林龍森

在數(shù)字信息化社會，信號檢測分析設(shè)備對數(shù)字系統(tǒng)的研發(fā)起著相當(dāng)重要的作用.特別是示波器和邏輯分析儀，示波器主要側(cè)重于觀察信號以及測量波形的獨(dú)立參數(shù)，但是很難實(shí)現(xiàn)多路信號的同步分析和觸發(fā)采集.邏輯分析儀具有多通道的復(fù)雜觸發(fā)功能，能夠?qū)π盘枙r(shí)序的同步工作狀態(tài)進(jìn)行綜合分析，但其波形顯示和參數(shù)測量功能又顯不足.因此，僅有示波器已不能滿足需求，“邏輯分析儀+示波器”的配置在數(shù)字產(chǎn)品設(shè)計(jì)和維護(hù)中應(yīng)用范圍廣[1-2］，但配置兩臺儀器成本高、體積大、攜帶不方便，且測試接口不統(tǒng)一，影響了產(chǎn)品的開發(fā)維護(hù)效率.

本文設(shè)計(jì)了一臺簡易的邏輯分析儀，檢測需要進(jìn)行邏輯分析的多路時(shí)序信號，并利用示波器的X-Y模式，配合示波器本身的調(diào)節(jié)功能，將示波器的液晶作為邏輯分析儀的主顯示器.系統(tǒng)整合了示波器和邏輯分析儀兩臺儀器，在節(jié)省成本和不增加額外設(shè)施設(shè)備的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了簡易的邏輯時(shí)序分析功能.

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 基本功能和原理

系統(tǒng)將多路邏輯輸入信號轉(zhuǎn)入示波器顯示，因此，與示波器的接口是整個(gè)系統(tǒng)的核心之一.系統(tǒng)利用示波器的X-Y模式使示波器能夠顯示邏輯分析儀的多路信號分析結(jié)果.X-Y模式是獨(dú)立的動(dòng)態(tài)點(diǎn)掃描模式，X、Y通道分別對應(yīng)顯示的X軸和Y軸，顯示內(nèi)容由X、Y通道接入的電壓決定.設(shè)計(jì)的邏輯分析儀能夠接入示波器，利用示波器的X-Y模式同時(shí)顯示基于公共同步時(shí)鐘的外部8 路邏輯時(shí)序信號.為了指示方便，示波器能夠顯示一條豎線，用于定位和顯示各個(gè)邏輯狀態(tài)（狀態(tài)字）.系統(tǒng)能夠?qū)壿嫊r(shí)序進(jìn)行觸發(fā)設(shè)置、狀態(tài)字讀取等操作.

1.2 系統(tǒng)組成

邏輯分析儀主要由控制處理單元、顯示單元和信號掃描驅(qū)動(dòng)模塊組成.控制處理單元讀入8 路信號的邏輯時(shí)序，并輸出處理后的掃描信號和控制信號給掃描驅(qū)動(dòng)模塊.掃描驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)將接收到的信號送示波器顯示.示波器不能顯示、難以顯示的內(nèi)容由邏輯分析儀的液晶顯示，包括時(shí)鐘頻率、觸發(fā)狀態(tài)、觸發(fā)字、狀態(tài)字等.顯示部分也由獨(dú)立的單片機(jī)控制.提供了液晶界面后，不僅豐富了整個(gè)產(chǎn)品的顯示內(nèi)容，也提高了用戶人機(jī)交互體驗(yàn).由于邏輯分析儀的波形顯示內(nèi)容多，示波器顯示的方案能整合并充分利用現(xiàn)有資源，避免使用價(jià)格昂貴的大型TFT 顯示屏[3］.因此，系統(tǒng)采用示波器作為主顯示器（圖1）.同步時(shí)鐘信號clock 作為工作基準(zhǔn)，需要將其引入主要的控制單元和示波器信號掃描驅(qū)動(dòng)模塊.控制處理單元和顯示單元均采用宏晶科技STC8 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制，該系列機(jī)型功能多、適用的場合廣[4］，能夠滿足系統(tǒng)要求.控制處理單元包括按鍵讀取、時(shí)序邏輯輸入輸出以及掃描驅(qū)動(dòng)控制，并和顯示單元通信.顯示單元主要包括液晶顯示電路、按鍵電路和LED 指示電路.

