基于51单片机的简易逻辑分析仪设计

本科生毕业设计报告学院物理与电子工程学院专业电子信息工程

设计题目：基于51单片机的

简易逻辑分析仪设计

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基于51单片机的简易逻辑分析仪设计

物理与电子工程学院电子信息工程

[摘要]本设计完成了一种能进行数字电路中多路数据测试的简易逻辑分析仪。它以51单片机控制核心，数模转换器为逻辑信号门限电平控制电路，用按键和 12864LCD作为人机交互界面，采用C51进行模块化编程，实现了四路信号的测试，具有成本低，使用方便等特点。

[关键词]数字电路单片机数模转换器逻辑分析仪

1 设计任务与要求

本设计的主要任务及参数指标是：数据位数4位，存储深度80字；数据速率最高1kHz；输入阻抗大于50kΩ；逻辑信号门限电平在1.0V～4.0V 范围内按8级任意设定。

2 设计方案

本系统采用51单片机为控制核心，系统由单片机系统、逻辑电平控制、按键、LCD显示、系统电源等模块构成。被测数据输入到逻辑电平控制模块，然后进行单片机进行测试，按键用于控制逻辑信号门限电平的大小，系统电源为各模块供电，各模块的供电电压为5V。

图1 系统框图

3 设计原理分析

3.1 单片机系统电路设计

图2 单片机系统电路

单片机系统为逻辑分析仪的核心，负责控制逻辑分析仪的逻辑电平、检测按键并驱动LCD 进行显示。单片机系统电路如图2所示，由晶体振荡器Y1、电容C3和C4构成振荡器电路，为单片机提供时钟信号。电容C1、电阻R2和R1、按键KEY1构成单片机复位电路，高电平复位，当按键KEY1按下的时间超过2个机器周期以上时，单片机就执行复位操作。EA 接高电平，单片机首先访问内部程序存储器。J1为1KΩ的排阻，作为P0口的外部上拉电阻。在硬件制作时为了方便单片机的测试和功能的扩展，把所有的I/O 口均通过排针引出。

EA/VP 31X119X218RESET 9

RD 17WR 16

INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P27

28

PSEN

29

ALE/P 30TXD 11RXD 10U1P10

P11P12P13P14P15P16P17P00P01P02P03P04P05P06P07P20P21P22P23P24P25P26P27

123456789J1

1K

Y112M

+5

RXD TXD

RD WR

T0T1INT0INT1C3

22p F

C4

22p F

R28.2K

C110u F

+5

12J6CON2

KEY1SW2

R1100

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3.2 人机界面电路设计

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图3 按键控制电路

按键控制电路如图3所示，用于控制逻辑分析仪的工作状态，如采样率改变、逻辑电平的调整等等，单片机通过检测按键对应的I/O 口是否为低电平来判断按键

是否按键，为了防止干扰，应在单片机的按键检测程序中加入延时函数。

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图4 LCD 显示接口电路

LCD 显示接口电路如图4所示，此模块用来显示需要显示的数据，电位器R3用于调节液晶的对比度。LCD 采用采用字符式FM12864M-12L 型LCD ，为节约I/O 口，以串行方式与单片机连接。

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图5 蜂鸣器驱动电路

蜂鸣器驱动电路如图5所示，选用三极管Q1为PNP型三极管，三极管基极电阻R11为1kΩ,因为单片机的灌电流能力强于拉电流能力，因此采用PNP型三极管，蜂鸣器采用5V有源蜂鸣器。三极管连接到单片机的P17口，当P17输出为低电平时，蜂鸣器响。

3.3 逻辑电平控制电路设计

逻辑分析仪主要作用在于时序判定，通常只显示两个电压（逻辑1和0），因此设定了参考电压后，逻辑分析仪将被测信号通过比较器进行判定，高于参考电压者为高电平，低于参考电压者为低电平，在高电平与低电平之间形成数字波形。逻辑电平控制电路用于控制输入信号的门限电平，输入信号经过逻辑电平控制电路以后再连接到单片机的I/O口，主要有电压比较器和数模转换器构成，电路如图6所示。逻辑分析仪被测信号路数为4路，采用4个电压比较器和一片数模转换器实现逻辑电平控制，电压比较器采用LM393，因为采用OC输出，所以输出端均连接上了5.1kΩ的上拉电阻。4路输入信号的门限电平由数模转换器控制，为了使4路输入信号的门限电平一致，四片电压比较器的反向输入端接在一起，并连接到数模转换器的输出端。数模转换器U2换用TLC5615来实现，TCL5615为十位串行数模转换器，控制方便，并节约单片机的I/O口，数模转换器的参考电压由U2的6脚输入，稳定的参考电压为2.5V，由TL431产生。

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图6 逻辑电平控制电路

3.4 供电电源电路设计

J15.

图7 供电电源电路

系统采用5V 供电，供电电源电路由LM7805完成，电路如图7所示。J11为供电电源电路的输入端，D3为了防止反接，C6、C7为输入滤波电容，C8、C9为输出滤波电容，D5为电源指示灯，R8为电源指示灯的限流电阻。

4 系统软件设计

图8 设计流程图

设计流程图如图8所示，电路焊接完成先进行硬件的调试，然后进行程序的编译和软硬联合调试。硬件调试先不放置芯片，通过万用表验证PCB与原理图的一致性，如果发现有不一致的地方，查找原因，直到解决问题为止。然后进行加电测试，分别测试主要关键点的电压是否和原理一致，单独验证每个模块电路的正确性。硬件验证通过后进行程序的编辑与调试，直到最终设计作品工作为止。

4.1 设计过程所用仪器

1、DF1731SC2A直流稳压电源

2、UT805A万用表

3、PC机

4.2 软件设计工具和平台

采用Keil uVision4集成开发环境作为软件开发平台，用C语言对单片机编程实现系统各功能，并进行整体软件系统调试。采用RS232串口为单片机进行程序下载，由于电脑没有RS232串口，因此使用CH341T完成USB转RS232，RS232连接到单片机串口完成程序的下载。

4.3 软件设计思想

系统采用分模块编程的思想，然后通过标志位来实现各个模块之间的协调运行。此逻辑分析仪的模块程序主要有数据采集模块、逻辑电平控制模块、按键检测模块、采样率控制模块、LCD显示驱动程序等。