虛擬FPGA邏輯驗(yàn)證分析儀的設(shè)計(jì)

隨著FPGA技術(shù)的廣泛使用，越來(lái)越需要一臺(tái)能夠測(cè)試驗(yàn)證FPGA芯片中所下載電路邏輯時(shí)序是否正確的儀器。目前，雖然Agilent、Tektronix 等大公司生產(chǎn)的高端邏輯分析儀能夠?qū)崿F(xiàn)FPGA電路的測(cè)試驗(yàn)證功能，但此類(lèi)儀器價(jià)格高昂，一般要十萬(wàn)、數(shù)十萬(wàn)人民幣。所以，研究開(kāi)發(fā)價(jià)格適中且具有邏輯分析儀和FPGA電路的測(cè)試驗(yàn)證功能的儀器是非常有價(jià)值的。

本文所介紹的基于虛擬儀器技術(shù)的邏輯驗(yàn)證分析儀，采用FPGA技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)儀器硬件部分的主要設(shè)計(jì)，應(yīng)用圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW來(lái)實(shí)現(xiàn)儀器的測(cè)試軟件設(shè)計(jì)。文中闡述了虛擬FPGA邏輯驗(yàn)證分析儀的總體設(shè)計(jì)方案及其工作原理，并對(duì)儀器的兩個(gè)主要工作環(huán)節(jié)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)作了具體介紹。虛擬FPGA邏輯驗(yàn)證分析儀除了具有FPGA電路的基本測(cè)試驗(yàn)證功能，還具有邏輯分析儀和產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)的功能。它是微機(jī)系統(tǒng)及數(shù)字電路設(shè)計(jì)、偵錯(cuò)、軟件開(kāi)發(fā)和仿真的理想儀器。

虛擬FPGA邏輯驗(yàn)證分析儀的設(shè)計(jì)

1 虛擬FPGA邏輯驗(yàn)證分析儀的總體設(shè)計(jì)

虛擬FPGA邏輯驗(yàn)證分析儀是把計(jì)算機(jī)作為數(shù)據(jù)的顯示控制，顯示器和鼠標(biāo)、鍵盤(pán)作為儀器的用戶(hù)面板，其組成框圖如圖1所示。

圖1 虛擬FPGA邏輯驗(yàn)證分析儀組成框圖

本儀器的基本工作原理是：由計(jì)算機(jī)編輯輸入電路的仿真激勵(lì)信號(hào)給所設(shè)計(jì)的被測(cè)電路，同時(shí)進(jìn)行采集和存儲(chǔ)，再傳送回計(jì)算機(jī)，最后進(jìn)行電路的邏輯時(shí)序分析等，從而實(shí)現(xiàn)儀器的FPGA電路的基本測(cè)試驗(yàn)證功能以及邏輯分析儀功能和產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)的功能。儀器的工作步驟如圖2所示。

圖2 虛擬FPGA邏輯驗(yàn)證分析儀工作流程圖

2 虛擬FPGA邏輯驗(yàn)證分析儀的硬件設(shè)計(jì)

虛擬FPGA邏輯驗(yàn)證分析儀的硬件組成包含三個(gè)部分：

①主板，具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、定時(shí)計(jì)數(shù)、主板與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信等多種功能。由于FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列)可實(shí)現(xiàn)無(wú)限次地反復(fù)編程，快速方便實(shí)用，具有可現(xiàn)場(chǎng)模擬調(diào)試驗(yàn)證等特點(diǎn)，所以本系統(tǒng)中比較復(fù)雜的控制器部分、采樣部分等都采用FPGA實(shí)現(xiàn)；其他的由外圍芯片組成。外圍芯片上主要有RAM及數(shù)據(jù)緩沖和鎖存等數(shù)據(jù)通道部分。
②FPGA被測(cè)電路板。
③通用的個(gè)人計(jì)算機(jī)，具有運(yùn)行圖形化編程軟件的能力。

3 虛擬FPGA邏輯驗(yàn)證分析儀的軟件設(shè)計(jì)

