虛擬數字信號邏輯分析儀設計與實現

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一、前言

本文中虛擬邏輯分析儀的硬件系統是基于AVR單片機的數據采集系統，軟件系統是以LabVIEW軟件為核心構建邏輯分析的虛擬儀器平臺。

二、虛擬數字信號邏輯分析儀整體設計

數據采集技術研究信息數據的采集、處理、傳輸、儲存以及控制等方面的技術。本系統的數據采集是多路模擬信號和數字信號獲取的過程

三、虛擬邏輯分析儀硬件系統設計

本數據采集系統的主要核心就是AVR單片機，在數據采集系統中，AVR單片機就是擔當控制中心，以單片機為核心拓展和配置整個硬件系統。整個數據采集系統的各拓展電路包括運算放大電路、信號檢測保護電路、光耦隔離電路、串口通信電路等。

(一)模擬信號采集設計

對于典型的模擬信號采集系統，是包括信號輸入、信號調理、采樣保持、信號轉化、信號傳輸等部分的。在本虛擬邏輯分析儀的下位機信號采集系統中，分辨率、分辨率、通道數、檢測速度或吞吐量、信號電平及其處理這些都影響著采集系統的采集效率。

(二)數字量信號采集設計

數字量信號是指在信號變化中是離散的信號，也就是指數字量信號的自變量和因變量都是離散的一種整數信號[2]。在以單片機為核心的數字量信號采集系統中，單片機的I/O可以直接檢測和接收外界輸入的開關量信號，虛擬邏輯分析儀的開關量信號輸入就是16路開關電路的按鍵輸入，由16個按鍵控制的開關電路，開關電路通過按鍵的斷開和閉合將高低電平通過單片機的引腳傳輸到單片機中。

(三)串口通信設計

通信技術就是信息的傳輸和交流的技術。因為單片機的內部集成一個USART接口，即通用異步串行接收/發送接口，所以單片機也就有串行和并行兩種通信方式。串口通信是單片機和計算機之間連接的核心[3]。AVR單片機內部自帶的串口通信模塊就是串行口。單片機通過串行通信接口，可以將其配置成與串行ADC等芯片之間通信的系統。

(四)電路隔離設計

考慮到電源和開關之間的電氣隔離和抗干擾的問題，電路中采用光電耦合隔離技術，光電耦合隔離技術就是光電耦合器利用發光二極管和光敏三極管的特性將輸入信號和內部電路隔離，這種隔離技術有著極強的抗干擾能力。

四、虛擬邏輯分析儀程序設計

(一)虛擬邏輯分析儀下位機程序設計

對于軟件的程序設計，下位機中基于ATmega128(L)單片機的數據采集系統中包括單片機的端口初始化、ADC初始化和USART0模塊初始化以及數據采集程序，數據傳輸部分的程序。程序的設計利用循環語句，將單通道數據采集轉換為八通道的數據采集。

(二)虛擬邏輯分析儀上位機程序設計

本儀器采用LabVIEW軟件進行設計，LabVIEW的編程過程采用了圖形化編程語言，它包含了大量控件、工具和函數。

1.虛擬邏輯分析儀控制面板設計

利用LabVIEW軟件可以構建一個顯示8路轉換后的模擬信號和16路數字量信號的虛擬邏輯分析儀的前面板。前面板部分虛擬邏輯分析儀的面板設計程序如下：

(1)首先添加一個串口資源檢測控件：控件(Controls)→新式(Modern)→I/O→VISA資源名稱(VISA resource name)。

(2)添加11個數值顯示控件：控件(Controls)→數值(Numeric)→數值顯示控件(Numeric indicator)，并將其中的八個分別用通道1至通道8標記，其余的標記為數值、開關量和讀取1。

(3)添加兩個字符串顯示控件：控件(Controls)→新式(Modern)→字符串與路徑(String & Path)→字符顯示控件(String Indicator)，并將兩個控件分別標記為讀取緩沖區和字符串1。

2.虛擬邏輯分析儀程序設計

(1)數據讀取模塊程序設計。

①添加一個串口配置函數：編程(Programming)→儀器I/O(Instruments I/O)→串口(Serial)→VISA配置串口(VISA Configure Serial Port)

②添加4個數值常量函數：編程(Programming)→數值(Numeric)→數值常量(Numeric Constant)，并將四個數值常量分別按照數據傳輸的參數標記，分別是波特率9600、數據位為8、沒有校驗位、1個停止位。

(2)數據截取分道模塊

①添加九個截取字符串函數：編程(Programming)→字符串(String)→字符串截取(String Subest)。將每一個截取控件分配到九個顯示面板上。

②添加九個數值/字符串轉換函數：編程(Programming)→字符串(String)→數值/字符串轉換(String/Number Conversion)→十六進制數字符至數值轉換。

五、虛擬邏輯分析儀調試

(一)虛擬邏輯分析儀下位機測試

虛擬邏輯分析儀下位機是利用雙路跟蹤穩流穩壓電源和示波器對硬件系統進行調試和功能實現，將穩壓電源作為硬件系統的整體電源輸入和模擬信號輸入，對硬件進行單片機最小系統測試，再將程序寫入單片機，根據擬定好的信號輸入幅值表依次對每個通道進行信號采集的測試，然后進行數字量信號測試，所有的測試結果均是由示波器來進行顯示。

(二)虛擬邏輯分析儀上位機測試

上位機是利用串口調試助手進行測試，模擬數據采集系統的數據傳輸，將利用USB下位機轉換串口將數據傳輸到虛擬邏輯分析儀，根據設定好的數據協議將數據分次傳遞到邏輯分析儀，邏輯分析儀對數據進行接收、讀取、處理、顯示，實現虛擬邏輯分析儀的功能。

在串口調試助手中分四次發送數據，打開LabVIEW中的邏輯分析儀，點擊連接接口的刷新，選擇VISA串口資源檢測控件自動檢測出來的LPT1或者COM3。然后點擊面板的運行按鈕，開始程序的運行。然后觀察緩沖區和各個通道的數據顯示。

六、總結

本文研究的是虛擬數字信號邏輯分析儀的設計與實現，相比較于傳統的儀器儀表，可以通過計算機來進行一些儀器的功能模擬，完成儀器的功能。虛擬邏輯分析儀的實現使得其數據采集處理能力和數據傳輸能力得到大幅度的提高，而且虛擬邏輯分析儀的優越的操作性能、強大的功能和低廉的成本，使得虛擬邏輯分析儀在儀器儀表等領域越來越受歡迎。