基于STM32的简易逻辑分析仪的设计

陈杰 沙玉龙

【摘 要】逻辑分析仪能够对多路的数字信号进行逻辑波形显示，比较逻辑关系，便于监控数字系统的运行情况，分析数字系统的故障等。本文以STM32F103ZET6芯片为核心，构建逻辑分析采集系统，将输入的8路数字信号转换为两路模拟信号，利用常见的示波器作为显示单元，完成简易逻辑分析仪的设计。本设计适用于1MHz级以内的各种逻辑电平的数字信号显示、分析和存储，结构简单，性能稳定。

【关键词】逻辑分析仪;stm32;示波器

中图分类号： TP273;TU855 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）07-0023-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.07.009

【Abstract】Logic analyzer can display multi-channel digital signals at the same time， compare logical relations， monitor the operation of the digital system and analyze the fault logic relationship of the digital system. This system takes STM32F103ZET6 chip as the core， constructs a logic analysis acquisition system， converts 8 digital signals into two analog signals， and uses common oscilloscopes as display units to complete the design of a simple logic analyzer. This design is suitable for digital signal display， analysis and storage of all kinds of logic levels within 1MHz. It has simple structure and stable performance.

【Key words】Logic analyzer; STM32; Oscilloscope

0 引言

在現代的电路设计中，数字信号和模拟信号都是常见的信号，相对于用于检测模电信号的示波器，用于检测数字信号的逻辑分析仪却不常见。随着嵌入式芯片等数字技术的发展，逻辑分析仪作为一种数字信号测量仪器作用越来越大。本设计以STM为核心构建8路数字信号采集单元，信号通过Y通道和X通道输入到常用示波器，以示波器为显示单元显示8路数字信号的逻辑波形，构成简易逻辑分析仪。

1 系统的总体设计

系统结构如图1所示，由8路数字信号输入线、1路时钟信号输入线、STM32F103ZET6最小系统、光标产生电路按键、功能显示屏及用于8路数字逻辑信号波形显示的示波器组成。

2 核心电路的设计

2.1 设计原理

本次设计中示波器用于波形的数字逻辑波形的显示，在设计中采用X-Y工作方式。示波器屏幕的显示由输入进来的Y通道信号与X通道信号决定，原理如图2所示。为了在示波器上显示八路信号，Y轴应输入八个不同电平信号，每一个固定电平信号对应一个锯齿波，为了在示波器上显示一个可移动的光标，X轴需要外加一个固定电平信号，Y轴输入需要外加一个从低到高迅速变化地电平信号，如图3所示。

设一个脉冲宽度为t，为保证显现信号清晰可见，根据人眼的视觉效应，一个脉冲电平状态以8个点显示，每个点的输出时间T=t/8，一个Di一般显示8个状态，即一条水平线上分布64个点;锯齿波T1=8*t，X输出的波形Tx=9*T1=72*t;Y轴上信号一个阶梯为包含8个脉冲信号，一个阶梯的时间为T2=8*t，y输出的波形Ty=9*T1=72*t。

在信号幅度上，STM采用3.3V供电，其引脚输出电压范围为0～3.3V，在垂直Y方向上，需要同时显示8路数字信号，则平均分为16个等级，如表 1所示。

2.2 STM32最小模块

该模块是本次设计的核心，需要将采集的8路数字信号转为Y通道和X通道到的两路模拟信号给示波器。采用STM32F103ZET6作为核心，其工作频率最高可达72M，内置高128K字节的FLASH和20K字节的SRAM，同时具备丰富的增强I/O端口和外设，可以对1MHz以内的数字信号进行采集以及进行简单的存储。

常见的8路数字信号往往是非3.3V的，需要经过预处理单位，转换为0～3.3V电平信号输入到STM32的引脚。为了实现对8路逻辑电路的同步采样，STM32F103ZET6采用序列通道单次采样的方式，采样由输入时钟信号进行同步。

为了把8路信号区分开，先要对各路信号进行量化，把各路信号分配在不同的Y轴段上。为了示波器同时显示八路逻辑信号，用N个点表示一个比特位0或1，如果对8路信号循环N次点，就可以同时显示8路信号的一个比特位。基于这个原理，对八路信号进行量化合成。然后通过DA转换变成模拟量，作为Y通道的模拟信号输出。

针对示波器采用的X-Y工作方式，还需根据输入的时钟信号，通过软件编程的方式，提供X轴所需的同步锯齿波扫描信号。

2.3 光标产生电路

光标如图5输出波形的垂直线，类似与普通示波器的光标，起到提示作用。当用户需要读取某一时刻输入的8路信号时，可以通过滑动变阻器左右调节光标的位置，在控制显示屏上可显示光标对应的处的8路逻辑信号值。光标产生电路如图4所示：

3 结论

本次设计结果如图5所示，通过本次设计系统，可以在通用示波器显示8路逻辑信号，可方便用于数字信号的测量，结构较为简单，具有一定的推广价值。

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