1、<p>　　集成電路軟件課程設(shè)計報告</p><p>　　學生姓名： ×× 專業(yè)班級：×× ×××× 班 </p><p>　　指導教師： 工作單位：信 息 工 程 學 院 </p><p><b>　　題 目： </b><

2、/p><p><b>　　初始條件：</b></p><p>　　集成電路設(shè)計及其應用是微電子技術(shù)一個非常重要的方面。集成電路設(shè)計通常包括：系統(tǒng)（或邏輯）設(shè)計、電路設(shè)計、版圖設(shè)計和工藝設(shè)計。通常有兩種設(shè)計途徑：正向設(shè)計和逆向設(shè)計正向設(shè)計是指由電路指標、功能出發(fā)，進行邏輯設(shè)計（子系統(tǒng)設(shè)計），再由邏輯圖進行電路設(shè)計，最后由電路進行版圖設(shè)計，同時還要進行工藝設(shè)計。</p&

3、gt;<p>　　要求完成的主要任務： </p><p>　?。?）每位同學自選一個題目，自行設(shè)計一個電路，不能出現(xiàn)相同的題目（或電路）。</p><p>　　（2）按集成電路設(shè)計以下幾個階段：系統(tǒng)（或邏輯）設(shè)計、電路設(shè)計、版圖設(shè)計。在每個階段利用相關(guān)軟件對設(shè)計的電路進行計算、分析、設(shè)計、模擬和仿真。</p><p>　?。?）利用集成電路芯片進行電路

4、設(shè)計，需對設(shè)計的系統(tǒng)或電路進行結(jié)構(gòu)和原理進行分析，對電路進行分析計算和仿真等方面的工作。</p><p>　　（4）完成課程設(shè)計報告，（應包含電路圖，元件清單，調(diào)試及設(shè)計總結(jié)）。</p><p><b>　　時間安排：</b></p><p>　　1．2011年12月30日分班集中，布置課程設(shè)計任務、選題；講解課設(shè)具體實施計劃與課程設(shè)計報告格式

5、的要求；課設(shè)答疑事項。</p><p>　　2．2011年12月31日至2012年1月9日完成資料查閱、設(shè)計、制作與調(diào)試。</p><p>　　3．2012年1月10日至2012年1月11日完成課程設(shè)計報告撰寫。</p><p>　　3．2012年1月13日提交課程設(shè)計報告，進行課程設(shè)計驗收和答辯。</p><p>　　指導教師簽名：

6、 年 月 日</p><p>　　系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日</p><p>　　基于單片機的邏輯采集電路設(shè)計</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本多路邏輯采集系統(tǒng)主要由邏輯信號發(fā)生器，信號調(diào)理部分，按

7、鍵調(diào)控模塊，顯示模塊及主控制器模塊。信號發(fā)生器用于產(chǎn)生八路固定可預置信號，而信號調(diào)理模塊用于將采集到的信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字器件可以處理的數(shù)字信號，其中使用DA產(chǎn)生比較大電壓，用于適應不同信號的輸入。本設(shè)計采用簡易的移位寄存器實現(xiàn)八路固定信號的產(chǎn)生，主控制芯片使用TI公司的MSP430F249實現(xiàn)數(shù)字信號的獲取以及12864顯示器的控制。12864液晶顯示器最多可以實現(xiàn)八路信號128個信號位的顯示。按鍵模塊用于系統(tǒng)設(shè)計及觸發(fā)方式（如多級觸發(fā)）的

8、選擇，操作過程中均有人性化界面的顯示。本設(shè)計使用芯片少，實現(xiàn)成本低，而很好地可以實現(xiàn)題目所要求的功能，因而更加穩(wěn)定。</p><p>　　關(guān)鍵字：邏輯信號采集，多級觸發(fā)。</p><p><b>　　abstract</b></p><p>　　The simple logic analyzer mainly by the logic sign

9、al generator, signal conditioning parts, key control module, display module and master controller module. Signal generator can be used to generate eight-100k fixed preset signal, and signal conditioning modules used

10、 to collect the signal into a digital device can handle digital signals, which use the DA a relatively large voltage signals used to adapt to different inputs. This design uses a simple shift registers for eight fix

11、ed signal generation</p><p>　　Keyword:logic analyzer,12864, Multi-level trigger </p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　abstract

12、I</p><p>　　1方案選擇及分析1</p><p>　　1.1核心系統(tǒng)方案選擇1</p><p>　　1.2八路可預置信號發(fā)生器2</p><p><b>　　1.3顯示方式2</b></p><p>　　1.4通道阻抗及多級門限值的設(shè)定2</p><p>

