FPGA——逻辑分析仪（纯verilog实现）

引言——
闲来无事，兴起整个基于FPGA的逻辑分析仪吧，前段时间看到开源的100M采样率的pico逻辑分析仪挺感兴趣的，但手中暂无pico，那就用手中的NANO 9K FPGA手搓一个。

该项目采用TANG NANO 9K（GW1NR-9）实现，最大采样率为27MHz，采样深度48K。（勉强能用，其实PLL倍频输出下也能达到GW1NR-9的工作频率上限125M）。

移植难度：⭐ 纯verilog

Gitlab代码地址：pieceofApple/GW1NR-9_Logicanalyzer: 该项目采用TANG NANO 9K（GW1NR-9）实现，最大采样率为27MHz，采样深度48K。

注意：经过多次测试，如通过FPGA接收RX再连接至RX-EXT输出，将RX-EXT连接至采样通道无法采样数据，但外部串口直接接到CH通道可以正常采样。故尽量避免FPGA内部输出信号到采样通道采样！

系统概述

硬件规格

FPGA: TANG NANO 9K (GW1NR-LV9QN88PC6/I5)
系统时钟: 27MHz
采样通道: 8通道 (CH0-CH7)
缓冲区大小: 48KB (49152字节)
最大采样率: 27MHz
通信接口: UART (115200波特率, 8N1)
默认采样率: 100kHz

功能特性

✅ 8通道逻辑信号采样
✅ 可配置采样率（10kHz – 27MHz）
✅ 8种触发模式（立即、边沿、电平、模式、序列）
✅ 预触发功能（捕获触发前的数据）
✅ 可配置频率输出（用于测试信号生成）
✅ 可配置占空比（0-100%）
✅ 实时波形显示和分析
✅ 频率和占空比测量
✅ PulseView支持（VCD/CSV导出）

硬件引脚配置

引脚分配表

功能	引脚号	方向	电压	说明
系统时钟	52	输入	1.8V	27MHz系统时钟
复位信号	4	输入	1.8V	低电平复位
UART TX	17	输出	3.3V	板载Type-C UART发送
UART RX	18	输入	3.3V	板载Type-C UART接收
UART TX_EXT	33	输出	3.3V	外部UART发送（与TX同步）
UART RX_EXT	34	输出	3.3V	RX信号输出（与RX同步）
CH0	25	输入	3.3V	逻辑分析仪通道0
CH1	26	输入	3.3V	逻辑分析仪通道1
CH2	27	输入	3.3V	逻辑分析仪通道2
CH3	28	输入	3.3V	逻辑分析仪通道3
CH4	29	输入	3.3V	逻辑分析仪通道4
CH5	30	输入	3.3V	逻辑分析仪通道5
CH6	31	输入	3.3V	逻辑分析仪通道6
CH7	32	输入	3.3V	逻辑分析仪通道7
频率输出	84	输出	1.8V	可调频率输出
LED状态	10-13	输出	1.8V	状态指示LED

引脚说明

UART接口

引脚17 (uart_tx): 板载Type-C UART发送，连接到PC
引脚18 (uart_rx): 板载Type-C UART接收，接收PC命令
引脚33 (uart_tx_ext): 外部UART发送，与引脚17同步输出相同数据
引脚34 (uart_rx_ext): RX信号输出，实时输出引脚18的信号（与RX同步）
- 可用于示波器测量
- 可连接到逻辑分析仪输入通道（如CH2）进行采样
- 支持外部串口设备直接连接进行数据采样

逻辑分析仪输入

引脚25-32 (CH0-CH7): 8个逻辑分析仪输入通道
CH0-CH2 (引脚25-27): 无内部上拉，适合采样外部信号（如RX_EXT输出）
CH3-CH7 (引脚28-32): 带内部上拉电阻（PULL_MODE=UP）
所有输入引脚配置为3.3V LVCMOS
支持0-3.3V逻辑电平输入

状态指示LED

LED0 (引脚10): 状态指示位0
LED1 (引脚11): 状态指示位1
LED2 (引脚13): 状态指示位2

LED状态编码：

000 (IDLE): 全灭
001 (CONFIG): LED0亮
010 (ARM): LED1亮
011 (SAMPLING): LED0+LED1亮
100 (READY): LED2亮
101 (TRANSMIT): LED0+LED2亮
110 (SET_FREQ): LED1+LED2亮

功能特性

1. 采样功能

8通道同步采样: 同时采样8个通道的逻辑信号
可配置采样率: 10kHz – 27MHz（通过分频比配置）
48KB缓冲区: 可存储49152个采样点
自动传输: 采样完成后自动通过UART发送数据

