2023年简易逻辑分析仪的设计与制作.doc

苏州大学本科生毕业设计〔论文〕 简易逻辑分析仪的设计与制作 目 录 前言 2 第1章 绪论 3 第1.1节 逻辑分析仪在数字科技中的地位 3 第1.2节 逻辑分析仪的开展状况 5 第2章 系统分析 6 第2.1节 逻辑分析仪的组成及工作原理 6 第2.2节 系统方案的选择与论证 7 第2.3节 系统总体方案框图 9 第3章 系统硬件设计 11 第3.1节 CPU的选择与应用 11 第3.2节 数字信号发生器模块的实现 15 第3.3节 主控系统模块的电路设计与实现 16 第3.4节 功能实现模块 18 第3.5节 D/A转换电路 19 第3.6节 硬件的抗干扰措施 19 第4章 系统软件设计 20 第4.1节 软件主CPU流程图 20 第4.2节 软件从CPU程序流程图 21 第4.3节 中断效劳子程序流程图 22 第4.4节 掉电保护流程图 23 第5章 系统测试 25 第5.1节 测试仪器 25 第5.2节 测试方法 25 第5.3节 误差分析 25 结论 26 参考文献 26 致谢 27 附录：局部源程序 28 - - 简易逻辑分析仪的设计与制作 【】：逻辑分析仪是一种新型的数字测试仪器。它应用于微机等数字系统的软件、硬件调试，故障检查，性能分析等过程中。 本设计采用AT89C51单片机控制8路逻辑信号电平采集的简易逻辑分析仪设计。采用AT89C2051控制系统实现一个数字信号发生器可预置8路信号工作, 采集电路以5Kbit每秒的速率同时对8路逻辑信号进行采样。逻辑信号门限电压通过键盘任意设定，信号采集的触发等级、触发条件、触发位置由键盘设定。 【关键词】：逻辑分析仪；AT89C51；AT89C2051；数字信号发生器 [Abstract]: Logic analyzer is a new-style digital testing instrument. It is used in the test of software and hardware of digital system, such as micro-computer, fault-checked, analyzing-performance. This paper introduces the design of the simple logic analyzer which acquisition of 8 routes signal level is controlled through AT89C51 single chip. The control system through AT89C2051 to realize a digital waveform generator scheduled 8 routes signal.5Kbit/s real-time sample rate of the acquisition circuit is faced to the 8 routes logic signal in the meantime. Threshold voltage of logic signal is set arbitrarily by keyboard, trigger rank, trigger condition and trigger location are set by keyboard. [Key words]: logic analyzer；AT89C51; AT89C2051; digital waveform generators 前言 信息时代是数字化的时代，数字技术的高速开展，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。 在我们通信技术中开始是对模拟信号进行变换和传输, 以后随着半导体器件的出现, 使数字电路能大量地生产和应用, 这样数字技术在通信中得到广泛应用和开展。