毕业设计_基于单片机的简易逻辑分析仪

基于单片机的简易逻辑分析仪

目 录

第1节 引 言„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3

1.1 系统概述„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3

1.1.1系统的特点„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4 1.1.2系统的功能„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4 第2节 系统主要硬件电路设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5

2.1 系统结构框图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5 2.2 主体控制模块„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5 2.3 系统硬件的主体实现„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7

2.3.1 数字信号发生器模块的电路设计与实现„„„„„„„„„„„7 2.3.2 主控系统模块的电路设计与实现„„„„„„„„„„„„„„8 2.3.3 LED显示模块的电路设计与实现„„„„„„„„„„„„„„10 2.3.4 硬件的抗干扰措施„„„„„„„„„„„„„„„„„„„12

第3节 系统软件设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„13 3.1 系统软件流程„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„13

3.2 中断服务子程序„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„15 3.3 AT24C04程序设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„15

第4节 结束语„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„19

参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„20

基于单片机的简易逻辑分析仪

第1节 引 言

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。

随着数字系统复杂程序的增加,尤其是微处理器的高速发展,用示波器测试己显得有些无能为力。1973年在美国应运而生的逻辑分析仪(Logic Analyzer),能满足数字域测试的各种要求。它属于总线分析仪一类的数据域测试仪器*主要用于查找总线(或多线) 相关故障.同时对于数据有很强的选择能力和跟踪能力,因此,逻辑分析汉在数字系统的测试中获得了广泛的应用。

逻辑分析仪(Logic Analyzer )是以逻辑信号为分析对象的测量仪器。是一种数据域仪器,其作用相当于时域测量中的示波器。正如在模拟电路错误分析中需要示波器一样,在数字电路故障分析中也需要一种仪器,它适应了数字化技术的要求,是数字、逻辑电路、仪器、设备的设计、分析及故障诊断工作中不可按少的工具。在测试数字电路、研制和维修电子计算机、微处理器以及各种集成化数字仪表和装置中具有广泛的用途;还是数字系统设计、侦错、软件开发和仿真的必备仪器;作为硬件设计中必不可少的检测工具,还可将其引入实验教学中,建立直观感性的印象,提升学生的硬件设计能力,可以全面提高教学质量; 随着科技的发展,LA 在多通道、大存储量、高采样速率、多触发功能方面得到更快的发展,在航天、军事、通信等数字系统领域得到越来越广泛的应用。

我们从上面可以看出逻辑分析仪在各个领域的广泛应用。那么我们在学习、应用的同时设计并制作一个简易的逻辑分析仪就显的意义重大了,这样这个过程既可以让我们更加深入理解其原理,又可以提高动手设计并制作整个系统电路的能力,还可以将其作为简易仪器应用于以后的实验中。

1.1 系统概述

因在本节中,我们将对简易逻辑分析仪的应用进行分析。给出它的特点,能实现的功能以及系统的简单操作

1.1.1 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。 本设计具有以下特点:

1、具有足够多的输入通道,一般的示波器只有2路通道,本设计了8路输入通道。 2、多种触发方式:设置了单字触发和三级触发两种触发模式 3、具有记忆能力:采用EEPROM 实现数据的掉电存储 本设计的主要特色:

★ 数字信号发生器使用AT89C2051单片机来控制,达到了高精度的信号输出。 ★ 数字信号的逻辑状态显示也用AT89C2051单片机辅助主CPU 系统实现。 ★ 使用D/A电阻网络,结合单片机对信号幅度进行灵活地控制。 ★ 采用发光二极管来指示电路测试点,一目了然,便于调试。 ★ 在系统的软硬件设计中均加入了运行良好的抗干扰措施。 ★ 强大的软件设计功能,大大简化了硬件电路。 1.1.2 系统的功能

逻辑分析仪的逻辑分析仪(简称LA) 是新型的数据域分析仪器,它有许多 独特的功能。把这些功能分成取数、触发、存储、显示等几个方面,

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。

第2节 系统主要硬件电路设计

2.1 系统结构框图

图2-1 系统结构框图

本系统采用单片机和可编程器件作为数据处理及控制核心,整个系统由一个信号发生器和一个简易逻辑分析仪构成。将设计任务分解为数字信号发生、信号采集存储、信号融合处理、显示、掉电保护等功能模块。图1即为该系统的总体框图。考虑到硬件电路的紧凑性,故将上述模块合理分配连接成以下三个模块:数字信号发生器、最小系统主控器、键盘/显示。由于数字信号发生器是用于测试的需要而设计的一个模块,那么下面对各模块的设计进行逐一论证比较。

2.2 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单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性能。

门限电压:

要实现门限电压0.25-4V 之间16级可调这一问题上有两种方案。

方案一、电阻分压,利用电阻网络把电压分级作为触发门参考电压,用模拟开关4067在把每个通道的信号和这个参考电压用电压比较器来比较,判断输入信号高低,输入单片机处理。

方案二、用D/A电阻网络进行电压等级的划分作为参考电压,在用比较器来比较高低。与方案一比具有精确可调的优点。

方案一:本方案采用8279可编程接口芯片来实现系统的键盘/显示器扩展功能, 降低了电路的复杂度, 提高了系统的稳定性及可靠性。8279能自动完成键盘输入和显示控制两种功能。键盘控制部分提供一种扫描工作方式, 可与64个按键的矩阵键盘或传感器连接, 能对键盘进行自动扫描、自动消抖、自动识别出按下的键并给出编码, 能同时按下双键或N 键实行保护, 其接收键盘上的输入信息存入内部FIFO 缓冲器, 并可在有键输入时向CPU 请求中断。8279提供了按扫描方式工作的显示接口, 其内部有一个显示缓冲器, 能对8位或16位LED 自动进行扫描, 将显示缓冲器的内容在LED 上显示出来。