13、;　　2具體方案實現(xiàn)及仿真3</p><p>　　2.1硬件實現(xiàn)及仿真3</p><p>　　2.1.1整體硬件結(jié)構(gòu)框圖3</p><p>　　2.1.2八路信號發(fā)生器模塊4</p><p>　　2.1.3電壓匹配模塊5</p><p>　　2.1.4矩陣鍵盤及單片機模塊6</p><p

14、>　　2.1.5顯示模塊6</p><p><b>　　2.2軟件組成7</b></p><p>　　2.2.1主程序軟件設(shè)計7</p><p>　　2.2.2按鍵觸摸模塊軟件設(shè)計8</p><p>　　2.2.3中斷模塊軟件設(shè)計9</p><p>　　3仿真結(jié)果及分析10<

15、;/p><p>　　3.1八路信號發(fā)生器仿真10</p><p>　　3.2觸發(fā)捕獲信號仿真11</p><p>　　3.3多級邏輯門限設(shè)定仿真測試11</p><p><b>　　參考文獻12</b></p><p><b>　　小結(jié)12</b></p>

16、<p><b>　　1方案選擇及分析</b></p><p>　　1.1核心系統(tǒng)方案選擇</p><p>　　邏輯信號采集主要用于同時收集外部信號并用顯示器實時顯示用戶指定位置的信號，因而可以幫助工程師們快速發(fā)現(xiàn)信號中的錯誤，從而改進程序和方案。而通常的邏輯分析儀要求的采樣速率不同，因而采樣方案也會不同，主要有以下幾種方案：</p><

17、p>　　方案一、使用FPGA采集信號，并用于控制外部電路的信號時序。FPGA實現(xiàn)的優(yōu)點就是可以實現(xiàn)高速采樣，可以發(fā)現(xiàn)信號中很短時間內(nèi)的信號變化，在發(fā)現(xiàn)脈沖信號及競爭冒險的電路時是非常方便的。并且對于本設(shè)計，不需要存儲大量信號的情況，使用FPGA內(nèi)部的存儲器也就可以實現(xiàn)了。但是FPGA用于控制LCD的程序比較復雜，而且不易實現(xiàn)實時，并且如果使用仿真軟件實現(xiàn)邏輯分析儀Quartus無法實現(xiàn)顯示功能，故此方案不宜使用。</p>

18、;<p>　　方案二、使用FPGA和單片機配合工作。FPGA負責對外部信號的高速采樣，而單片機負責顯示及鍵盤等交互接口。此方案可以很好地解決FPGA很難控制交互界面的缺點，并且可以做到高速采樣，內(nèi)部存儲器等優(yōu)化功能，但是這樣容易導致系統(tǒng)的復雜程度加大，而且成本可能會在無形中增大。</p><p>　　方案三、使用單片機完成包括采樣，顯示及鍵盤控制等電路。該方案可以解決交互界面的制作問題，但是無法完成

19、告訴的采樣，無法發(fā)現(xiàn)信號的小突變及晶振冒險。</p><p>　　本簡易邏輯分析儀主要針對100Hz的信號，如果要基本完全還原原信號，采樣時鐘只需要1k左右即可。因而無需使用非常告訴的采樣速率，并且MSP420F249內(nèi)部含有2k的ram，已經(jīng)可以符合設(shè)計的要求，所以，本設(shè)計采用第三種方案完成簡易邏輯分析儀的設(shè)計與制作。</p><p>　　1.2八路可預置信號發(fā)生器</p>

20、<p>　　設(shè)計要求產(chǎn)生八路可預置的移位信號，因而必定通過八位移位寄存器完成此功能。此外要求中明確規(guī)定需以100kHz的方波為基準頻率，因而需產(chǎn)生100KHz的方波信號。方波信號可通過555或者諧振電路產(chǎn)生，但是555產(chǎn)生的方波信號的占空比并不能達到百分之五十，故使用運算放大器設(shè)計的諧振電路產(chǎn)生正弦信號，然后經(jīng)過比較器比較后得到的方波信號應該是比較理想的方案。</p><p><b>　　1

21、.3顯示方式</b></p><p>　　設(shè)計要求將所采集到的數(shù)字波形顯示出來。顯示波形的方式有很多，顯示的方法也有很多，有人通過兩路電壓及頻率的輸出送到示波器中輸出，有人使用320×240的大屏幕顯示，然而本設(shè)計中僅需要顯示八路信號波形，12864的屏幕大小正好合適，而且示波器的x軸和y軸的匹配比較麻煩，并且在仿真上難以實現(xiàn)，因而本設(shè)計的簡易邏輯分析儀使用12864顯示波形信號，同時顯示觸