人们将语音和图象信号用数字技术变换成数字信号后, 再在线路上进行传输。但是在近十年中由于大规模集成电路技术的开展, 生产了大容量的半导体存贮器、移位存放器, 以及广泛应用的微处理器芯片和许多支持芯片。在这些器件以及应用这些器件的电路和系统中采用数据表示信息。 这个数据可以是存贮器的地址或该地址单元中所存放的内容，而这个内容可以是程序中某条指令或要操作的数据。这些数据及其控制信号的其中一个特点就是它们都是逻辑信号, 可以表示为高电平或低电平, 或表示为逻辑“ 1 〞 或逻辑“ 0 〞 , 只有这两种状态。所以我们在分析和检查这些逻辑信号时只关心它们的状态及其组合, 而往往不必顾及其具体信号的大小和形状。数据信号的另一个特点就是它是由几个比特〔bit〕的逻辑状态来组成一个具体的数据字〔word〕。在数字通信中它们以串行方式进行传输, 如以五位或七位代码表示一个量值或控制信号。而在微处理器及计算机中那么以8位、16位、32位并行通路上逻辑状态的组合代表一个数据字、一条指令等。数据信号的第三个特点是逻辑信号往往是随机的, 非周期性信号, 甚至是间歇出现的信号。 传统的示波器往往比拟适合观察周期性的重复出现的模拟信号或脉冲信号。但是对随机的非周期信号是很难稳定同步的。而且在现有示波器中一般只有双踪交替扫描显示, 所以它们不能观察显示多通道的并行逻辑状态。并且示波器是由被测信号的波形电平去触发产生扫描来显示被测信号, 它不能捕捉特定的数据字, 不能由特定的地址或指令来进行触发, 以便观察显示相应的数据序列。一般示波器的第三个主要缺点是没有数据存贮能力, 所以就不能捕捉和保存瞬刻即逝的信号。本文第一章主要是绪论，第二章讲系统的分析，主要是方案的选择与论证，第三章是系统硬件设计，第四章是系统软件设计，第五章主要讲系统测试。 第1章 绪论 第1.1节 逻辑分析仪在数字科技中的地位 1.1.1. 数字科技对检测仪器的需求 20 世纪70 年代以来，大规模集成电路、可编程逻辑器件、高速数据信号处理器和计算机技术等高新技术得到迅猛开展，为解决数字设备、计算机及VLSI 等电路在研制、生产、检修和维护中的测试问题，出现了一类新的测试设备。因为其被测系统的信息载体主要是二进制数据流，为区别于频域或时域的测量，把这一类测试统称为数据域〔Data Domain〕测试，即有关数字系统的测试称为数据域测试。以离散时间或事件出现的次序为自变量，状态值为因变量的函数关系属数据域范畴。因此数据信息是由状态空间概念、数据格式和数据源构成的。它与频域或时域的信息不一样，具有以下一些特征： (1) 数字信息几乎都是多位传输的。 (2) 数字信息是按时序传递的。 (3) 许多信号仅发生一次。有些信号虽然可以重复发生，但是它们是非周期性的。 (4) 造成系统出错的误码常混在一串正确的数据流中，实际上只有错误已经发生以后才能识别出来。 (5) 信号的速度变换范围很大〔如高速运行的主机和低速的外围设备〕。显然，对数字系统的检测不可能象对模拟系统那样。用示波器及一般的电子测量仪器是难以观察和测量数字信息的。以上特点决定了对数字系统根本的检测要求： a、跟踪与分析状态数据流。这是对数字系统进行功能分析所必须的根本测量。跟踪状态流需要利用地址总线，最好同时也能观察数据总线，以便分析总线的全面工作情况。由于有的总线是复用的，因此要求测量时有选择数据的能力。 b、为了监视数据线上的数据流，需要设置一个观察参考点，由它来决定需要捕获的对分析有意义的那局部数据。 c、分析异步总线时，需要了解各信号状态序列和每个信号在给定状态的持续时间，以便判定系统是否按正确的时序运行。这要求能分析信号状态之间的时间关系。 d、来自系统内部或外界的干扰及毛刺常引起硬件出错，这样就需要捕捉干扰或毛刺，并把它们显示出来。 1.1.2. 逻辑分析仪介绍 逻辑分析仪是用来分析数字系统逻辑关系的一种仪器。