通道配置说明:

CH0-CH2 (引脚25-27): 无内部上拉电阻，适合采样外部信号源
- 推荐用于：外部串口信号（RX_EXT）、频率输出（freq_out）、其他外部数字信号
- 优点：无上拉电阻干扰，能准确采样外部信号电平
CH3-CH7 (引脚28-32): 带内部上拉电阻（PULL_MODE=UP）
- 推荐用于：需要上拉的信号、按键输入、开漏输出等
- 优点：悬空时为高电平，适合需要上拉的场景

2. 触发功能

支持8种触发模式：

模式	代码	说明
立即触发	0	无触发条件，立即开始采样
上升沿触发	1	检测到上升沿时触发
下降沿触发	2	检测到下降沿时触发
双边沿触发	3	检测到任意边沿时触发
高电平触发	4	检测到高电平时触发
低电平触发	5	检测到低电平时触发
模式触发	6	数据匹配指定模式时触发
序列触发	7	先匹配模式1，再匹配模式2时触发

触发参数：

触发通道掩码: 选择哪些通道参与触发（8位，1=启用）
触发模式1: 用于模式触发和序列触发的第一阶段
触发模式2: 用于序列触发的第二阶段
预触发采样: 在触发前采样指定数量的样本

3. 频率输出功能

可配置频率: 1Hz – 10MHz（通过分频比配置）
可配置占空比: 0-100%
输出引脚: 引脚84 (freq_out)

4. 数据分析功能

频率测量: 自动计算信号频率
占空比测量: 自动计算信号占空比
波形显示: 实时显示8通道波形
数据导出: 支持VCD和CSV格式导出

UART命令格式

命令列表

命令	代码	数据长度	说明
CMD_START	0x01	0	开始采样
CMD_STOP	0x02	0	停止采样
CMD_SET_FREQ	0x06	4字节	设置频率输出（小端序）
CMD_SET_SAMPLE_RATE	0x07	4字节	设置采样率（小端序）
CMD_SET_DUTY	0x08	4字节	设置占空比（小端序）
CMD_SET_TRIGGER	0x09	6字节	设置触发配置

命令详细格式

CMD_SET_FREQ (0x06) – 设置频率输出

数据格式: 4字节，小端序（Little-Endian）

[字节0] 分频比低字节
[字节1] 分频比次低字节
[字节2] 分频比次高字节
[字节3] 分频比高字节

计算公式:

分频比 = 27MHz / 目标频率
实际频率 = 27MHz / 分频比

示例: 设置10kHz频率

分频比 = 27,000,000 / 10,000 = 2700
发送: 0x06 0xAC 0x0A 0x00 0x00 (2700 = 0x00000AAC)

CMD_SET_SAMPLE_RATE (0x07) – 设置采样率

数据格式: 4字节，小端序

[字节0] 分频比低字节
[字节1] 分频比次低字节
[字节2] 分频比次高字节
[字节3] 分频比高字节

计算公式:

分频比 = 27MHz / 目标采样率
实际采样率 = 27MHz / 分频比

示例: 设置1MHz采样率

分频比 = 27,000,000 / 1,000,000 = 27
发送: 0x07 0x1B 0x00 0x00 0x00 (27 = 0x0000001B)

CMD_SET_DUTY (0x08) – 设置占空比

数据格式: 4字节，小端序

[字节0] 高电平周期数低字节
[字节1] 高电平周期数次低字节
[字节2] 高电平周期数次高字节
[字节3] 高电平周期数高字节

注意: 必须先设置频率，再设置占空比

CMD_SET_TRIGGER (0x09) – 设置触发配置

数据格式: 6字节

[字节0] 触发类型 (0-7)
[字节1] 触发通道掩码 (8位，1=启用该通道)
[字节2] 触发模式1 (用于模式触发和序列触发)
[字节3] 触发模式2 (用于序列触发的第二阶段)
[字节4] 预触发数量低字节
[字节5] 预触发数量高字节

触发类型:

0x00: 立即触发
0x01: 上升沿触发
0x02: 下降沿触发
0x03: 双边沿触发
0x04: 高电平触发
0x05: 低电平触发
0x06: 模式触发
0x07: 序列触发

示例: 设置上升沿触发（CH0），预触发1000个样本

发送: 0x09 0x01 0x01 0x00 0x00 0xE8 0x03
- 0x01: 上升沿触发
- 0x01: 仅CH0启用 (0x01 = 00000001)
- 0x00: 触发模式1（不使用）
- 0x00: 触发模式2（不使用）
- 0xE8 0x03: 预触发1000 (0x03E8 = 1000)

