基于FPGA的USB2.0虛擬邏輯分析儀

　　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，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，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。可供選擇的時(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，F(xiàn)PGA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Verilog HDL算法源程序如下：
　　if(((dbuf^{TrigWord[1],TrigWord[ 0]}){enbit[1],enbit[0]}) == 8h00)
　　　begin
　　　TrigFlag=2b01; Trigpoint[6:0] = MemABus_Wr[6:0];
　　　 end

　　其中：dbuf為所測(cè)采樣通道的數(shù)據(jù)緩存；TrigWord[0]、TrigWord[1]為觸發(fā)字；enbit[0]、enbit[1]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)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Verilog HDL算法源程序如下：
　　if ((({dbuf4[0],dbuf3[0], dbuf2[0],dbuf1[0]}^ TrigWord [dcount] )enbit[0] ) == 4h0)
　　 begin
　　 if(dcount[2:0]==control[4:2])
　　 begin
　　 TrigFlag=2b01; Trigpoint[6:0] = MemABus_Wr[6:0];
　　dcount=3b000;end
　　dcount = dcount+3b001;
　　end
　　其中，dbuf4、dbuf3、dbuf2、dbuf1分別為采樣通道4、3、2、1的數(shù)據(jù)緩存；TrigWord[dcount]為觸發(fā)字；dcount為觸發(fā)深度計(jì)數(shù)器；control[4:2]為設(shè)定的觸發(fā)
深度；enbit[0]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-UART橋接芯片。該電路內(nèi)置USB2.0全速功能控制器、USB收發(fā)器、晶體振蕩器、EEPROM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)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USART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，TXREG1緩沖器中的數(shù)據(jù)(軟件裝入)就被載入TSR寄存器中，TXREG1緩沖器就為空狀態(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模塊的數(shù)據(jù)傳輸。

　　軟件設(shè)計(jì)

　　FPGA功能實(shí)現(xiàn)程序運(yùn)用硬件描述語言Verilog HDL編寫；PIC單片機(jī)程序用C語言編寫，并采用第三方C語言工具HITECH公司PICC—18編譯器編譯實(shí)現(xiàn)。PC顯示和操作部分運(yùn)用圖形化語言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

　　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)等對(duì)產(chǎn)品數(shù)量要求較多，性能要求中等的單位采用。