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基于FPGA技术虚拟逻辑分析仪
基于FPGA技术虚拟逻辑分析仪 2011年12月10日 来源： 电子技术的迅速发展从客观上要求测试仪器向自动化及柔性化方向发展，基于微计算机的虚拟测试仪器的出现和广泛使用，将对测试仪器产生极为深刻的影响。虚拟仪器是指具有虚拟仪器面板的个人计算机仪器。操作人员通过友好的图形界面及图形化编程语言控制仪器的运行，完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、存储及数据生成。虚拟仪器的发展依赖计算机技术，可以肯定：随着微计算机的发展，虚拟仪器将会逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪器的主流。软件技术、I/O总线的发展及标准化进程、DSP、可编程逻辑器件技术的发展都使这一趋势成为可能。 逻辑分析仪（Logic Analyzer简称LA)也称逻辑示波器，主要用于分析数字系统的逻辑关系，有效地解决越来越复杂的数字系统的检测和故障诊断问题，是数据域测试仪器中最有用、最有代表性的一种仪器[２]。逻辑分析仪与个人计算机相结合即虚拟逻辑分析仪是近年来的一个新的发展方向，两者的结合扩展了逻辑分析仪的分析和计算能力，降低了成本，而且使仪器的通用性增强，在这种情况下，逻辑分析仪作为微计算机的外设，不再是独立的完整仪器了，在逻辑分析仪中占有很大比重的控制电路、显示电路、指示电路等功能全部由微计算机完成。虚拟逻辑分析仪ＬＡ与PC相结合具有许多优势：性能提高、成本降低、使用简便和功能易于扩展等[２]，特别是高性能价格比，决定了LA与微机相结合的技术方案有着广阔的前景。 国际上虚拟仪器发展十分迅速，而国内基本处于起步阶段。就目前来说，我国的许多科研单位、大学、生产部门依旧是传统的测试仪器占据主导地位，微计算机与测试仪器基本上还处于互不相关的状态，这大大地影响了我国电子行业的发展。研究PC虚拟仪器是我们的当务之急，尤其是在数据域测试中占核心地位的逻辑分析仪。实践证明，PC虚拟仪器在技术上是可行的，也是十分适合中国国情的，具有极其光明的前途。 因此我们开展了虚拟仪器方面的研究工作，进行了虚拟仪器及其相关技术的研究，并研制开发了新一代虚拟仪器——一种基于FPGA技术的虚拟逻辑分析仪（Visual Logic Analyzer简称FVLA）。它是微机系统及数字电路设计、侦错、软件开发和仿真的理想仪器。 １ 虚拟逻辑分析仪(FVLA)的总体设计方案 我们主要针对国内需求，着重从性能价格比和实用的角度出发，利用微机现有的软、硬资源，与微机相结合开发研制虚拟逻辑分析仪(FVLA)。它是新型的数据域分析仪器，除具有传统逻辑分析仪的一般功能外，还具有激励信号发生功能、智能化辅助分析功能及全中文交互式的图形用户界面等性能。利用硬件软化的思想，将FVLA的采样部分即具有数据获取能力的部分做成微机扩展插卡，其它诸部分：控制、显示等利用微机的软件技术实现。 从实用性、研制周期、性能价格比等角度考虑，FVLA的研制分两个版本，第一版完成基本逻辑分析仪功能及第二版带激励的逻辑分析仪功能。FVLA中占很大比重的控制电路、显示电路、指示电路等功能全部由微计算机完成，其中显示电路由监视器代替，而控制电路等由软件实现。利用面向对象技术及Windows消息机制结合Vixual C++MFC 4.21类库完成FVLA控制软件的设计及实现，将复杂、繁琐的虚拟逻辑分析仪控制面板诸多功能，集成在FVLA主控GUI中实现，并提供智能化的辅助分析和特征分析功能。 FPGA是现场可编程门阵列Field Programmable Gate Array，简称FPGA。FPGA器件及其开发系统是开发大规模数字集成电路的新技术，它将现代VLSI逻辑集成的优点和可编程器件设计灵活，制作及上市快速的长处相结合，使设计者在FPGA开发系统软件的支持下，现场直接根据系统要求定义和修改其逻辑功能，使一个包含数千个逻辑门的数字系统设计实现，采用FPGA技术，即可几天内完成，所以，无论从产品上市速度，还是以设计制作成本而言，在较大的应用范围内FPGA均优于掩膜设计制作的ASIC。因此我们将FVLA中关键的较复杂的采样控制电路：触发选择、分频选择、存储器控制逻辑等采用FPGA技术实现。 系统总体框图如图１。 FVLA硬件扩展插卡 寄生在微机上，作为微机的功能扩展卡，主要负责高速数据采集，存储及高速地发出激励的作用。 底层软件 主要功能是对硬件初始化（对硬件中的FPGA进行设置），对硬件控制、管理及为上层软件提供一个简洁的界面及数据传输。 FVLA控制软件 提供功能完善的图形用户界面，代替传统逻辑分析仪繁锁、复杂的控制面板功能，完成用户对FVLA的工作参数的设定及对采样的数据处理；提供定时图、状态表等多种显示分析功能；产生激励信号，驱动被测数字系统被动工作等。 ２ 硬件插卡的设计思想 FVLA硬件结构如图２所示。