基于FPGA的嵌入式逻辑分析仪设计

第21卷第1期

2006年2月

长沙电力学院学报(自然科学版)

Vol.21Feb.

No.1

JOURNALOFCHANGSHAUNIVERSITYOFELECTRICPOWER(NATURALSCIENCE)

2006

基于FPGA的嵌入式逻辑分析仪设计

,山西太原　030051)

摘　要:FPGA的嵌入式逻辑分析仪的工作原理,给出了它的部分控制信号的仿真结果.该分析

仪不仅自成系统,还可以嵌入到其它系统当中,且其形成的移植性高的IP核可以根据需要方便地植入到别的器件中,使其具备逻辑分析功能.分析仪既可以现场测试,又可以进行远程监控测试.

关　键　词:逻辑分析仪;FPGA;嵌入式;IP核

中图分类号:TP332.1　　　文献标识码:A　　　文章编号:100627140(2006)0120046203

ADesignofLogicAnalyzerEmbeddedBasedonFPGA

HEHai2ting,WANGZhao2ba

(DepartmentofElectronicandInformationEngineering,NorthUniversityofChina,TaiYuan030051,China)

Abstract:AprincipleofaembeddedlogicanalyzerbasedonFPGAwasintroducedinthispaper.andre2sultofsimulationofthepartcontrolcircuitisgaven.Thelogicanalyzernotonlybeasystem,butalsocanbeembeddedinothersystem,andtheIPcoreofthelogicanalyzerhavehighmigrateperformanceandcanbeembeddedexpedientlyinotherdevices.LAcanbeusedinnotonlyscenetestbutalsolong2distancescout.

Keywords:logicanalyzerbcause;FPGAembedded;IPcore

1　逻辑分析仪的发展需求

逻辑分析仪

[1]

与PC机相结合,即虚拟逻辑分析仪(VirtualLA)是近年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,提高了性价比,且增强了仪器的通用性,在频率不高的情况下,极大地方便了数字或模拟系统开发过程中的调试工作.但现在开发的电路板用到的元器件集成度高,

特别是超大规

(LogicalAnalyzer简称LA),是数

据域测试仪器中最有用、最有代表性的一种仪器.目前,它在数字域内解决问题的能力已使它的应用处于与示波器并列乃至不可替代的位置.逻辑分析仪收稿日期:2005-10-17

作者简介:何海婷(1976-),女,硕士研究生,主要从事信号与信息处理的研究.

第21卷第1期何海婷,等:基于FPGA的嵌入式逻辑分析仪设计

47

模的可编程贴片式芯片的广泛应用,用探头式的普通逻辑分析仪测试显得大而不当、无能为力,加之有时要监控系统,就需要远程在线测试、获取系统上的某些信号数据或相关参数等,亟待一种新的逻辑分析技术解决上述问题,基于FPGA的嵌入式逻辑分析仪(EmbeddedLogicalAnalyzer简称ELA)及其移植性强的IP核比较好地解决了这一问题.

到可编程芯片中,在不影响原电路工作的情况下以系统运行的速度观察芯片中重要结点的逻辑波形,验证其逻辑正确性.该逻辑分析仪可以同时采集多路数字通路及可选择的多路模拟通路,很好地解决了现场及远程测试的需求,同时也可用于教学和科研等.LA的原理图如图1所示.

其工作过程为:PC机和ELA之间采用串口通

信,PC(采样模/数选择、、采样通道数指令ELA中I/O接口电路,经由I/PC传来的数据由串口协议电平转化为

2　逻辑分析仪工作原理

运用PC(或Laptop)和EDA技术相结合设计了一种ELA,该LA

图1　嵌入式逻辑分析仪原理图

LVTTL电平,然后FPGA中的指令识别电路检测指

号,再通过I/O接口电路传输到PC机,之后PC机便可以对串口进行编程,将已有的数据处理显示,以便于进一步的调试.图中虚线内部的是FPGA的IP核,其中的模/数SRAM既可以利用已有的IP核生成,也可以自行编程实现,后者的移植性更好.