圖1 整體系統(tǒng)框圖

2 示波器X-Y 模式信號掃描與驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用的示波器X-Y點(diǎn)掃描模式需要有專門的掃描和驅(qū)動(dòng)使顯示內(nèi)容清晰、穩(wěn)定.X、Y兩個(gè)通道都需要根據(jù)顯示內(nèi)容設(shè)計(jì)獨(dú)立的掃描和驅(qū)動(dòng)電路.

2.1 X 通道掃描信號的觸發(fā)及產(chǎn)生電路

X通道需要產(chǎn)生一個(gè)斜升鋸齒波，作為示波器的信道掃描信號，該信號斜升曲線要平直，下降邊沿要陡峭，使得示波器掃描出的圖形才能夠均勻和準(zhǔn)確.同時(shí)，掃屏信號的相位需要嚴(yán)格與clock 時(shí)鐘相位對齊，才能使屏幕信號穩(wěn)定.因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)具備相位同步觸發(fā)的鋸齒波信號發(fā)生電路，如圖2 所示.

圖2 鋸齒波產(chǎn)生電路

電路利用對電容C1 的充放電產(chǎn)生鋸齒波.D1、R1、Q1 組成了恒流充電電路，改善整體鋸齒波的線性度.由于通過穩(wěn)壓管D1 的鉗位作用（穩(wěn)壓管電壓Uz），在R1 上的電壓UR1=UZ-0.7.因此經(jīng)過R1 的電流IR1近似于給電容充電的電流i.只要穩(wěn)壓管UZ固定、電阻R1 固定，充電電流就固定，保證充電曲線的線性度.

來自于clock 同步時(shí)鐘的分頻信號經(jīng)過C2、R2 組成的微分電路，將邊沿信號整形成尖脈沖信號.由于電路只利用正脈沖（正邊沿），所以脈沖信號的周期和同步時(shí)鐘分頻信號的周期一致.尖脈沖進(jìn)一步通過U1 比較、整形，使得需要結(jié)束充電時(shí)，信號能夠可靠觸發(fā)導(dǎo)通三極管Q2，讓電容結(jié)束充電，開始放電.放電的寬度即尖脈沖跨度，也是鋸齒波的下降幅度.由于微分信號的尖脈沖寬度窄，因此能夠形成鋒利的鋸齒波下降沿跳變.

2.2 X 通道掃描與控制電路

X通道的信號一般來說是鋸齒波屏幕掃描信號（圖3 中A 路）.但是，當(dāng)顯示豎線時(shí)，X通道的信號不需要掃描，而是決定豎線位置的一個(gè)直流電壓信號（圖3 中B 路）.系統(tǒng)根據(jù)不同情況選通不同信號到X通道（圖3）.

圖3 X 通道信號選擇電路

圖3 中，單片機(jī)生成PWM 信號，并經(jīng)過RC 濾波整形，通過調(diào)整PWM 波形的占空比就可以調(diào)整所需的直流電壓信號大小.最后輸入X通道的信號由二選一模擬開關(guān)決定，模擬開關(guān)掃描信號計(jì)數(shù)器控制.當(dāng)掃描普通信道時(shí)，接入A 路鋸齒波；當(dāng)顯示豎線時(shí)，接入B路PWM 電壓調(diào)節(jié)信號.

2.3 Y 通道掃描與控制電路

邏輯時(shí)序信號在Y軸顯示.根據(jù)顯示的邏輯時(shí)序的信道數(shù)不同，為了使各個(gè)波形不互相沖突、干涉，每個(gè)信道的顯示位置、幅度各有不同.以8 通道為例，在各個(gè)通道切換時(shí)利用加法器疊加原始邏輯時(shí)序信號和初始電平信號（如圖4）.

圖4 Y 通道信號選擇電路

圖4 中，U2 為計(jì)數(shù)器芯片，負(fù)責(zé)多信道切換的計(jì)數(shù)分配，單片機(jī)為每個(gè)信道提供初始電平，該初始電平由PWM 信號RC 濾波后給定.當(dāng)計(jì)數(shù)切換到豎線信道時(shí)，接入豎線掃描信號，此豎線掃描信號由分頻信號引入.U3 為多路模擬開關(guān)，根據(jù)計(jì)數(shù)分配信號切換各個(gè)信道初始電平和豎線信號.單片機(jī)根據(jù)掃描時(shí)鐘發(fā)送不同信道的邏輯時(shí)序，該時(shí)序經(jīng)過R14 和R15 壓縮衰減后，和U3 的輸出通過加法器U6 疊加，最終的信號送入Y通道顯示.

