基于单片机的简易逻辑分析仪

李少雄 宋超俊 刘博 张帅 刘艺

摘  要：信息时代是数字化的时代，数字技术的高速发展，出现了以高性能计算机为核心的数字通信、数字测量的数字系统。在研究这些数字系统产品的应用性能的同时也必须研究在设计、生产和维修他们的过程中，如何验证数字电路设计的合理性、如何协调硬件及其驱动应用软件的工作、如何测量其技术指标以及如何评价其性能。逻辑分析仪的出现，为解决这些问题提供了可能。

关键词：单片机;简易逻辑分析仪

1. 系统的特点

逻辑分析仪也称逻辑示波器，它是用来分析数字系统逻辑关系的一种仪器。逻辑分析仪的主要作用有二个：一是用于观察的形式显示出数字系统的运行情况，相当于扩展了人们的视野，起一个逻辑显示器的作用;二是对系统运行进行分析和故障诊断。

一般的逻辑分析仪是由数据获取和数据显示两大部分组成的。前者捕获并存储所要观察分析的数据，后者用多种形式显示这些数据。在这里，关键是触发.它的作用是在被分析的数据流中按索特定的数据字。一旦发现这个数据字，便产生触发信号去控制和存储有效数据。因此，它决定了观察的数据窗口在数据流中的位置。

2.系统的功能

本系统实现的功能是：

（1）能产生8路可预置的循环移位逻辑信号序列，输出信号为TTL电平，序列时钟频率为100Hz，并能够重复输出。

（2）单次触发采集存储显示，单次触发方式是指在满足触发条件后，能对被测信号进行一次采集、存储。之后输出通过DAC转化为模拟电压后输出，在示波器上显示出8路信号，并能显示触发位置。

（3）任意两通道三级触发存储显示，由键盘输入8路中任意2通道的通道号及3级触发字，当指定通道的触发字连续依次满足时，能对被测信号进行一次采集，存储，送DAC后输出显示。同时在屏幕上标记出3级触发字的位置。

（4）显示触发字的位置，可以在模拟示波器显示屏上对触发字进行标记。

（5）显示可以移动的光标，可以通过键盘的加、减控制光标在水平方向的坐标。

（6）翻页显示，可以用键盘控制翻页显示，每隔32bit为一页的内容，扩展了存储深度。

2.1主体控制模块

系统主控模块包括最小系统和数字信号处理控制模块。该模块是硬件电路的核心，有如下两个方案。

方案一：以8031单片机为核心。但8031无片内ROM，需外扩EPROM（例如27526）作为程序存储器。这样会增加电路的复杂性。

方案二：采用AT89C51單片机为主控制核心的双CPU串行通信方式。AT89C51芯片，其内部含有可重复编程的FLASH ROM，可进行1000次檫除操作，在设计调试过程中可十分容易进行程序的修改，达到最佳的设计。利用存储器（EEPROM）实现掉电存储功能。从CPU系统即以89C2051为主的显示模块的控制。数字信号处理模块主要是D/A转换器件的选择，我们选用性能优良的DAC0832作为主控器件。该方案的特点是硬件简单，软件实现方便，大大提高了系统的设计。

2.2主控系统模块的电路设计与实现

该模块主要由最小系统和信号采集处理电路组成。最小系统由一片AT89C51、一片AT89C2051及一片EEPROM（AT24C04）构成。信号采集处理电路由运放LM324组成的D/A电阻网络组成。

该模块的设计思路是：由双CPU系统控制对数字信号发生器输出的数字信号进行采样存储，再经过一系列的信号处理，在模拟示波器上复现出来。从模拟示波器波形显示原理可知，只要在Y轴（纵轴）输入一个电压信号，同时在X轴（横轴）加上一个同频的锯齿波扫描电压，便可在示波器上复现电压信号的波形。为此必须设计相应的X、Y的输出电压信号。本设计在单片机的控制下，经数模转换电路D/A分别向示波器的X，Y轴输出锯齿波同步信号、被采样波形信号，以复现被采样存储的波形。在这，根据题目要求（8路信号通道，包括8位X通道和8位Y通道，）我们采用有8位输出通道、两级锁存控制功能、能够实现多通道D/A的同步转换输出的DAC0832芯片。

2.3 硬件的抗干措施

①配置去耦电容。电源输入端跨接220UF的电解电容。在关键元件中串入0.1UF的无感瓷片电容或者云母电容。电容引线尽量短，减少高频带来的影响。

②其次，尽量加粗地线。

3. 软件设计

软件是本系统的灵魂，在设计软件时，我们从系统实用、可靠及方便使用几方面予以考虑，特别加入了开机自检功能。系统软件主要由四大功能模块组成：①数据通讯及处理模块;②键盘/显示模块;③波形发生模块;④中断服务模块。

软件设计的其他特色：

在软件设计中加入了软件抗干扰措施（采用软件陷阱技术）。

● 在程序区的断层（即不使用的区域），以NOP指令填空，以保证因干扰而造成弹飞的程序尽快步入正常运行轨道。

设置软件陷阱。用一条引导指令强行将捕获的程序引向一个指定的地址。为增强捕获效果，在它前面加入2条NOP指令

3.1 系统软件流程

（a）、软件主CPU程序流程图如图3-1示。

主CPU通过跟从CPU及AT24C04的串行通信从而来完成数据的传输和通信。主要完成数据的采集，存储，显示，系统变量的设置等功能。

系统初始化是对系统所用到的变量、定时器、中断方式等进行设置。然后判断是否进行联机测试，是的话，系统开始串行通信，进行数据的传输。并进行系统参数设置即：设置门限电压，设置触发方式，设置时间轴位置。设置门限电压：电压从（0.25V—4V）16级变化，可以通过软件设定某个门限电压，就是将某个电压值设为标准，超过这个电压视为高电平，反之则为低电平。设置两种不同的触发方式即：单级触发还是三级触发，先选择是何种触发方式，若是单级触发，设置单级触发字，若符合要求，则触发在LED上显示SUCESS，并送示波器显示8路触发的波形。若是三级触发。即当连续依次捕捉到设定的3个触发字时，开始对被测信号进行一次采集、存储与显示，并显示触发点位置。3级触发字可任意设定（例如：在8路信号中指定连续依次捕捉到两路信号11、01、00作为三级触发状态字）。若符合要求，则触发在LED上显示SUCESS，并送示波器显示8路触发的波形。设置时间轴位置：就是在八路波形的某个垂直位置设置一条时间轴，可以将触发的波形存储在AT24C04中，实现了波形的存储

4.总结

系统采用双CPU控制方式，以AT89C51单片机为核心，用AT89C2051辅助控制显示及键盘，由数字信号发生器、系统主控制器、键盘/显示三大模块组成，实现8路可预置的循环移位逻辑信号序列的产生、采集、存储及在模拟示波器上清晰稳定地显示等功能。采用EEPROM实现数据的掉电存储，掉电后仍可保存所采样的信息。本设计的软件、硬件都采用模块化的设计方法，提高了设计效率。

参考文献

[1]  简易逻辑分析仪设计报告，文章来源：广东工业大学五山校区信息工程学院，作者：郑士源、陈真华、林庆华

[2]  逻辑分析仪原理与应用，出版社：人民邮电出版社，作者： 顾乃绂   孙续

[3]  大学生电子设计竞赛组委会、第五届全国电子设计竞赛获奖作品选编北京：北京理工大学出版社2003