基于單片機的簡易邏輯分析儀

李少雄 宋超俊 劉博 張帥 劉藝

摘? 要：信息時代是數(shù)字化的時代，數(shù)字技術的高速發(fā)展，出現(xiàn)了以高性能計算機為核心的數(shù)字通信、數(shù)字測量的數(shù)字系統(tǒng)。在研究這些數(shù)字系統(tǒng)產(chǎn)品的應用性能的同時也必須研究在設計、生產(chǎn)和維修他們的過程中，如何驗證數(shù)字電路設計的合理性、如何協(xié)調(diào)硬件及其驅動應用軟件的工作、如何測量其技術指標以及如何評價其性能。邏輯分析儀的出現(xiàn)，為解決這些問題提供了可能。

關鍵詞：單片機;簡易邏輯分析儀

1. 系統(tǒng)的特點

邏輯分析儀也稱邏輯示波器，它是用來分析數(shù)字系統(tǒng)邏輯關系的一種儀器。邏輯分析儀的主要作用有二個：一是用于觀察的形式顯示出數(shù)字系統(tǒng)的運行情況，相當于擴展了人們的視野，起一個邏輯顯示器的作用;二是對系統(tǒng)運行進行分析和故障診斷。

一般的邏輯分析儀是由數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)顯示兩大部分組成的。前者捕獲并存儲所要觀察分析的數(shù)據(jù)，后者用多種形式顯示這些數(shù)據(jù)。在這里，關鍵是觸發(fā).它的作用是在被分析的數(shù)據(jù)流中按索特定的數(shù)據(jù)字。一旦發(fā)現(xiàn)這個數(shù)據(jù)字，便產(chǎn)生觸發(fā)信號去控制和存儲有效數(shù)據(jù)。因此，它決定了觀察的數(shù)據(jù)窗口在數(shù)據(jù)流中的位置。

2.系統(tǒng)的功能

本系統(tǒng)實現(xiàn)的功能是：

（1）能產(chǎn)生8路可預置的循環(huán)移位邏輯信號序列，輸出信號為TTL電平，序列時鐘頻率為100Hz，并能夠重復輸出。

（2）單次觸發(fā)采集存儲顯示，單次觸發(fā)方式是指在滿足觸發(fā)條件后，能對被測信號進行一次采集、存儲。之后輸出通過DAC轉化為模擬電壓后輸出，在示波器上顯示出8路信號，并能顯示觸發(fā)位置。

（3）任意兩通道三級觸發(fā)存儲顯示，由鍵盤輸入8路中任意2通道的通道號及3級觸發(fā)字，當指定通道的觸發(fā)字連續(xù)依次滿足時，能對被測信號進行一次采集，存儲，送DAC后輸出顯示。同時在屏幕上標記出3級觸發(fā)字的位置。

（4）顯示觸發(fā)字的位置，可以在模擬示波器顯示屏上對觸發(fā)字進行標記。

（5）顯示可以移動的光標，可以通過鍵盤的加、減控制光標在水平方向的坐標。

（6）翻頁顯示，可以用鍵盤控制翻頁顯示，每隔32bit為一頁的內(nèi)容，擴展了存儲深度。

2.1主體控制模塊

系統(tǒng)主控模塊包括最小系統(tǒng)和數(shù)字信號處理控制模塊。該模塊是硬件電路的核心，有如下兩個方案。

方案一：以8031單片機為核心。但8031無片內(nèi)ROM，需外擴EPROM（例如27526）作為程序存儲器。這樣會增加電路的復雜性。

方案二：采用AT89C51單片機為主控制核心的雙CPU串行通信方式。AT89C51芯片，其內(nèi)部含有可重復編程的FLASH ROM，可進行1000次檫除操作，在設計調(diào)試過程中可十分容易進行程序的修改，達到最佳的設計。利用存儲器（EEPROM）實現(xiàn)掉電存儲功能。從CPU系統(tǒng)即以89C2051為主的顯示模塊的控制。數(shù)字信號處理模塊主要是D/A轉換器件的選擇，我們選用性能優(yōu)良的DAC0832作為主控器件。該方案的特點是硬件簡單，軟件實現(xiàn)方便，大大提高了系統(tǒng)的設計。

2.2主控系統(tǒng)模塊的電路設計與實現(xiàn)

該模塊主要由最小系統(tǒng)和信號采集處理電路組成。最小系統(tǒng)由一片AT89C51、一片AT89C2051及一片EEPROM（AT24C04）構成。信號采集處理電路由運放LM324組成的D/A電阻網(wǎng)絡組成。