图2-3 8279键盘/显示模块

方案二:由单片AT89C2051控制8个共阳数码管、8个按键构成动态显示模块。由于具有RS--232接口,易于与某些基于虚拟仪表技术的仪器主板相连,使其脱机工作,成为便携仪表,方便了使用;与专用键显接口芯片8279相比,价廉;采用串行方式

与主控单片机交换信息,硬件及工艺设计简单,抗干扰能力强;可承担键显及其他信息处理功能,实现了键显智能化,从而使主机软件设计所考虑的因素减少,程序结构得以简化

图2-4 键盘/显示模块

方案三:LCD 液晶显示。例如采用COM12864液晶显示模块可以显示各种字符及图形,可与CPU 系统直接接口,具有8位标准数据总线、6条控制线及电源线,接口电路简单,控制方便。

以上三种都是比较可行的数据显示方案。尤其是方案三在显示功能的实现上优于方案一、方案二,但是在本题中,考虑到本设计对显示功能的要求不多,用方案二就完全可以很好的实现,所以为了降低设计成本,我们不采用LCD 液晶显示而采用方案二的设计。

2.3.系统硬件的总体实现

经过仔细地论证与比较,我们确定了系统的各个主要模块的最终的可行方案,系统总体原理框图如图2-5所示。

图2-5 系统总体原理框图

2.3.1数字信号发生器模块的电路设计与实现

用AT89C51单片机产生可预置的二进制序列。只要在最小系统中添加一个开关组选择高低电平,单片机通过扫描开关组连接的P 口的状态,并通过软件来控制单片

机8个P 口的波形输出,输入到74LS04的反向器输入端,通过TTL 电平转换,输出8路数字信号。该电路结构简单可行,通过示波器可以看到它能够产生清晰稳定的矩形波。该设计的优点是信号稳定性好,频率精度高,有利于用单片机对数字信号进行智能化控制。

以AT89C51为核心的数字信号发生电路如图2所示。其工作原理是:AT89C51单片机输出可预置的二进制序列到74LS04的反向输入端,经过TTL 电平转换,产生所需的高稳定、高精度的数字信号。注意:在该模块中,要实现电平转换功能必须用采用74LS 系列的反向器,不可用CMOS 系列的反向器(例如CD4069),因为在引脚的驱动能力上,74系列相对与CMOS 系列更强,在本设计中,也就是说能够输出更稳定的信号。

2.3.2主控系统模块的电路设计与实现

J2CON

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。由此可知该模块的工作原理如下:

单片机控制程序先向Y 轴输入被采样存储在RAM 中的波形数据,经DAC0832内部的D/A电阻网络生成阶梯波,选通Y 轴DAC0832中的第1锁存器并被锁存;向X 轴送入对应的锯齿波数据(该数据是由D/A生成的阶梯波经一个LM324组成的低

通滤波器滤波后,再送入LM324构成的电压跟随器而转换出锯齿波。但是实践证明,通过这种方式生成的波形并不理想。为了得到理想的锯齿波,我们一改常规思维,着手从软件的角度考虑,我们要将阶梯波转换成锯齿波,可以增加阶梯数,减小阶梯幅度,当离散的数字量增加到一定量时可以近似看成模拟量,如图2-9所示。),这个写信号选通X 轴DAC0832中的第1锁存器;然后通过向外部存储器写数据指令产生的译码信号DAC ——X+Y,将在X ,Y 轴第1锁存器锁存的数据与100HZ 的时钟信号同步送出并进行D/A转换,再将转换结果送到示波器,从而达到在示波器上显示波形的目的。

图2-9 波形转换

2.3.3 LED 显示模块的电路设计与实现

键盘/显示装置主要由89C2051单片机、译码驱动器、键盘、LED 显示器组成,其电路原理图如图3-6所示,键盘功能如图2-10所示。

各按键功能说明如下:

SET —X :设置系统参数; SET —1:设置存储地址;

SET —2键即可改变设定字; SET —3:设置3级逻辑状态触发字及触发模式选择; SET —4:设置门限电压(16级可调);

RUN :系统开始运行;

STOP :系统复位停止运行; DISPLAY :示波器显示波形;

:时间标志线左移;

:时间标志线右移; : 分页显示切换。

通电开机,LED 显示“READY ” 。按下“SET ”键设置系统参数,按SET-1键可以设置存储地址,将设置的数据送到指定地址进行存储,实现数据的掉电保护。按SET-2键就可设置单级触发字,当系统检测到的数据与设定的触发字相同时,就进行数据的触发,并在LED 上显示“SUCCESS ”,然后按“DISPLAY ”键即可在示波器上显示8路波形,并显示触发点和时间标志线。按左移键 、 右移键可改变时间标志线的位置,并在LED 上显示出时间标志线所对应时刻的逻辑状态。按SET-3键就可以选择触发模式和设置3级逻辑状态触发字。触发模式有单级触发字和3级逻辑状态触发字,我们用两位LED 进行设置,当两位LED 设置成00H 时,则为单级触发。其余则为3级逻辑状态触发,触发信号可以指定,当第一位为1,2,3变化时,在第二位中根据具体波形参数设置数据,当系统连续捕捉到设定的3个触发字时,开始对被测信号进行采集、存储与显示等操作。触发成功后,在LED 上显示“SUCCESS ”字样,并在示波器上显示波形、触发点和时间标志线。按SET-4键时可以对门限电压进行设置,使门限电压在0.25V 到4V 的范围内进行16级变化。在信号触发后,还可以对信号的分页显示进行操作。另外,每个信号通道的存储深度由20BIT 扩展到32BIT ,因而需进行分页显示,在信号触发后,还可以对信号的分页显示进行操作这时,我们可以


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