8位数字逻辑分析仪的设计.docx

1、8位数字逻辑分析仪的设计目录引言 3一、LabVIEW和数字逻辑分析仪简介 41.1 LabVIEW简介 41.2 数字逻辑分析仪简介 5 1.3 实验平台简介二、数字逻辑分析仪的总体设计 6三、前面板设计 8四、程序设计 9五、调试及结果 10六、总结心得 11七、参考文献 12引言LabVIEW是目前国际上唯一的编译型图形化编程语言，使用“所见即所得”的可视化技术建立人机界面，使用图标表示功能模块迷失用图标之间的连线表示各模块间的数据传递。同时LabVIEW继承了高级编程语言的结构化和模块化编程的优点，支持模块化与层次化实际，这种结构的实际增强了程序的可读性。LabVIEW是一种图形化的编

2、程语言和开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接收，被公认为是标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW是一个功能强大且灵活的软件，利用他可以方便的建立自己的虚拟仪器。以LabVIEW为代表的图形化编程语言，又称为“G”语言。使用这种语编程时，基本上不需要编写程序代码，而是“绘制”程序流程图。LabVIEW尽可能利用工程技术人员所熟悉的术语、图标和概念，因而它是一种面向最终用户的开发工具，可以增强工程人员构建自己的科学和工程系统的能力，可为实现仪器编程和数据采集系统提供便捷途径。数字逻辑分析仪重点在于考察信号高于或低于某一门限电平值，以及这些数字信号与系统时间之间的相对关。逻辑分析

3、仪是一种类似于示波器的波形测试设备，它可以监测硬件电路工作时的逻辑电平（高或低），并加以存储,用图形的方式直观地表达出来，便于用户检测,分析电路设计(硬件设计和软件设计) 中的错误，逻辑分析仪是设计中不可缺少的设备，通过它，可以迅速地定位错误，解决问题，达到事半功倍的效果。逻辑分析仪是利用时钟从测试设备上采集和显示数字信号的仪器，最主要作用在于时序判定。由于逻辑分析仪不像示波器那样有许多电压等级，通常只显示两个电压（逻辑1和0），因此设定了参考电压后，逻辑分析仪将被测信号通过比较器进行判定，高于参考电压者为High,低于参考电压者为Low，在High与Low之间形成数字波形。逻辑分析仪分为两大

4、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）。这两类分析仪的基本结构是相似的，主要区别表现在显示方式和定时方式上。本次课程设计就是在LabVIEW基础上设计一个8位数字逻辑分析仪。并从中学习和了解LabVIEW的运用和编程。一、LabVIEW和数字逻辑分析仪简介1.1 LabVIEW简介 虚拟仪器（virtual instrument）是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功

5、能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式。上面的框图反映了常见的虚拟仪器方案。 LabVIEW(laboratory virtual instrument engineering workbench)是一种图形化的编程语言和开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接收，被公认为是标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW不仅提供了与遵从GPIB，VXI，RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通信的全部功能，还布置了支

6、持TCP/IP，ActiveX等软件标准的库函数，而且图形化的编程界面使编程过程变得生动有趣。LabVIEW是一个功能强大且灵活的软件，利用他可以方便的建立自己的虚拟仪器。LabVIEW是目前国际上唯一的编译型图形化编程语言，使用“所见即所得”的可视化技术建立人机界面，使用图标表示功能模块迷失用图标之间的连线表示各模块间的数据传递。同时，LabVIEW继承了高级编程语言的结构化和模块化编程的优点，支持模块化与层次化实际，这种结构的实际增强了程序的可读性。LabVIEW语言使用的编程语言通常称为G语言。G语言与传统文本编程语言的主要区别在于：传统文本编程语言是根据语句和指令的先后顺序执行，而La

7、bVIEW测采用数据流编程的方式，程序框图中节点之间数据流向决定了程序的执行顺序。G语言用图形表示函数，用连线表示数据流向。从而能够实观的将所要表达的设计理念显示出来。1.2 数字逻辑分析仪介绍及分类逻辑分析仪的工作过程就是数据采集、存储、触发、显示的过程，由于它采用数字存储技术，可将数据采集工作和显示工作分开进行，也可同时进行，必要时，对存储的数据可以反复进行显示，以利于对问题的分析和研究。 将被测系统接入逻辑分析仪，使用逻辑分析仪的探头（逻辑分析仪的探头是将若干个探极集中起来，其触针细小，以便于探测高密度集成电路）监测被测系统的数据流，形成并行数据送至比较器，输入信号在比较器中与外部设定的

