基于51单片机的简易逻辑分析仪设计
1 系统功能介绍
本设计是一套 基于51单片机的简易逻辑分析仪，主要实现数字信号的采集、触发分析和波形显示，同时配备可预置的数字信号发生器，为数字电路调试、实验教学以及嵌入式开发提供实用工具。系统功能主要包括两部分：逻辑分析仪部分与数字信号发生器部分。
1.1 逻辑分析仪功能
- 数字通道采集：系统设计了 8 个独立数字通道，可同时采集多路信号。
- 高速采样：每通道最高采样速率不低于 10MSa/s（百万次采样每秒），能够满足大多数嵌入式及数字电路调试需求。
- 存储深度：每通道存储深度不低于 1KB，可保存较长时间的波形数据，方便后续分析。
- 触发方式：提供边沿触发、电平触发和数据字触发三种触发模式，可灵活选择触发信号和触发条件。
- 波形缩放：支持波形显示的时间轴和幅度缩放功能，用户可以根据需要观察特定波形段落或全局波形。
1.2 数字信号发生器功能
- 8 位可预置信号输出：用户可以设置 8 位数据，并循环输出。
- 移位输出：输出信号为 TTL 电平，支持循环移位操作。
- 频率控制：移位时钟信号频率可调，最大频率不超过 1MHz，满足实验与仿真要求。
- 多功能组合：可配合逻辑分析仪进行触发测试、信号采集和波形显示，形成闭环测试系统。
整体系统实现了高速、多通道、可触发、可视化和信号生成的综合功能，为用户提供完整的数字电路调试解决方案。
2 系统电路设计
本系统电路由 STC89C52单片机核心电路、数字输入接口模块、触发控制模块、存储与显示模块、数字信号发生器模块、电源模块组成。以下对各模块进行详细介绍。
2.1 STC89C52单片机核心模块
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功能：系统的控制核心，负责数据采集、触发控制、波形缓存管理、信号生成以及用户交互。
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设计要点：
- 提供丰富 GPIO 口用于 8 路数字信号采集和 8 位信号输出；
- 内置定时器用于采样计时和信号移位频率控制；
- 配置 UART 与显示模块通信，实现波形数据显示及控制命令传输；
- 配置上电复位电路和晶振电路，确保系统稳定运行。
2.2 数字输入接口模块
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功能：用于采集外部数字信号，将 TTL 电平信号输入到单片机进行采样。
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设计要点：
- 8 路输入信号通过缓冲电路（74HC244）传输到单片机，保证高输入阻抗与高速采样；
- 输入信号经过上拉/下拉电阻防止浮空，提高采样稳定性；
- 支持边沿触发和电平触发输入信号的同步采样。
2.3 触发控制模块
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功能：实现三种触发方式：边沿触发、电平触发和数据字触发。
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设计要点：
- 使用单片机内部比较器或逻辑判断实现触发条件检测；
- 可通过按键或外部控制信号选择触发通道及触发模式；
- 触发后启动数据采样，将波形数据存入缓存区。
2.4 存储与显示模块
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功能：存储采集的波形数据，并通过显示设备输出。
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设计要点：
- 每通道配备 1KB 缓存，可通过单片机内部或外部 SRAM 保存；
- 使用 LCD12864 或 OLED 显示模块显示波形，支持波形缩放及游标查询功能；
- 显示模块通过 SPI 或并行接口与单片机通信，保证高速刷新。
2.5 数字信号发生器模块
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功能：产生 8 位循环移位输出的数字信号，用于逻辑测试或触发分析。
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设计要点：
- 通过单片机 GPIO 输出 8 位 TTL 信号；
- 使用定时器产生可调移位时钟（最大 1MHz），实现循环移位输出；
- 信号预置值可通过按键或编程设置，实现用户自定义模式输出。
2.6 电源模块
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功能：为整个系统提供稳定电源。
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设计要点：
- 系统主控单片机及逻辑模块采用 5V 电压供电；
- 显示模块采用 5V 或 3.3V 电压，视显示器规格而定；
- 电源带有滤波电容和稳压模块，保证采样和信号生成稳定。
3 程序设计
程序采用模块化设计，分别实现采样、触发、缓存管理、波形显示、信号生成及用户交互功能。
3.1 系统初始化
#include <reg52.h>
#include "lcd12864.h"
#include "gpio.h"
#include "timer.h"void System_Init(void){LCD_Init();GPIO_Init();Timer_Init(); // 用于采样定时SignalGenerator_Init();
}
3.2 数字采样模块
#define CHANNEL_NUM 8
#define SAMPLE_DEPTH 1024unsigned char sample_buffer[CHANNEL_NUM][SAMPLE_DEPTH];
unsigned int sample_index = 0;void Digital_Sample(void){for(int ch=0; ch<CHANNEL_NUM; ch++){sample_buffer[ch][sample_index] = GPIO_ReadChannel(ch);}sample_index++;if(sample_index >= SAMPLE_DEPTH){sample_index = 0;}
}
3.3 触发控制模块
typedef enum {EDGE_TRIGGER, LEVEL_TRIGGER, DATA_TRIGGER} TriggerType;
TriggerType trigger_mode;
unsigned char trigger_channel;
unsigned char trigger_value;bit Check_Trigger(void){switch(trigger_mode){case EDGE_TRIGGER:return GPIO_EdgeDetected(trigger_channel);case LEVEL_TRIGGER:return GPIO_ReadChannel(trigger_channel) == trigger_value;case DATA_TRIGGER:for(int ch=0; ch<CHANNEL_NUM; ch++){if(sample_buffer[ch][sample_index] != trigger_value)return 0;}return 1;}return 0;
}
3.4 波形显示模块
void Display_Waveform(void){for(int ch=0; ch<CHANNEL_NUM; ch++){for(int i=0; i<SAMPLE_DEPTH; i++){LCD_DrawPoint(i, ch, sample_buffer[ch][i]);}}LCD_Refresh();
}
3.5 数字信号发生器模块
unsigned char generator_data = 0xAA; // 可预置值void SignalGenerator_Update(void){static unsigned int counter = 0;counter++;if(counter >= CLOCK_PERIOD){generator_data = (generator_data << 1) | (generator_data >> 7);GPIO_WriteByte(generator_data);counter = 0;}
}
3.6 主循环程序
void main(void){System_Init();while(1){Digital_Sample();if(Check_Trigger()){Display_Waveform();}SignalGenerator_Update();}
}
程序通过循环采样各通道信号，并结合触发条件判断是否将数据显示在 LCD 上，同时信号发生器模块循环输出用户预置的 8 位信号，实现采样与信号生成的闭环功能。系统支持多种触发模式和波形缩放显示，满足数字电路调试和实验教学的需求。