基于FPGA的ELA另一个优点是它拥有一个建立在IEEE1149.1

-1990标准的标准测试访问端口和边界扫描结构基础之上的JTAG接口.利用它既可以对FPGA在线编程,又可以调试、测试,针对不同的FPGA开发商都有自己的软件测试平台,只需要一台便携式电脑便可以完成通常只能在具备一堆相关仪器的条件下才能完成的任务,况且对于集成度高、管脚密集的贴片式芯片,普通的仪器也无从下手.基于这一点对于工控电路中电路板的面积不是很紧张,同时又敏感于电路的诸多信号的情况下,这种ELA的测试方法无疑是可取的.由于篇幅有限

令,当检测到命令字后,控制电路将命令进行解释,产生采样频率控制信号、采样模拟片选信号、采样通道数信号、采样深度信号,如果要采集模拟信号的话还要有采样模拟通道选择信号.采样频率控制信号输出到频率生成电路,由频率生成电路生成各种频率的时钟信号提供给各单元电路.图中的CLK1为模拟采样频率,CLK2为串口通讯频率,CLK3为数字采样频率,它们是由FPGA中的PLL和一定的分频电路对外部CLK时钟分频、倍频而产生的丰富的频率.触发方式控制信号给触发电路输出触发样式,当被测数字通道的信号满足触发式样时产生触发输出信号给控制电路,控制电路控制SRAM进行采样存储.当达到采样深度,停止采样,写使能失效,读使能有效,存储好的数据在控制电路控制下通过信号转化电路将每一路信号打包为符合串口协议的信

48

长沙电力学院学报(自然科学版)　　　　　　　　　　　　　2006年2

月

下面仅给出了该IP核中相对比较复杂的部分控制电路的仿真结果.

SRAM写使能信号,写地址在写时钟作用下开始计

数加一,同时SRAM根据写SRAM控制器产生的信号对采样信号进行存储,(这里旨在功能介绍)设定模数采样深度相同,如果A/D为8位数据位,模拟信号的写时钟频率就设定为数字信号写时钟频率的1/8,那么模拟SRAM和数字SRAM便同时达到采

[3]

3　主要单元电路介绍

在用FPGA来实现逻辑分析仪的设计时,系统采用了自顶向下的设计方法

[3][2]

,将整个系统划分

成了多个具有独立功能的模块,然后在功能级对各个模块进行Verilog语言描述,并进行功能仿真.其中控制电路起了至关重要的作用,因为它控制着采样信号的采集、存储与传输,性.8bit命令字输、模拟片选信号、模拟通道选择信号、触发级别控制信号、数字采样通道数信号、采样深度信号.采样频率控制信号控制频率生成电路产生数模采样频率.模拟片选控制信号控制电路进行数字或模数混合采样.触发级别控制信号使触发电路产生触发式样.采样通道数控制所采样的数字通道数目.采样深度控制所采集的容量.在复位信号有效后根据触发输出信号、模拟片选信号、采样通道数信号产生符合条件的

样深度所设定的最大值,,一路,,,8位数据的前面加0,后面加1的协议.当读地址达到最大值时,这路读使能失效,启动下一路读使能信号,当每一路信号都读出后,一次采集、存储、传输过程完成.控制电路原理图如图2所示.

图3是采集一个通数字信号的控制模仿真结果图,St_d为通道选择信号,rden_d是读使能信号,rd2clk_d为读时钟,rdadd_d为读地址,wren_d为写使

能,wrclk_d为写时钟,wradd_d为写地址.当触发输出为高时,写使能有效,写地址记数器在写时钟作用下进行加1操作,当写地址计数器到达最大值时,写使能失效,读使能有效,读地址计数器开始加1操作

.

图2　

控制电路原理图

图3　采集1个通道数字信号的控制模块仿真结果图

(下转第53页)

第21卷第1期谭　丹,等:基于Petri

网的乐音体系建模

53

表1　本模型与五线谱的比较

乐曲Petri网模型

五线谱否是是无较少且不统一

和声整齐的对位起来.这样可以清楚地看到其和弦

进行为I—I—I—V—……形象地说,网论使我们有

[2]

了一双“并行眼”,可以眼观全局.

由此可见,乐曲的Petri网建模是有助于乐曲分析的,而Petri网本身是易于软件实现的.用Petri网建模的乐音分析过程也可以利用现有的Petri网工具实现其自动化.综上所述,利用Petri网对乐音体系建模是有一定的使用价值和应用前景的.

易于计算机处理图形化表示

符合人们习惯便于演奏有严密的形式化定义有成形的软件

是是否有是

6　结论

.网的较完整的乐音体系模,这个问题的解决方案还有待进一步研究.