8、门限电平进行比较，大于门限电平值的信号在相应的线上输出高电平，反之输出低电平时对输入波形进行整形。经比较整形后的信号送至采样器，在时钟脉冲控制下进行采样。被采样的信号按顺序存储在存储器中。采样信息以“先进先出”的原则组织在存储器中，得到显示命令后，按照先后顺序逐一读出信息，按设定的显示方式进行被测量的显示。逻辑分析仪是利用时钟从测试设备上采集和显示数字信号的仪器，最主要作用在于时序判定。由于逻辑分析仪不像示波器那样有许多电压等级，通常只显示两个电压（逻辑1和0），因此设定了参考电压后，逻辑分析仪将被测信号通过比较器进行判定，高于参考电压者为High,低于参考电压者为Low，在High与 Low

9、之间形成数字波形。逻辑分析仪的作用是利用便于观察的形式显示出数字系统的运行情况，对数字系统进行分析和故障判断。其主要特点如下： 有足够多的输入通道 具有多种灵活的触发方式，确保对被观察的数据流准确定位（对软件而言可以跟踪系统运行中的任意程序段，对硬件而言可以检测并显示系统中存在的毛刺干扰）。 具有记忆功能，可以观测单次及非周期性数据信息，并可诊断随机性故障。 具有延迟能力，用以分析故障产生的原因。 具有限定功能，实现对欲获取的数据进行挑选，并删除无关数据。 具有多种显示方式，可用字符、助记符、汇变语言显示程序，用二进制、八进制、十进制、十六进制等显示数据，用定时图显示信息之间的时序关系。 具有

10、驱动时域仪器的能力，以便复显待测信号的真实波形及有利于故障定位。 具有可靠的毛刺检测能力。逻辑分析仪分为两大类：逻辑状态分析仪（Logic State Analyzer,简称LSA）和逻辑定时分析仪（Logic Timing Analyzer）。这两类分析仪的基本结构是相似的，主要区别表现在显示方式和定时方式上。逻辑状态分析仪用字符0、1或助记符显示被检测的逻辑状态，显示直观，可以从大量数码中迅速发现错码，便于进行功能分析。逻辑状态分析仪用来对系统进行实时状态分析，检查在系统时钟作用下总线上的信息状态。它的内部没有时钟发生器，用被测系统时钟来控制记录，与被测系统同步工作，主要用来分析数字系统的

11、软件，是跟踪、调试程序、分析软件故障的有力工具。 逻辑定时分析仪用来考察两个系统时钟之间的数字信号的传输情况和时间关系，它的内部装有时钟发生器。在内时钟控制下记录数据，与被测系统异步工作，主要用于数字设备硬件的分析、调试和维修。1.3 实验平台简介 通过使用NI公司的软硬件产品，世界各地的工科教师都可以凭借动手操作、实验学习的方式帮助学生们将理论与实际结合起来。教师也可以借助NI ELVIS这个完整且低成本的设计原型化平台，在实验室中教授电路、测量、控制、通信、微控制器和嵌入式设计等方面的知识。本着教学平台的设计理念，NI ELVIS拥有12种精密仪器。这些仪器基于NI LabVIEW 图形化

12、系统设计软件，具有USB即插即用的连接性、版本向下兼容性，同时还有一整套课程资源来帮助教师准备大多数的课程。 NI教学实验室虚拟仪器套件（NI ELVIS）是动手设计与原型设计平台，它集成了最常用的12个仪器包括示波器、数字万用表、函数发生器、波特图分析仪等等，将它们集成在适合于硬件实验室或课堂的使用中。100 MS/s 的示波器选项可以用于NI ELVIS II+中。基于NI LabVIEW 图形化系统设计软件，带有USB即插即用功能的NI ELVIS提供了虚拟仪器的灵活性，并且允许进行快速简单的测量采集与显示。该硬件平台适用于一年级直至四年级的课程，帮助教师教授不同的课程概念，包括测量与仪

13、器、模拟与数字电路、控制与机电一体化、电信与嵌入式理论等。2、数字逻辑分析仪的总体设计本次课程设计是先做出4为数字逻辑分析仪，然后进行拓展成8位数字逻辑分析仪。2.1 555时钟电路555定时器市一中数字电路与模拟电路相结合的中规模集成电路。该电路使用灵活、方便，只需外接少量阻容原件就可以构成单稳态触发器和多谐振荡器等，因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。555芯片为8脚的引脚图，如下图一所示。每个引脚的含义如下： 1地GND 2触发 3输出 4 复位 5控制电压 6门限（阈值） 7放电 8电源电压Vcc 图一 555芯片引脚图在接下来的实验中，我们要利用555芯片来搭建一个数字时钟电路

14、。电路原理图如图二所示，使用+5电压源作为Vcc。使用0.1F电容C，RA=10k，RB=10k。参照图二，555芯片4脚和8脚和Vcc相连。RA，RB和C连接在Vcc和地之间，1脚接地。3脚作为输出端口连接至DIO0端口。对于该555定时振荡电路的周期T： T = 0.695 (RA+ 2 RB) *C (单位：秒seconds)555定时振荡电路的振荡频率f： f = 1/T (单位：Hz)555定时振荡器的持续时间为： T = 0.695 (RA+ RB) *C (单位：秒seconds)555定时振荡电路的占空比： DC = (RA+ RB) / (RA+ 2 RB)可以使用Digit

