虛擬FPGA邏輯驗證分析儀的設(shè)計

　　隨著FPGA技術(shù)的廣泛使用，越來越需要一臺能夠測試驗證FPGA芯片中所下載電路邏輯時序是否正確的儀器。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電路的測試驗證功能，但此類儀器價格高昂，一般要十萬、數(shù)十萬人民幣。所以，研究開發(fā)價格適中且具有邏輯分析儀和FPGA電路的測試驗證功能的儀器是非常有價值的。

　　本文所介紹的基于虛擬儀器技術(shù)的邏輯驗證分析儀，采用FPGA技術(shù)來實現(xiàn)儀器硬件部分的主要設(shè)計，應(yīng)用圖形化編程語言LabVIEW來實現(xiàn)儀器的測試軟件設(shè)計。文中闡述了虛擬FPGA邏輯驗證分析儀的總體設(shè)計方案及其工作原理，并對儀器的兩個主要工作環(huán)節(jié)的開發(fā)設(shè)計作了具體介紹。虛擬FPGA邏輯驗證分析儀除了具有FPGA電路的基本測試驗證功能，還具有邏輯分析儀和產(chǎn)生激勵信號的功能。它是微機系統(tǒng)及數(shù)字電路設(shè)計、偵錯、軟件開發(fā)和仿真的理想儀器。

　　虛擬FPGA邏輯驗證分析儀的設(shè)計

　　1 虛擬FPGA邏輯驗證分析儀的總體設(shè)計

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

圖1 虛擬FPGA邏輯驗證分析儀組成框圖

　　本儀器的基本工作原理是：由計算機編輯輸入電路的仿真激勵信號給所設(shè)計的被測電路，同時進行采集和存儲，再傳送回計算機，最后進行電路的邏輯時序分析等，從而實現(xiàn)儀器的FPGA電路的基本測試驗證功能以及邏輯分析儀功能和產(chǎn)生激勵信號的功能。儀器的工作步驟如圖2所示。

圖2 虛擬FPGA邏輯驗證分析儀工作流程圖

　　2 虛擬FPGA邏輯驗證分析儀的硬件設(shè)計

　　虛擬FPGA邏輯驗證分析儀的硬件組成包含三個部分：

　　①主板，具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、定時計數(shù)、主板與計算機進行數(shù)據(jù)通信等多種功能。由于FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)可實現(xiàn)無限次地反復(fù)編程，快速方便實用，具有可現(xiàn)場模擬調(diào)試驗證等特點，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。
　?、贔PGA被測電路板。
　?、弁ㄓ玫膫€人計算機，具有運行圖形化編程軟件的能力。

　　3 虛擬FPGA邏輯驗證分析儀的軟件設(shè)計

　　虛擬邏輯驗證分析儀的軟件設(shè)計采用NI公司的圖形化編程語言工具LabVIEW7.0。FPGA測試驗證軟件是一款包含數(shù)字波形打開、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FPGA電路板的激勵端口，并從輸出端口取回測試數(shù)據(jù)顯示，以驗證用戶下載到被測FPGA電路板中的可編程邏輯設(shè)計是否正確。軟件的主界面如圖3所示。

圖3 軟件主界面

　　介紹虛擬FPGA邏輯驗證分析儀的兩個工作環(huán)節(jié)

　　1 編輯激勵信號

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

　?、佥斎敕绞剑赫嬷当?、總線方式編輯輸入；
　　②輸出通道：13個輸出激勵信號數(shù)據(jù)通道；
　?、埏@示方式：
　　A：時序波形顯示，可水平位移和水平伸縮；
　　B：數(shù)據(jù)顯示，分為二進制、十六進制顯示。

　　2 測量被測電路板

　　在虛擬FPGA邏輯驗證分析儀的工作流程中，測量被測電路板這一工作即將編輯好的仿真激勵信號輸入給所設(shè)計的被測電路板，同時進行采集和存儲所測試電路板的數(shù)據(jù)。該步驟中的采集工作主要采用FPGA來實現(xiàn)，存儲工作用RAM來完成。通過分析論證，本設(shè)計采用ALTER公司Cyclone系列的芯片，型號為EP1C6Q144。它采用1.5V內(nèi)核電壓，內(nèi)嵌92160位存儲區(qū)間，可提供兩個鎖相環(huán)和雙信數(shù)據(jù)傳輸速率(DDR)的接口電路。設(shè)計中，邏輯分析儀電路及采集電路的主要技術(shù)指標(biāo)如下。

　?、俨杉瘯r鐘：外時鐘和內(nèi)時鐘；
　?、趦?nèi)時鐘頻率：25kHz、50kHz、100kHz、250kHz、500kHz、1MHz、5MHz、10MHz；
　　③采集存儲點數(shù)：1～2048；
　　④觸發(fā)方式：時鐘觸發(fā)、外部觸發(fā)、字觸發(fā)和按鍵觸發(fā)。
 
　　結(jié)束語

　　本文所介紹的虛擬FPGA邏輯驗證分析儀，采用FPGA技術(shù)來實現(xiàn)儀器硬件部分的主要設(shè)計，應(yīng)用圖形化編程語言LabVIEW來實現(xiàn)儀器的測試軟件設(shè)計。事實證明，該方案設(shè)計的虛擬FPGA邏輯驗證分析儀不但具有FPGA電路的基本測試驗證功能，還有邏輯分析儀和產(chǎn)生激勵信號的功能。通過實用證明，該儀器具有功能強大、穩(wěn)定性好、可擴展性強及操作方便靈活等特點，是教學(xué)、實驗和科研的很好的輔助儀器。