乐曲通常和语言相结合由人声演唱,具有强大的表现力.而基于Petri网的形式语用学的研究目前也在酝酿中,是否可以将形式语用学和Petri网的乐音模型结合起来,来推动计算机作曲等信息处理问题的研究,也是一个值得研究的课题.参考文献:

[1]刘春荣.和声分析[M].广州:广东高等教育出版社,2003.[2]袁崇义.Petri网原理与应用[M].北京:机械工业出版社,2005.[3]蒋昌俊.Petri网的行为理论及其应用[M].北京:高等教育出版

5　Petri网乐音体系模型与五线谱的比

较

　　乐音体系的Petri,,并利用Petri,起到同步的作用,从而达到计算机自动分析乐曲的目的;而五线谱的作用是记录乐曲,以便于演奏者演奏.二者各有其特点,比较结果如表1所示.

由表1可看出,五线谱比较直观,能很好地帮助演奏者理解乐曲的内容和演奏的方法,但是却不能直接拿到计算机上去处理.而用Petri网建立的乐音体系模型有一定的独创性,易于自动化处理,但是也有一些缺点如不便于直接拿来演奏.二者各有其特点和用途.

社,2003.

(上接第48页)

到某些一次性测试的场合中;同时还由于该装置性价比高、通用性强,可扩展性好等优势,可以应用到教学和一般的科研测试当中.参考文献:

[1]顾乃绂,孙续.逻辑分析仪原理与应用[M].北京:人民邮电出

4　结论

本设计结合FPGA器件设计方便、灵活、校验快和设计可重复改变的特点,形成了一个具有逻辑分析功能的移植性高的IP核,然后可以在一个具体的器件上植入这个软IP核而形成一个具有逻辑分析功能的装置.该设计自成系统,又可以很好地嵌入到其它电路系统中;可以根据测试环境的不同改进其IP核以达到最佳的测试效果,还可以根据需要应用

版社,1989.

[2]徐志军,徐光辉.CPLD/FPGA的开发与应用[M].北京:电子工

业出版社,2002.

[3]王金明.数字系统设计与Verilog[M].北京:电子工业出版社,

2002.

第21卷第1期

2006年2月

长沙电力学院学报(自然科学版)

Vol.21Feb.

No.1

JOURNALOFCHANGSHAUNIVERSITYOFELECTRICPOWER(NATURALSCIENCE)

2006

基于FPGA的嵌入式逻辑分析仪设计

,山西太原　030051)

摘　要:FPGA的嵌入式逻辑分析仪的工作原理,给出了它的部分控制信号的仿真结果.该分析

仪不仅自成系统,还可以嵌入到其它系统当中,且其形成的移植性高的IP核可以根据需要方便地植入到别的器件中,使其具备逻辑分析功能.分析仪既可以现场测试,又可以进行远程监控测试.

关　键　词:逻辑分析仪;FPGA;嵌入式;IP核

中图分类号:TP332.1　　　文献标识码:A　　　文章编号:100627140(2006)0120046203

ADesignofLogicAnalyzerEmbeddedBasedonFPGA

HEHai2ting,WANGZhao2ba

(DepartmentofElectronicandInformationEngineering,NorthUniversityofChina,TaiYuan030051,China)

Abstract:AprincipleofaembeddedlogicanalyzerbasedonFPGAwasintroducedinthispaper.andre2sultofsimulationofthepartcontrolcircuitisgaven.Thelogicanalyzernotonlybeasystem,butalsocanbeembeddedinothersystem,andtheIPcoreofthelogicanalyzerhavehighmigrateperformanceandcanbeembeddedexpedientlyinotherdevices.LAcanbeusedinnotonlyscenetestbutalsolong2distancescout.

Keywords:logicanalyzerbcause;FPGAembedded;IPcore

1　逻辑分析仪的发展需求

逻辑分析仪

[1]

与PC机相结合,即虚拟逻辑分析仪(VirtualLA)是近年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,提高了性价比,且增强了仪器的通用性,在频率不高的情况下,极大地方便了数字或模拟系统开发过程中的调试工作.但现在开发的电路板用到的元器件集成度高,

特别是超大规

(LogicalAnalyzer简称LA),是数

据域测试仪器中最有用、最有代表性的一种仪器.目前,它在数字域内解决问题的能力已使它的应用处于与示波器并列乃至不可替代的位置.逻辑分析仪收稿日期:2005-10-17

作者简介:何海婷(1976-),女,硕士研究生,主要从事信号与信息处理的研究.