22、發(fā)位置。</p><p>　　1.4通道阻抗及多級門限值的設(shè)定</p><p>　　題目要求設(shè)計輸入阻抗大于50K歐姆，故輸入前段必須加一級電壓跟隨器，或者使用類似運放開環(huán)輸入式的電路才能夠?qū)崿F(xiàn)高阻抗。</p><p>　　此外題目要求邏輯信號門限電壓在0.4V到4V內(nèi)16級可調(diào)，因而邏輯信號在送入單片機之前必須經(jīng)過電平匹配，最方便的方法是使用比較器將輸入信號比較出

23、5V電壓，只要改變比較電壓就可以實現(xiàn)多級電壓匹配了。比較電壓的改變可以通過各種方法實現(xiàn)，比如電位器，數(shù)模轉(zhuǎn)換器，電阻網(wǎng)絡(luò)等。電位器的實現(xiàn)方法和設(shè)計要求略有不符，電阻網(wǎng)絡(luò)制作和使用起來都比較不方便，因而本設(shè)計采用數(shù)模轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)比較電壓的改變。</p><p>　　2具體方案實現(xiàn)及仿真</p><p>　　2.1硬件實現(xiàn)及仿真</p><p>　　2.1.1整體硬件結(jié)構(gòu)

24、框圖</p><p>　　圖1硬件整體結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　矩陣鍵盤用于控制單片機對數(shù)模的輸出即設(shè)置門限電壓，并設(shè)計觸發(fā)方式：一級觸發(fā)，二級觸發(fā)，三級觸發(fā)。由100KHz的信號發(fā)生器產(chǎn)生的正弦信號經(jīng)過比較器后送入八路移位寄存器，輸出即為八路移位信號，經(jīng)過門限比較后送入單片機進行處理，當觸發(fā)條件滿足后送顯示器顯示。</p><p>　　2.1.2八路信號發(fā)生器

25、模塊</p><p>　　八路信號發(fā)生器模塊電路圖如圖所示：</p><p>　　圖2八路信號發(fā)生器電路原理圖圖</p><p>　　可以看到，該模塊主要分為兩個部分，第一部分使用運算放大器組成振蕩電路產(chǎn)生100kHz的正弦信號，諧振電阻和電容值計算公式如下：</p><p>　　然后讓輸出的正弦波通過比較器使其輸出方波信號。</p&g

26、t;<p>　　第二個部分為移位寄存器部分，可使用八個開關(guān)預置發(fā)生信號的值，通過此移位寄存器后輸出為八路移位信號。</p><p>　　2.1.3電壓匹配模塊</p><p>　　電壓匹配模塊的電路原理圖如圖所示：</p><p>　　圖3 電壓匹配模塊電路原理圖</p><p>　　此模塊接收信號發(fā)生器產(chǎn)生的八路移位信號并送入

27、相應的比較器部分使其輸出符合數(shù)字電路3.3V的要求。</p><p>　　而比較器的比較電壓由模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出決定，為實現(xiàn)0.25V到4V的16級門限電壓，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出間隔為：，因而對于相應的八位數(shù)模轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量間隔為：。</p><p>　　2.1.4矩陣鍵盤及單片機模塊</p><p>　　模塊原理圖如圖所示：</p><p>　　

28、圖4 矩陣鍵盤及單片機模塊電路圖</p><p>　　該模塊使用12個按鍵實現(xiàn)鍵盤功能，鍵盤的掃描使用內(nèi)部編程方式，為了簡化程序，該鍵盤僅在程序運行之初可以設(shè)置，當設(shè)計完畢后鍵盤即取消去作用。</p><p><b>　　2.1.5顯示模塊</b></p><p>　　具體電路如圖11所示：</p><p>　　圖5 單

29、片機與顯示模塊</p><p>　　此12864液晶內(nèi)部不帶有字庫，寫入數(shù)據(jù)后以豎直方式顯示，因此可顯示128×8個數(shù)據(jù)，正好用于顯示八路信號，每路信號可以顯示128個點，每次采集完1K的數(shù)據(jù)后便在液晶上顯示。如果用戶需要放大，則按下暫停鍵后左右山下翻動就可以實現(xiàn)放大，左右鍵可以實現(xiàn)移動。</p><p><b>　　2.2軟件組成</b></p>

30、;<p>　　2.2.1主程序軟件設(shè)計</p><p><b>　　圖6 主程序流程圖</b></p><p>　　主程序中首先完成邏輯分析儀的設(shè)置，然后根據(jù)設(shè)置完成各種變量的切換。中斷中完成對數(shù)據(jù)的采集工作，只有當滿足觸發(fā)條件的時候數(shù)據(jù)才會不斷送入存儲器當中，因而只要存儲器存滿就可以刷新屏幕了。</p><p>　　2.2.2按