3 系統(tǒng)的核心控制功能

3.1 X 軸屏幕掃描時(shí)鐘的控制

示波器的X-Y模式不同于Y-T模式，沒有T時(shí)間軸.因此，設(shè)計(jì)的邏輯實(shí)訓(xùn)分析儀若要將X軸作為邏輯時(shí)序的時(shí)間軸，X軸屏幕掃描時(shí)鐘必須要與同步時(shí)鐘信號有對應(yīng)一致關(guān)系.系統(tǒng)的X軸屏幕掃描時(shí)鐘信號由同步時(shí)鐘的分頻而得，并進(jìn)入單片機(jī)和周圍系統(tǒng).基于統(tǒng)一的時(shí)鐘信號，屏幕顯示的邏輯時(shí)序波形就能穩(wěn)定.同時(shí)，屏幕掃描時(shí)鐘信號也為通道切換、豎線掃描提供基準(zhǔn).因此，屏幕掃描時(shí)鐘信號改變的同時(shí)也會改變邏輯時(shí)序波形的顯示周期數(shù)等相關(guān)信息.

3.2 邏輯時(shí)序的讀取和處理

單片機(jī)開辟顯示緩沖區(qū)來存儲和交互時(shí)序邏輯信號，負(fù)責(zé)讀取多通道的邏輯時(shí)序，將每個(gè)同步時(shí)鐘周期的邏輯狀態(tài)存儲入顯示緩沖區(qū)，并實(shí)時(shí)更新.顯示緩沖區(qū)的深度依據(jù)用戶設(shè)置的顯示周期長度、通道個(gè)數(shù)而定.例如，若1 個(gè)完整的時(shí)序邏輯周期為8 個(gè)時(shí)鐘周期，而系統(tǒng)要顯示8 通道2 時(shí)序周期的邏輯信號，那么就要開辟16 個(gè)字節(jié)的顯示緩沖區(qū).顯示緩沖區(qū)是一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)的存儲空間.當(dāng)邏輯狀態(tài)存儲深度已經(jīng)超過緩沖區(qū)長度時(shí)，自動(dòng)從緩沖區(qū)的第1 個(gè)字節(jié)存儲起.

3.3 觸發(fā)字的設(shè)置和觸發(fā)點(diǎn)的選擇

系統(tǒng)可以配置邏輯觸發(fā)字.當(dāng)通道的邏輯與觸發(fā)字一致時(shí)，截獲和顯示所有通道的邏輯時(shí)序.同時(shí)，該觸發(fā)字狀態(tài)可以選擇“開始觸發(fā)”“中點(diǎn)觸發(fā)”“末尾觸發(fā)”三種模式.三種觸發(fā)模式分別指的是捕獲到的觸發(fā)字狀態(tài)顯示在屏幕的左側(cè)、中間還是右側(cè).

顯示緩沖區(qū)的內(nèi)容和示波器顯示內(nèi)容一一對應(yīng)，但邏輯時(shí)序的發(fā)送和屏幕掃描信號不一定對齊初始相位.因此，將掃描鋸齒波信號整形為脈沖波引入單片機(jī)中斷（圖5），獲取屏幕掃描的初始相位，從初始相位開始計(jì)數(shù)同步時(shí)鐘，使相位對齊.系統(tǒng)找到滿足觸發(fā)字邏輯狀態(tài)的同步時(shí)鐘計(jì)數(shù)值，根據(jù)計(jì)數(shù)值偏移該觸發(fā)字邏輯狀態(tài)在顯示緩沖區(qū)的位置，就能調(diào)整觸發(fā)字狀態(tài)的顯示位置.