第21卷第1期何海婷,等:基于FPGA的嵌入式逻辑分析仪设计

47

模的可编程贴片式芯片的广泛应用,用探头式的普通逻辑分析仪测试显得大而不当、无能为力,加之有时要监控系统,就需要远程在线测试、获取系统上的某些信号数据或相关参数等,亟待一种新的逻辑分析技术解决上述问题,基于FPGA的嵌入式逻辑分析仪(EmbeddedLogicalAnalyzer简称ELA)及其移植性强的IP核比较好地解决了这一问题.

到可编程芯片中,在不影响原电路工作的情况下以系统运行的速度观察芯片中重要结点的逻辑波形,验证其逻辑正确性.该逻辑分析仪可以同时采集多路数字通路及可选择的多路模拟通路,很好地解决了现场及远程测试的需求,同时也可用于教学和科研等.LA的原理图如图1所示.

其工作过程为:PC机和ELA之间采用串口通

信,PC(采样模/数选择、、采样通道数指令ELA中I/O接口电路,经由I/PC传来的数据由串口协议电平转化为

2　逻辑分析仪工作原理

运用PC(或Laptop)和EDA技术相结合设计了一种ELA,该LA

图1　嵌入式逻辑分析仪原理图

LVTTL电平,然后FPGA中的指令识别电路检测指

号,再通过I/O接口电路传输到PC机,之后PC机便可以对串口进行编程,将已有的数据处理显示,以便于进一步的调试.图中虚线内部的是FPGA的IP核,其中的模/数SRAM既可以利用已有的IP核生成,也可以自行编程实现,后者的移植性更好.

基于FPGA的ELA另一个优点是它拥有一个建立在IEEE1149.1

-1990标准的标准测试访问端口和边界扫描结构基础之上的JTAG接口.利用它既可以对FPGA在线编程,又可以调试、测试,针对不同的FPGA开发商都有自己的软件测试平台,只需要一台便携式电脑便可以完成通常只能在具备一堆相关仪器的条件下才能完成的任务,况且对于集成度高、管脚密集的贴片式芯片,普通的仪器也无从下手.基于这一点对于工控电路中电路板的面积不是很紧张,同时又敏感于电路的诸多信号的情况下,这种ELA的测试方法无疑是可取的.由于篇幅有限

令,当检测到命令字后,控制电路将命令进行解释,产生采样频率控制信号、采样模拟片选信号、采样通道数信号、采样深度信号,如果要采集模拟信号的话还要有采样模拟通道选择信号.采样频率控制信号输出到频率生成电路,由频率生成电路生成各种频率的时钟信号提供给各单元电路.图中的CLK1为模拟采样频率,CLK2为串口通讯频率,CLK3为数字采样频率,它们是由FPGA中的PLL和一定的分频电路对外部CLK时钟分频、倍频而产生的丰富的频率.触发方式控制信号给触发电路输出触发样式,当被测数字通道的信号满足触发式样时产生触发输出信号给控制电路,控制电路控制SRAM进行采样存储.当达到采样深度,停止采样,写使能失效,读使能有效,存储好的数据在控制电路控制下通过信号转化电路将每一路信号打包为符合串口协议的信

48

长沙电力学院学报(自然科学版)　　　　　　　　　　　　　2006年2

月

下面仅给出了该IP核中相对比较复杂的部分控制电路的仿真结果.

SRAM写使能信号,写地址在写时钟作用下开始计

数加一,同时SRAM根据写SRAM控制器产生的信号对采样信号进行存储,(这里旨在功能介绍)设定模数采样深度相同,如果A/D为8位数据位,模拟信号的写时钟频率就设定为数字信号写时钟频率的1/8,那么模拟SRAM和数字SRAM便同时达到采

[3]

3　主要单元电路介绍

在用FPGA来实现逻辑分析仪的设计时,系统采用了自顶向下的设计方法

[3][2]