它属于总线分析仪一类的数据域测试仪器，它主要用于查找总线(或多线)相关性故障。 对于数据域的测试，逻辑分析仪是最典型的测试仪器。它一方面是分析数字系统和计算机软、硬件最有力的工具，另一方面它本身又与微计算机紧密结合起来，产生了多种智能逻辑分析仪和个人仪器型的逻辑分析仪插件。有些逻辑分析仪还与计算机开发系统、仿真器、数字电压表和示波器等结合起来，构成完善的仪器系统。有些先进的逻辑分析仪可以同时检测几百路的信号，还拥有灵活多样的触发方式，可以方便的在数据流中选择感兴趣的观测窗口。逻辑分析仪还能观测触发前和触发后的数据流，具有多种便于分析的显示方式。目前逻辑分析仪已成为设计，调试和检测维修复杂数字系统，计算机和微机化产品的最有力工具。 逻辑分析仪按其工作特点，可分为两大类：逻辑状态分析仪〔Logic State Analyzer，简称LSA〕和逻辑定时分析仪〔Logic Timing Analyzer，简称LTA〕。两类分析仪的根本结构是相似的，主要区别在于显示方式和定时方式上。 逻辑状态分析仪主要用来监测数字系统的工作程序，并用“0〞或“1〞来显示被测系统的逻辑状态，以便对系统进行状态分析。其状态数据的采集是在被测系统的时钟下实现的，即逻辑状态分析仪与系统是同步工作的。这能有效地解决程序的动态调试问题，因此，逻辑状态分析仪主要用于系统的软件测试。 逻辑定时分析仪主要用来显示各通道的逻辑波形，特别是各通道之间波形的时序关系。为了能显示出这种时序关系，在逻辑定时分析仪中应提供采样时钟，即所谓内部时钟，来控制数据的采集。一般采集数据的内部时钟频率应该是被测系统时钟频率的5～10 倍。因此，从上面的描述可以看出，逻辑定时分析仪与被测系统是异步工作的，主要用于系统的硬件测试，它能检测出系统的工作时序及各种不正常的毛刺脉冲。 1.1.3. 逻辑分析仪在数据域测试中的应用 逻辑分析仪是一种主要的通用数据域测试仪器。逻辑分析仪在计算机、自动测试系统、IC 设计、智能仪器、数据通讯以及自动控制等数字系统中，用于硬件逻辑、时序和软件运行情况的研究、分析、测试和故障诊断，是新产品开发和系统维护必不可少的工具。 在软件方面，特别是象冲突、存储器泄漏和栈溢出等这些实时软件问题是很难诊断的，因为它们只有系统在某一速度运行时才出现。逻辑分析仪具有很大存储深度的特性，可以用长时间间隔“实时跟踪〞方法来找到问题根源。因而，逻辑分析仪具有实时跟踪记录程序的能力而无须停止运行。 在硬件方面，嵌入式硬件设计者在系统开发中试图找出不明显的实时硬件问题是很难的，这些问题包括：逻辑错、逻辑电平违例、噪声超限、串扰、总线竞争、匹配电阻错、时钟漂移、时序超差或违例、建立保持时间违例和毛刺。逻辑分析仪为实时监视、捕捉和分析硬件操作提供了一种解决方法。现在，逻辑分析仪已经成为国际上最通用的电子测量仪器之一。 第1.2节 逻辑分析仪的开展状况 逻辑分析仪是一种常见的电子测量仪器，是数字域分析仪器的典型代表，它的主要功能是测量数字电路中的逻辑波形及逻辑关系。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的位置。前者用于解决数字域检测问题，后者那么用于解决模拟信号的检测问题。逻辑分析技术的开展可以由逻辑分析仪的开展来展示。 逻辑分析仪最早被构思为“数字示波器〞，由多线示波器的设计思路开展而成。自1973 年美国HP 公司和Biomation 公司几乎同时研制出了第一代逻辑分析仪，迄今为止已经经历了四代。第一代产品速度低、功能简单，具有根本触发功能和简单显示方式；第二代产品在触发功能和显示方式上作出了较大改良，以便适应微机软、硬件分析的需要；第三代产品实现微机化，将定时分析和状态分析结合在一起，便于软、硬件交互分析，功能日臻完善；第四代产品构成功能完善的仪器系统，不仅包含了早期的逻辑分析仪功能，还扩充了特征分析仪和嵌入式开发系统等功能。目前逻辑分析仪的市场主要由外国产品占主导地位，核心技术掌握在如美国的