該模塊的設計思路是：由雙CPU系統(tǒng)控制對數(shù)字信號發(fā)生器輸出的數(shù)字信號進行采樣存儲，再經(jīng)過一系列的信號處理，在模擬示波器上復現(xiàn)出來。從模擬示波器波形顯示原理可知，只要在Y軸（縱軸）輸入一個電壓信號，同時在X軸（橫軸）加上一個同頻的鋸齒波掃描電壓，便可在示波器上復現(xiàn)電壓信號的波形。為此必須設計相應的X、Y的輸出電壓信號。本設計在單片機的控制下，經(jīng)數(shù)模轉換電路D/A分別向示波器的X，Y軸輸出鋸齒波同步信號、被采樣波形信號，以復現(xiàn)被采樣存儲的波形。在這，根據(jù)題目要求（8路信號通道，包括8位X通道和8位Y通道，）我們采用有8位輸出通道、兩級鎖存控制功能、能夠實現(xiàn)多通道D/A的同步轉換輸出的DAC0832芯片。

2.3 硬件的抗干措施

①配置去耦電容。電源輸入端跨接220UF的電解電容。在關鍵元件中串入0.1UF的無感瓷片電容或者云母電容。電容引線盡量短，減少高頻帶來的影響。

②其次，盡量加粗地線。

3. 軟件設計

軟件是本系統(tǒng)的靈魂，在設計軟件時，我們從系統(tǒng)實用、可靠及方便使用幾方面予以考慮，特別加入了開機自檢功能。系統(tǒng)軟件主要由四大功能模塊組成：①數(shù)據(jù)通訊及處理模塊;②鍵盤/顯示模塊;③波形發(fā)生模塊;④中斷服務模塊。

軟件設計的其他特色：

在軟件設計中加入了軟件抗干擾措施（采用軟件陷阱技術）。

● 在程序區(qū)的斷層（即不使用的區(qū)域），以NOP指令填空，以保證因干擾而造成彈飛的程序盡快步入正常運行軌道。

設置軟件陷阱。用一條引導指令強行將捕獲的程序引向一個指定的地址。為增強捕獲效果，在它前面加入2條NOP指令

3.1 系統(tǒng)軟件流程

（a）、軟件主CPU程序流程圖如圖3-1示。

主CPU通過跟從CPU及AT24C04的串行通信從而來完成數(shù)據(jù)的傳輸和通信。主要完成數(shù)據(jù)的采集，存儲，顯示，系統(tǒng)變量的設置等功能。

系統(tǒng)初始化是對系統(tǒng)所用到的變量、定時器、中斷方式等進行設置。然后判斷是否進行聯(lián)機測試，是的話，系統(tǒng)開始串行通信，進行數(shù)據(jù)的傳輸。并進行系統(tǒng)參數(shù)設置即：設置門限電壓，設置觸發(fā)方式，設置時間軸位置。設置門限電壓：電壓從（0.25V—4V）16級變化，可以通過軟件設定某個門限電壓，就是將某個電壓值設為標準，超過這個電壓視為高電平，反之則為低電平。設置兩種不同的觸發(fā)方式即：單級觸發(fā)還是三級觸發(fā)，先選擇是何種觸發(fā)方式，若是單級觸發(fā)，設置單級觸發(fā)字，若符合要求，則觸發(fā)在LED上顯示SUCESS，并送示波器顯示8路觸發(fā)的波形。若是三級觸發(fā)。即當連續(xù)依次捕捉到設定的3個觸發(fā)字時，開始對被測信號進行一次采集、存儲與顯示，并顯示觸發(fā)點位置。3級觸發(fā)字可任意設定（例如：在8路信號中指定連續(xù)依次捕捉到兩路信號11、01、00作為三級觸發(fā)狀態(tài)字）。若符合要求，則觸發(fā)在LED上顯示SUCESS，并送示波器顯示8路觸發(fā)的波形。設置時間軸位置：就是在八路波形的某個垂直位置設置一條時間軸，可以將觸發(fā)的波形存儲在AT24C04中，實現(xiàn)了波形的存儲

4.總結

系統(tǒng)采用雙CPU控制方式，以AT89C51單片機為核心，用AT89C2051輔助控制顯示及鍵盤，由數(shù)字信號發(fā)生器、系統(tǒng)主控制器、鍵盤/顯示三大模塊組成，實現(xiàn)8路可預置的循環(huán)移位邏輯信號序列的產(chǎn)生、采集、存儲及在模擬示波器上清晰穩(wěn)定地顯示等功能。采用EEPROM實現(xiàn)數(shù)據(jù)的掉電存儲，掉電后仍可保存所采樣的信息。本設計的軟件、硬件都采用模塊化的設計方法，提高了設計效率。

參考文獻

[1]? 簡易邏輯分析儀設計報告，文章來源：廣東工業(yè)大學五山校區(qū)信息工程學院，作者：鄭士源、陳真華、林慶華

[2]? 邏輯分析儀原理與應用，出版社：人民郵電出版社，作者： 顧乃紱? ?孫續(xù)

[3]? 大學生電子設計競賽組委會、第五屆全國電子設計競賽獲獎作品選編北京：北京理工大學出版社2003