,将整个系统划分

成了多个具有独立功能的模块,然后在功能级对各个模块进行Verilog语言描述,并进行功能仿真.其中控制电路起了至关重要的作用,因为它控制着采样信号的采集、存储与传输,性.8bit命令字输、模拟片选信号、模拟通道选择信号、触发级别控制信号、数字采样通道数信号、采样深度信号.采样频率控制信号控制频率生成电路产生数模采样频率.模拟片选控制信号控制电路进行数字或模数混合采样.触发级别控制信号使触发电路产生触发式样.采样通道数控制所采样的数字通道数目.采样深度控制所采集的容量.在复位信号有效后根据触发输出信号、模拟片选信号、采样通道数信号产生符合条件的

样深度所设定的最大值,,一路,,,8位数据的前面加0,后面加1的协议.当读地址达到最大值时,这路读使能失效,启动下一路读使能信号,当每一路信号都读出后,一次采集、存储、传输过程完成.控制电路原理图如图2所示.

图3是采集一个通数字信号的控制模仿真结果图,St_d为通道选择信号,rden_d是读使能信号,rd2clk_d为读时钟,rdadd_d为读地址,wren_d为写使

能,wrclk_d为写时钟,wradd_d为写地址.当触发输出为高时,写使能有效,写地址记数器在写时钟作用下进行加1操作,当写地址计数器到达最大值时,写使能失效,读使能有效,读地址计数器开始加1操作

.

图2　

控制电路原理图

图3　采集1个通道数字信号的控制模块仿真结果图

(下转第53页)

第21卷第1期谭　丹,等:基于Petri

网的乐音体系建模

53

表1　本模型与五线谱的比较

乐曲Petri网模型

五线谱否是是无较少且不统一

和声整齐的对位起来.这样可以清楚地看到其和弦

进行为I—I—I—V—……形象地说,网论使我们有

[2]

了一双“并行眼”,可以眼观全局.

由此可见,乐曲的Petri网建模是有助于乐曲分析的,而Petri网本身是易于软件实现的.用Petri网建模的乐音分析过程也可以利用现有的Petri网工具实现其自动化.综上所述,利用Petri网对乐音体系建模是有一定的使用价值和应用前景的.

易于计算机处理图形化表示

符合人们习惯便于演奏有严密的形式化定义有成形的软件

是是否有是

6　结论

.网的较完整的乐音体系模,这个问题的解决方案还有待进一步研究.

乐曲通常和语言相结合由人声演唱,具有强大的表现力.而基于Petri网的形式语用学的研究目前也在酝酿中,是否可以将形式语用学和Petri网的乐音模型结合起来,来推动计算机作曲等信息处理问题的研究,也是一个值得研究的课题.参考文献:

[1]刘春荣.和声分析[M].广州:广东高等教育出版社,2003.[2]袁崇义.Petri网原理与应用[M].北京:机械工业出版社,2005.[3]蒋昌俊.Petri网的行为理论及其应用[M].北京:高等教育出版

5　Petri网乐音体系模型与五线谱的比

较

　　乐音体系的Petri,,并利用Petri,起到同步的作用,从而达到计算机自动分析乐曲的目的;而五线谱的作用是记录乐曲,以便于演奏者演奏.二者各有其特点,比较结果如表1所示.

由表1可看出,五线谱比较直观,能很好地帮助演奏者理解乐曲的内容和演奏的方法,但是却不能直接拿到计算机上去处理.而用Petri网建立的乐音体系模型有一定的独创性,易于自动化处理,但是也有一些缺点如不便于直接拿来演奏.二者各有其特点和用途.

社,2003.

(上接第48页)

到某些一次性测试的场合中;同时还由于该装置性价比高、通用性强,可扩展性好等优势,可以应用到教学和一般的科研测试当中.参考文献:

[1]顾乃绂,孙续.逻辑分析仪原理与应用[M].北京:人民邮电出

4　结论

本设计结合FPGA器件设计方便、灵活、校验快和设计可重复改变的特点,形成了一个具有逻辑分析功能的移植性高的IP核,然后可以在一个具体的器件上植入这个软IP核而形成一个具有逻辑分析功能的装置.该设计自成系统,又可以很好地嵌入到其它电路系统中;可以根据测试环境的不同改进其IP核以达到最佳的测试效果,还可以根据需要应用

版社,1989.

[2]徐志军,徐光辉.CPLD/FPGA的开发与应用[M].北京:电子工

业出版社,2002.

[3]王金明.数字系统设计与Verilog[M].北京:电子工业出版社,

2002.