虛擬邏輯驗(yàn)證分析儀的軟件設(shè)計(jì)采用NI公司的圖形化編程語(yǔ)言工具LabVIEW7.0。FPGA測(cè)試驗(yàn)證軟件是一款包含數(shù)字波形打開(kāi)、編輯、保存、瀏覽的高性能軟件，在硬件的配合下，可以完成數(shù)字波形的下載，即將編輯生成波形以數(shù)據(jù)形式加載到被測(cè)FPGA電路板的激勵(lì)端口，并從輸出端口取回測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，以驗(yàn)證用戶(hù)下載到被測(cè)FPGA電路板中的可編程邏輯設(shè)計(jì)是否正確。軟件的主界面如圖3所示。

圖3 軟件主界面

介紹虛擬FPGA邏輯驗(yàn)證分析儀的兩個(gè)工作環(huán)節(jié)

1 編輯激勵(lì)信號(hào)

虛擬FPGA邏輯驗(yàn)證分析儀的激勵(lì)信號(hào)源采用純軟件LabVIEW來(lái)實(shí)現(xiàn)，該激勵(lì)信號(hào)源可選擇以真值表方式（按位方式）或編碼表（總線方式）打開(kāi)、編輯或保存數(shù)字激勵(lì)波形，并可選擇周期數(shù)。其主要技術(shù)指標(biāo)如下。

①輸入方式：真值表、總線方式編輯輸入；
②輸出通道：13個(gè)輸出激勵(lì)信號(hào)數(shù)據(jù)通道；
③顯示方式：
A：時(shí)序波形顯示，可水平位移和水平伸縮；
B：數(shù)據(jù)顯示，分為二進(jìn)制、十六進(jìn)制顯示。

2 測(cè)量被測(cè)電路板

在虛擬FPGA邏輯驗(yàn)證分析儀的工作流程中，測(cè)量被測(cè)電路板這一工作即將編輯好的仿真激勵(lì)信號(hào)輸入給所設(shè)計(jì)的被測(cè)電路板，同時(shí)進(jìn)行采集和存儲(chǔ)所測(cè)試電路板的數(shù)據(jù)。該步驟中的采集工作主要采用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)，存儲(chǔ)工作用RAM來(lái)完成。通過(guò)分析論證，本設(shè)計(jì)采用ALTER公司Cyclone系列的芯片，型號(hào)為EP1C6Q144。它采用1.5V內(nèi)核電壓，內(nèi)嵌92160位存儲(chǔ)區(qū)間，可提供兩個(gè)鎖相環(huán)和雙信數(shù)據(jù)傳輸速率(DDR)的接口電路。設(shè)計(jì)中，邏輯分析儀電路及采集電路的主要技術(shù)指標(biāo)如下。

①采集時(shí)鐘：外時(shí)鐘和內(nèi)時(shí)鐘；
②內(nèi)時(shí)鐘頻率：25kHz、50kHz、100kHz、250kHz、500kHz、1MHz、5MHz、10MHz；
③采集存儲(chǔ)點(diǎn)數(shù)：1～2048；
④觸發(fā)方式：時(shí)鐘觸發(fā)、外部觸發(fā)、字觸發(fā)和按鍵觸發(fā)。
 
結(jié)束語(yǔ)

本文所介紹的虛擬FPGA邏輯驗(yàn)證分析儀，采用FPGA技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)儀器硬件部分的主要設(shè)計(jì)，應(yīng)用圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW來(lái)實(shí)現(xiàn)儀器的測(cè)試軟件設(shè)計(jì)。事實(shí)證明，該方案設(shè)計(jì)的虛擬FPGA邏輯驗(yàn)證分析儀不但具有FPGA電路的基本測(cè)試驗(yàn)證功能，還有邏輯分析儀和產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)的功能。通過(guò)實(shí)用證明，該儀器具有功能強(qiáng)大、穩(wěn)定性好、可擴(kuò)展性強(qiáng)及操作方便靈活等特點(diǎn)，是教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和科研的很好的輔助儀器。