圖5 觸發(fā)點(diǎn)設(shè)置流程

3.4 固定X 軸顯示長度

系統(tǒng)的供電電壓為5 V，一般來說，與之匹配的示波器X軸設(shè)置為500 mV/div，觀察效果比較好.X軸的顯示長度由“掃描信號產(chǎn)生電路”的電容充電電壓決定.根據(jù)圖2，電容的充電電壓為：

其中：i為充電電流，t為充電時(shí)間，C為充電電容容量.在充電時(shí)間固定的情況下，調(diào)整可變電阻R1，就可以調(diào)整鋸齒波幅值.除了手動(dòng)調(diào)整，也可以自動(dòng)匹配（固定）X軸的顯示長度.不論同步時(shí)鐘如何變化，掃描鋸齒波信號的峰值電壓都需要是一個(gè)固定值，這樣才能使X軸在示波器屏幕上顯示的長度固定.結(jié)合公式（1）和公式（2），有：

其中，電容充電時(shí)間t即是同步時(shí)鐘周期，此時(shí)能使掃描處理的邏輯時(shí)序波形完整.單片機(jī)可以單獨(dú)調(diào)整Uc來調(diào)整X軸顯示長度，或者為了觀察方便，Uc固定，即顯示的X軸顯示長度固定.根據(jù)式（3），根據(jù)同步時(shí)鐘周期t改變充電電阻R1，使最終的Uc不變，具體軟件設(shè)計(jì)控制流程詳見圖6.

圖6 X 軸顯示長度自動(dòng)匹配流程

4 單片機(jī)的通信與顯示

邏輯分析儀需要處理高速的邏輯時(shí)序，因此需要高速的處理芯片，如STM32、FPGA等[5-6］，本系統(tǒng)應(yīng)用到的單片機(jī)為STC 超高速1T 單片機(jī)，價(jià)格低、性能高，能夠滿足簡易邏輯分析儀的需求.

4.1 雙機(jī)通信的框架結(jié)構(gòu)

由于每個(gè)同步時(shí)鐘周期都要讀入邏輯時(shí)序信號并處理，所以單片機(jī)既要處理核心控制功能（分析輸入邏輯信號時(shí)序、用戶按鍵處理、示波器顯示信號輸出等），又要負(fù)責(zé)界面顯示（液晶顯示、LED 指示等）.當(dāng)邏輯分析儀需要處理的頻率較高時(shí)，單片機(jī)的處理速度就顯得不夠.系統(tǒng)將界面顯示和核心控制功能分別由2 個(gè)單片機(jī)處理（圖7），減輕了單片機(jī)的運(yùn)行負(fù)擔(dān)，提高整機(jī)速率.兩個(gè)單片機(jī)之間通過UART 通信來交互相關(guān)信息.

圖7 單片機(jī)雙機(jī)通信架構(gòu)

4.2 通信協(xié)議

同步時(shí)鐘頻率（即邏輯時(shí)序信號）越快，單片機(jī)的運(yùn)行負(fù)擔(dān)越高.因此，兩個(gè)單片機(jī)間的通信協(xié)議不能過于復(fù)雜，如家居物聯(lián)網(wǎng)常用的數(shù)據(jù)幀格式[7］.文章設(shè)計(jì)了一個(gè)針對本系統(tǒng)的簡易通信協(xié)議，以夠用為度，越簡越好，能夠有效提升通信效率.協(xié)議為主從方式，每個(gè)數(shù)據(jù)幀僅3 個(gè)字節(jié)，包括一個(gè)起始字節(jié)、一個(gè)命令字節(jié)、一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)（圖8）.

圖8 通信數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

幀起始字系統(tǒng)定為0x5a.系統(tǒng)接收到幀起始字后需要再接收2 個(gè)字節(jié).命令字節(jié)表示數(shù)據(jù)的屬性和含義，具體用到的主要命令字定義如表1 所示.兩個(gè)單片機(jī)通過簡單的通信協(xié)議和命令實(shí)現(xiàn)狀態(tài)字、觸發(fā)字、觸發(fā)點(diǎn)等數(shù)據(jù)的共享.

表1 命令字含義表

實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)在輸入簡易測試邏輯時(shí)序波形[8］的情況下運(yùn)行良好（圖9）.

圖9 產(chǎn)品測試圖

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的邏輯分析儀利用已有的示波器X-Y模式使屏幕能夠顯示多通道的邏輯時(shí)序波形.邏輯分析儀能夠完成觸發(fā)字設(shè)置、觸發(fā)點(diǎn)選擇、邏輯狀態(tài)讀取等功能.該系統(tǒng)可以利用示波器實(shí)現(xiàn)邏輯分析儀的基礎(chǔ)功能，在無邏輯分析儀和考慮低成本的情況下，是完成時(shí)序邏輯分析的可行性解決方案.