功耗管理技術(shù)、150 000個(gè)邏輯單元、集成式PCI Express模塊、高級(jí)存儲(chǔ)器支持、250 MHz DSP Slice和3.125Gbit·s-1低功耗收發(fā)器。該項(xiàng)目所選用的芯片為144腳封裝的芯片，所擁有的IO能夠滿足數(shù)據(jù)高速通訊的要求。

　　在USB連接端加入ESD芯片能夠更好的防止靜電干擾，使得該邏輯分析儀使用起來更加安全可靠。

　　2 硬件電路設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括與計(jì)算機(jī)接口部分和數(shù)據(jù)采集部分。通過FPGA完成觸發(fā)設(shè)置，高速捕獲數(shù)據(jù)和緩存的控制，使用CY7C68013A作為USB主控芯片完成與上位機(jī)的通信，將數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)上位機(jī)上，并且接收上位機(jī)發(fā)送回的觸發(fā)控制字及其他控制信息，與FPGA協(xié)同工作。電路分為USB主控模塊，F(xiàn)PGA從控模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)緩存模塊，電源供電模塊這5大模塊。

　　2.1 USB主控模塊

　　USB主控芯片選擇的型號(hào)是CY7C68013A-56PVXC，該芯片集成USB 2.0收發(fā)器、增強(qiáng)型8051微處理器，適用性、外觀和功能均與FX2兼容。具有16 kB片上代碼/數(shù)據(jù)RAM，4個(gè)可編程的BULK/INTERRUPT/ISOCHRONOUS端點(diǎn)，8位或16位外部數(shù)據(jù)接口，且它的可編程接口可與大多數(shù)并行接口直接連接、由可編程波形描述符和配置寄存器定義波形、支持多個(gè)RDY和CTL輸出，該芯片的工作電壓為3.3 V，容限電壓為5 V，集成I2C控制器。

　　USB主控芯片接24 MHz晶振，PB口接收來自于FPGA的FIFO數(shù)據(jù)，15腳和16腳接USB_B型接口的D+和D-，用于向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)接收上位機(jī)控制信息。I2C總線上接一AT24C64(EEPROM)用做USB程序存儲(chǔ)器。其余的引腳用于讀取FPGA的當(dāng)前狀態(tài)和發(fā)送觸發(fā)等信息給FPGA，以確定何時(shí)進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)。

　　2.2 FPGA從控模塊

　　FPGA選用Xilinx Spartan-6系列的XC6SLX9-4TQ144C，接100 MHz的晶振。芯片中設(shè)定的16個(gè)IO引腳接收來自于74ALVC164245的16位三態(tài)總線收發(fā)器的數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA.VS[2：0]三引腳全部拉高，配置為快速讀寫模式，可以提高采樣速率。Spartan-6系列FPGA中，配置模式引腳為M[1：0]，不像Spartan-3系列有3個(gè)配置引腳M[2：0]，這里配置為“10”，即主串模式。此時(shí)INIT_B引腳需要拉高，防止芯片配置完成后又進(jìn)入芯片初始化，DONE引腳也要拉高。配置JTAG接口用于下載程序。其余引腳用于連接兩片4 MB的RAM，用于將采集到的數(shù)據(jù)先緩存進(jìn)RAM中。

　　2.3 數(shù)據(jù)采集模塊

　　數(shù)據(jù)采集芯片采用SN74LVC16245ADGGR，是一個(gè)16位三態(tài)總線收發(fā)器。當(dāng)OE引腳接高電平時(shí)，輸出為高阻態(tài)。當(dāng)OE為低時(shí)，如果DIR引腳為低電平，則數(shù)據(jù)從B口傳向A口，DIR為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)從A口傳向B口。圖中用B口采集外部數(shù)據(jù)，并且外接1MΩ電阻以提高輸入阻抗。因此DIR和OE引腳接上拉電阻，默認(rèn)上電從A到B輸出無效。

　　2.4 數(shù)據(jù)緩存模塊

　　擴(kuò)展RAM芯片采用的是256×16 kbit高速異步CMOS靜態(tài)RAM芯片IS61LV25616。直接將nCE，nLB，nUB這3個(gè)引腳接CND，可以方便讀寫數(shù)據(jù)。讀寫控制信號(hào)nOE和nWE與FPGA相連，用于控制將外部采集數(shù)據(jù)讀入RAM緩存或?qū)?shù)據(jù)讀出通過USB控制芯片傳送到上位機(jī)中。其控制邏輯為：nWE為高，nOE為低時(shí)，從RAM中讀出數(shù)據(jù);nWE為低時(shí)，寫入數(shù)據(jù)到RAM中。

　　2.5 電源供電模塊

　　供電芯片選擇的是LM1117系列穩(wěn)壓芯片，有3.3 V和1.2 V。電源輸入采用的是耳機(jī)式插孔電源，輸入為5 V，1 A。如果用USB供電，由于USB最大輸出電流為500 mA，因此在高速采樣時(shí)可能電流不夠，因此選用外接電源。

　　3 邏輯分析儀的設(shè)計(jì)驗(yàn)證

　　邏輯分析儀的上位機(jī)軟件采用Saleae Logic1.1.16。裝上軟件和驅(qū)動(dòng)之后，還要給USB主控芯片CY7C68013A燒寫固件程序，Saleae提供了一個(gè)iic文件，用于和Saleae Logic上位機(jī)軟件進(jìn)行通信。FPGA的邏輯代碼包括USB協(xié)同控制部分，SRAM緩存部分，觸發(fā)設(shè)置選擇部分，F(xiàn)IFO數(shù)據(jù)采集部分，綜合編譯后生成bit文件，用Xilinx Impact軟件燒寫進(jìn)FPGA的Flash中，F(xiàn)PGA就可以自動(dòng)完成上電配置過程，無需再下載。圖2為測試截圖。可以看出，軟件左上端可以選擇采樣速率和深度，左端可以進(jìn)行觸發(fā)設(shè)置，設(shè)置好后，點(diǎn)擊Start后就可以采集數(shù)據(jù)，右端可以顯示詳細(xì)的測量信息。

　　4 結(jié)束語

　　設(shè)計(jì)的便攜式邏輯分析儀成本低廉，可以實(shí)現(xiàn)16通道的數(shù)據(jù)采樣，觸發(fā)設(shè)置?？梢詫?shí)現(xiàn)3通道90 MHz最高采樣率，6通道50 MHz最高采樣率，9通道30MHz最高采樣率以及16通道12 MHz最高采樣率。軟件操作界面簡單易懂，容易上手使用，可以滿足一般的科研和教學(xué)的要求。