15、al Reader软面板读取当前555时钟振荡电路所输出的信号高低状态。也可以使用示波器来观察3脚的输出信号。 图二 555定时振荡电路图2.2 数字计数器 使用一块555芯片以及一块7493组成一个4为数字计数器。原有的定时振荡电路不变，再加上4位的二进制计数器7493。该7493芯片包含一个二分频和一个八分频计数器。利用这两个计数器可以设计一个十六分频电路，即将1号脚和12脚相连接即可。具体的连线方式，如图三所示（multisim中的仿真图）。 图三 8位数字计数器原理图 注意，图三中的电容C=0.1F。连线时，7493的2脚，3脚，10脚接地；5脚接+5V电源；555芯片的3脚连接749

16、3的14脚。另外，按照如下说明连接7493的引脚至原型板的DIO端口和LED端口。三 前面板设计前面板设计如图四,主要包括显示控件示波器和led闪烁灯，数值输入控件来设置采样时间即采样的快慢，数值显示控件。停止开关可以随时对程序运行时进行停止操作。 图四 8位数字逻辑分析仪前面板四 程序设计打开LabVIEW软件，新建一个新的VI。使用ELVIS II自带的Exprss VI编写程序。在程序框图中右击，Measure I/O-NI ELVISmx面板中选择NI ELVISmx Digital Reader这个VI，配置相关通道，与实验原理中所选择的DIO通道相一致。主要包括数组索引控件、簇的捆

17、绑控件、布尔值转换为0.1控件、控制采样时间的定时控件以及while循环结构等。如图五所示为逻辑分析仪程序框图。 图五 8位数字逻辑分析仪程序框图 在原型面包板上搭建的实物连线图如图六所示 图六 实物连线图五 调试及结果修改程序框图中的通道为Dev2，运行程序，从前面板中的示波器中可以看到相应的数字波形及对应的led灯的闪烁，led灯对应为8位二进制数，数值显示控件位对应二进制数转换为的十进制数。如图七所示为当采样时间为50ms、80ms时的波形 图七（1） 采样时间为50ms时的调试结果 图七（2） 采样时间为80ms时的调试结果 图七（3） 采样时间为120ms时的调试结果六 总结心得通过

18、这次课程设计，进一步了解LabVIEW的运用，也对数电的相关知识进行了巩固。了解了数字逻辑分析仪的工作原理及应用范围。本次课程设计时序两周时间，因为事先要分好组，然后对于做实验要用到的仪器熟悉，从中也得到不少的知识，为下一步的工作和学习做好了准备。以前上课时因为没有好好听课，对于LabVIEW的一些基本用发都忘记了不少，现在正好可以复习一下课程设计题目是数字逻辑分析仪的设计，刚开始还不知道这个数字逻辑分析是干什么的，有什么用处，通过网上查资料才对其有所了解，知道了其优缺点。这次课程设计我主要负责在实验台上搭线和观察波形，通过实验，逐渐熟悉了NI ELVIS II试验平台和labview的相关性

19、能，也学到了不少课堂上没学到的知识。回味这次课程设计，最大的收获莫过于对事情或者说是对事件的处理能力的一次锻炼。调试过程是一个比较难搞定的过程，波形输出不对，失真问题以及LED灯不闪烁等问题都要自己一步一步去检查纠正，才会发现其中的问题并且能够加深理解，从而学到课本上所学不到的东西。学会问问题是一个最好的收获。老师之所以不亲自指导而是让我们就其存在的问题，学会自己去解决。网络、同学、书本等等都可以自己去寻找答案，而不是处处依赖他人来获得解决，自己不去想，不去思考，不去寻找答案那么最终又有几个能在心底中存留，下次再碰到同样类似的问题时，是否能够真的自己解决。凡事都要自己去体验一番，只有自己做了，

20、尽力了，真的做不出来才向老师提出问题，那样或许学得更多，学得更好。学会了强迫自己去做自己不喜欢的东西，并且从中找到了乐趣。一开始非常排斥，真的这绝对是实话，因为不懂得其中的奥妙，不懂得其中的必要，不懂得其中的长远利益。最重要的是明白了自己学了什么，四年大学我做了什么，我的专业是学什么的，有没有用，其真正的东西在哪里，我是否找到了。我找到了我自己，学会了学习。在这次设计过程中，体现出自己单独设计模具的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。总之一句话，态度决定一切。如果自己没有端正态度，那么什么事都不会成功的。事无巨细，有心则灵。凡事都有其中之奥妙，端正态度，投入其中方能知其中之奥妙。七 参考文献 1 吴成东，孙秋野，盛科. LabVIEW虚拟仪器程序设计及应用M.北京：人民邮电出版社，2008 2 Jeffrey Travis,Jim Kring美.LabVIEW大学使用教程.北京：电子工业出版社，2008.6