USB2.0虛擬邏輯分析儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(kāi)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(guò)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(kāi)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(mén)限電壓；采集到的輸入信號(hào)通過(guò)高速比較器與此門(mén)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(kāi)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?？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(lái)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(kāi)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(mǎn)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(mǎn)足用戶(hù)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(kāi)始采樣指令后，F(xiàn)PGA開(kāi)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(mǎn)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]}) == 8'h00)
　begin
　TrigFlag=2'b01; 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(mǎn)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] ) == 4'h0)
 begin
 if(dcount[2:0]==control[4:2])
 begin
 TrigFlag=2'b01; Trigpoint[6:0] <= MemABus_Wr[6:0];
     dcount=3'b000;     end
   dcount = dcount+3'b001;
     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(xiàn)，支持調(diào)制解調(diào)器全功能信號(hào)，無(wú)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