虛擬FPGA邏輯驗證分析儀的設計

隨著FPGA技術的廣泛使用，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 等大公司生產的高端邏輯分析儀能夠實現FPGA電路的測試驗證功能，但此類儀器價格高昂，一般要十萬、數十萬人民幣。所以，研究開發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的邏輯驗證分析儀，采用FPGA技術來實現儀器硬件部分的主要設計，應用圖形化編程語言LabVIEW來實現儀器的測試軟件設計。文中闡述了虛擬FPGA邏輯驗證分析儀的總體設計方案及其工作原理，并對儀器的兩個主要工作環節的開發設計作了具體介紹。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生激勵信號的功能。它是微機系統及數字電路設計、偵錯、軟件開發和仿真的理想儀器。

虛擬FPGA邏輯驗證分析儀的設計

1 虛擬FPGA邏輯驗證分析儀的總體設計

虛擬FPGA邏輯驗證分析儀是把計算機作為數據的顯示控制，顯示器和鼠標、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，具有數據采集、數據存儲、定時計數、主板與計算機進行數據通信等多種功能。由于FPGA(現場可編程門陣列)可實現無限次地反復編程，快速方便實用，具有可現場模擬調試驗證等特點，所以本系統中比較復雜的控制器部分、采樣部分等都采用FPGA實現；其他的由外圍芯片組成。外圍芯片上主要有RAM及數據緩沖和鎖存等數據通道部分。
②FPGA被測電路板。
③通用的個人計算機，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計

虛擬邏輯驗證分析儀的軟件設計采用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，可以完成數字波形的下載，即將編輯生成波形以數據形式加載到被測FPGA電路板的激勵端口，并從輸出端口取回測試數據顯示，以驗證用戶下載到被測FPGA電路板中的可編程邏輯設計是否正確。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節

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，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、編輯或保存數字激勵波形，并可選擇周期數。其主要技術指標如下。

①輸入方式：真值表、總線方式編輯輸入；
②輸出通道：13個輸出激勵信號數據通道；
③顯示方式：
A：時序波形顯示，可水平位移和水平伸縮；
B：數據顯示，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計的被測電路板，同時進行采集和存儲所測試電路板的數據。該步驟中的采集工作主要采用FPGA來實現，存儲工作用RAM來完成。通過分析論證，本設計采用ALTER公司Cyclone系列的芯片，型號為EP1C6Q144。它采用1.5V內核電壓，內嵌92160位存儲區間，可提供兩個鎖相環和雙信數據傳輸速率(DDR)的接口電路。設計中，邏輯分析儀電路及采集電路的主要技術指標如下。

①采集時鐘：外時鐘和內時鐘；
②內時鐘頻率：25kHz、50kHz、100kHz、250kHz、500kHz、1MHz、5MHz、10MHz；
③采集存儲點數：1～2048；
④觸發方式：時鐘觸發、外部觸發、字觸發和按鍵觸發。
 
結束語

本文所介紹的虛擬FPGA邏輯驗證分析儀，采用FPGA技術來實現儀器硬件部分的主要設計，應用圖形化編程語言LabVIEW來實現儀器的測試軟件設計。事實證明，該方案設計的虛擬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生激勵信號的功能。通過實用證明，該儀器具有功能強大、穩定性好、可擴展性強及操作方便靈活等特點，是教學、實驗和科研的很好的輔助儀器。