31、鍵觸摸模塊軟件設(shè)計</p><p>　　作用是輸出1s定時信號，定時結(jié)束時可以讀取數(shù)據(jù)。</p><p>　　圖7 按鍵處理流程圖</p><p>　　本設(shè)計中的按鍵處理模塊使用的是狀態(tài)機的操作思想來完成單按鍵多功能的（當然每種功能的時候都會有界面提示）。初始界面不同則按鍵選擇進入不同的狀態(tài)，然后再在每個狀態(tài)中進行按鍵操作的處理，并且當需要進行其它設(shè)置的時候，還可以

32、跳轉(zhuǎn)到其他的狀態(tài)。</p><p>　　2.2.3中斷模塊軟件設(shè)計</p><p><b>　　圖8 中斷流程圖</b></p><p>　　該中斷用于處理采樣時鐘上升沿到來后的觸發(fā)及存儲問題的。首先判斷是否開始存儲，如果已經(jīng)開始則跳過判斷觸發(fā)的程序，執(zhí)行存儲，一直到將存儲器利用完，這是將在主程序中觸發(fā)顯示模塊跟新顯示。如果沒有開始存儲則執(zhí)行觸

33、發(fā)條件判斷模塊，只有當觸發(fā)條件滿足的時候才會開始存儲。</p><p><b>　　3仿真結(jié)果及分析</b></p><p>　　3.1八路信號發(fā)生器仿真</p><p>　　八路信號發(fā)生器電路產(chǎn)生的信號使用proteus中自帶的邏輯分析儀查看的結(jié)果如下圖所示：</p><p>　　圖9 信號發(fā)生器仿真結(jié)果圖</p

34、><p>　　該八路信號的產(chǎn)生是由其初始信號“10100000”通過移位寄存器而產(chǎn)生的，由圖中可以看出，下面的信號依次為上一個的移位的結(jié)果。</p><p>　　3.2觸發(fā)捕獲信號仿真</p><p>　　經(jīng)過一級觸發(fā)信號“10100000”觸發(fā)后接收到的信號仿真波形為：</p><p>　　圖10邏輯分析儀仿真波形圖</p>&l

35、t;p>　　通過實驗仿真，多級觸發(fā)的效果也是可以的，可以完美地再現(xiàn)波形。</p><p>　　三級觸發(fā)所得的仿真波形為：</p><p>　　圖11三級觸發(fā)仿真效果圖</p><p>　　3.3多級邏輯門限設(shè)定仿真測試</p><p>　　表1邏輯門限電壓設(shè)定測試表</p><p>　　由表中可以看出比較器發(fā)生邏

36、輯跳變的有效電壓與邏輯比較電壓之差很小，基本維持在4%附近，平均值小于5%。因而是符合設(shè)計要求的。參考文獻</p><p>　　[1]甘學穩(wěn)．集成電路原理與設(shè)計．北京：北京大學出版社，2006.2．</p><p>　　[2]謝凱，趙建．Msp430系列單片機系統(tǒng)設(shè)計與實踐．北京：機械工業(yè)出版社，2009.1．</p><p>　　[3]洪利，章楊．MSP430單片

37、機原理與應用實例詳解．北京：北京航空航天大學出版社，2010.7．</p><p>　　[4]康華光．模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)．武漢：高等教育出版社，2005.7．</p><p>　　[5]舒慶瑩，凌玲．模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗．武漢：武漢理工大學出版社，2008.2． </p><p>　　[6]虞西清. 專用集成電路設(shè)計實用教程. 浙江: 浙江大學出版社，2007.1．&

38、lt;/p><p>　　[7]謝自美. 電子線路設(shè)計. 第三版. 武漢: 華中科技大學出版社，2006.2．</p><p>　　[8]萬嘉若，林康運. 電子線路基礎(chǔ). 上海: 高等教育出版社，2007.4．</p><p><b>　　小結(jié)</b></p><p>　　本設(shè)計采用msp430f249單片機實現(xiàn)對界面設(shè)置，門

39、限電平設(shè)置已經(jīng)信號采集的功能，不僅可以節(jié)約成本，而且在電路設(shè)計上也簡化了許多。當然本設(shè)計還有很多需要改進的地方，比如信號未經(jīng)過濾波，采樣速率不高等。此單片機的理論最大采樣速度100k應該是不成問題的，但是那樣的話將要求很大的存儲器，所以該單片機無法完成，外加fifo也話就可以很顯著地提高采樣速率了。本設(shè)計未曾采用，主要有兩個原因，一是加入fifo的確使得硬件電路復雜化，軟件也復雜化了；二是proteus中最大的fifo也僅僅16