快速开始

1. 环境准备

硬件要求:

TANG NANO 9K FPGA开发板
USB Type-C数据线
待测信号源（可选）

软件要求:

Python 3.7+
串口驱动（通常自动安装）
matplotlib（用于波形显示）
PulseView（可选，用于高级分析）

安装Python依赖:

pip install pyserial matplotlib

2. 基本使用

最简单的使用方式:

python examples/read_data.py COM11

这将：

连接到FPGA（COM11）
使用默认采样率（100kHz）
立即开始采样
自动接收数据
显示波形和分析结果

3. 外部串口使用

使用外部串口设备进行采样:

本逻辑分析仪支持通过外部串口设备发送数据，并通过RX_EXT引脚输出，然后连接到逻辑分析仪输入通道进行采样。

连接方式:

将外部串口设备的TX连接到FPGA的RX（引脚18）
将FPGA的RX_EXT（引脚34）连接到逻辑分析仪输入通道（如CH2，引脚27）
外部串口设备发送的数据会被FPGA接收，同时通过RX_EXT输出
逻辑分析仪可以采样RX_EXT输出的信号

使用示例:

# 设置采样率为1MHz，显示采样率为500kHz，占空比0.8，导出CSV
python examples/read_data.py COM11 --sample-rate 1M --display-rate 500k --duty 0.8 --export-csv

注意事项:

确保外部串口设备的波特率与FPGA UART配置一致（115200 bps）
采样率应足够高，建议至少是信号频率的5-10倍
CH0-CH2通道无内部上拉，适合采样外部信号

4. 常用命令示例

设置采样率为1MHz:

python examples/read_data.py COM11 --sample-rate 1M

上升沿触发（CH0）:

python examples/read_data.py COM11 --trigger rising --trigger-mask 0x01

模式触发（匹配0x55）:

python examples/read_data.py COM11 --trigger pattern --trigger-pattern 0x55

导出为VCD格式（PulseView）:

python examples/read_data.py COM11 --export-vcd

完整示例（采样率+触发+导出）:

python examples/read_data.py COM11 --sample-rate 1M --trigger rising --trigger-mask 0x01 --pre-trigger 1000 --export-vcd

触发功能

触发模式详解

1. 立即触发 (immediate)

说明: 无触发条件，发送开始命令后立即开始采样

使用场景:

需要捕获所有数据
不需要等待特定条件

示例:

python examples/read_data.py COM11 --trigger immediate

2. 上升沿触发 (rising)

说明: 检测到上升沿（0→1）时触发

使用场景:

捕获信号启动时的数据
分析上升沿后的信号变化

示例:

# CH0上升沿触发
python examples/read_data.py COM11 --trigger rising --trigger-mask 0x01

# 所有通道上升沿触发
python examples/read_data.py COM11 --trigger rising --trigger-mask 0xFF

3. 下降沿触发 (falling)

说明: 检测到下降沿（1→0）时触发

使用场景:

捕获信号停止时的数据
分析下降沿后的信号变化

示例:

python examples/read_data.py COM11 --trigger falling --trigger-mask 0x01

4. 双边沿触发 (both)

说明: 检测到任意边沿（上升或下降）时触发

使用场景:

捕获信号变化时的数据
分析边沿前后的信号

示例:

python examples/read_data.py COM11 --trigger both --trigger-mask 0x01

5. 高电平触发 (high)

说明: 检测到高电平时触发

使用场景:

捕获高电平期间的数据
分析高电平状态

示例:

python examples/read_data.py COM11 --trigger high --trigger-mask 0x01

6. 低电平触发 (low)

说明: 检测到低电平时触发

使用场景:

捕获低电平期间的数据
分析低电平状态

示例:

python examples/read_data.py COM11 --trigger low --trigger-mask 0x01

7. 模式触发 (pattern)

说明: 数据匹配指定模式时触发

使用场景:

捕获特定数据模式
分析特定数据序列

示例:

# 匹配0x55模式（01010101）
python examples/read_data.py COM11 --trigger pattern --trigger-pattern 0x55

# 仅CH0-CH3匹配0x05
python examples/read_data.py COM11 --trigger pattern --trigger-mask 0x0F --trigger-pattern 0x05

8. 序列触发 (sequence)

说明: 先匹配模式1，再匹配模式2时触发

使用场景:

捕获特定数据序列
分析复杂的数据模式

示例:

# 先匹配0x55，再匹配0xAA
python examples/read_data.py COM11 --trigger sequence --trigger-pattern 0x55 --trigger-pattern2 0xAA

预触发功能

说明: 在触发条件满足前，先采样指定数量的样本

使用场景:

捕获触发前的数据
分析触发前后的完整波形

示例:

# 上升沿触发，预触发1000个样本
python examples/read_data.py COM11 --trigger rising --pre-trigger 1000

工作原理:

系统进入ARM状态，等待触发
持续采样数据到缓冲区（循环覆盖）
检测到触发条件时，继续采样预触发数量的样本
然后开始正常采样，直到缓冲区满

注意事项:

预触发数量不能超过缓冲区大小（49152）
建议预触发数量 < 10000，以确保有足够空间存储触发后的数据

PulseView支持

什么是PulseView？

PulseView是一个开源的逻辑分析仪软件，支持多种硬件和文件格式。本逻辑分析仪支持导出VCD和CSV格式，可以在PulseView中打开和分析。

导出格式

1. VCD格式 (Value Change Dump)

特点:

标准格式，广泛支持
包含时间信息
适合波形分析

导出方法:

python examples/read_data.py COM11 --export-vcd

输出文件: logic_analyzer_data.vcd

2. CSV格式 (Comma-Separated Values)

特点:

易于处理和分析
可以用Excel打开
适合数据分析

导出方法:

python examples/read_data.py COM11 --export-csv

输出文件: logic_analyzer_data.csv

在PulseView中打开

方法1: 直接打开VCD文件

启动PulseView
选择 File → Open
选择 logic_analyzer_data.vcd
波形将自动加载

方法2: 导入CSV文件

启动PulseView
选择 File → Import
选择 CSV 格式
选择 logic_analyzer_data.csv
配置导入参数（采样率、通道数等）

PulseView高级功能

协议解码

PulseView支持多种协议解码：

UART
SPI
I2C
1-Wire
等等

使用方法:

在PulseView中打开VCD文件
选择信号
右键 → Add Decoder → 选择协议
配置协议参数（波特率、数据位等）

测量和分析

时间测量: 测量信号周期、脉宽等
频率分析: 分析信号频率
统计信息: 统计高/低电平时间
搜索功能: 搜索特定模式

高级功能

1. 频率输出配置

设置频率输出:

python examples/read_data.py COM11 --freq 10000

设置频率和占空比:

python examples/read_data.py COM11 --freq 10000 --duty 50

频率范围: 1Hz – 10MHz

占空比范围: 0-100%

2. 采样率配置

预设采样率:

27M: 27MHz（最大）
13.5M: 13.5MHz
9M: 9MHz
6.75M: 6.75MHz
5.4M: 5.4MHz
1M: 1MHz
500k: 500kHz
100k: 100kHz（默认）
50k: 50kHz
10k: 10kHz
1k: 1kHz

使用示例:

# 使用预设值
python examples/read_data.py COM11 --sample-rate 1M

# 使用自定义值
python examples/read_data.py COM11 --sample-rate 500000

3. 显示采样率

说明: 用于计算和显示的采样率（不影响FPGA硬件采样率）

使用场景:

FPGA采样率与显示采样率不同时
需要调整显示时间轴时

示例:

python examples/read_data.py COM11 --sample-rate 1M --display-rate 500k

4. 命令行选项完整列表

python examples/read_data.py <COM端口> [选项]

选项:
  --no-plot        不显示波形图
  --save           保存原始数据到文件 (.bin)
  --export-vcd     导出为 VCD 格式（PulseView 支持）
  --export-csv     导出为 CSV 格式（PulseView 支持）
  --stop           手动停止采样（否则等待缓冲区满）
  --freq <Hz>      设置频率输出（在采样前）
  --duty <值>      设置占空比（在采样前，需要先设置频率）
  --sample-rate <Hz>   设置FPGA硬件采样率
  --display-rate <Hz>  指定显示用采样率（仅用于计算和显示）
  --trigger <类型>     设置触发类型
  --trigger-mask <值>  触发通道掩码（十六进制）
  --trigger-pattern <值>  触发模式1（十六进制）
  --trigger-pattern2 <值> 触发模式2（十六进制）
  --pre-trigger <数量>   预触发采样数量

常见问题

Q1: 无法连接到FPGA

可能原因:

串口号错误
串口被其他程序占用
USB驱动未安装

解决方法:

检查设备管理器中的串口号
关闭其他可能占用串口的程序
重新安装USB驱动

Q2: 采样数据不正确

可能原因:

采样率设置过低
信号频率过高
通道连接问题
通道上拉电阻影响（CH3-CH7有上拉，CH0-CH2无上拉）

解决方法:

提高采样率（至少是信号频率的5-10倍）
检查信号连接
使用示波器验证信号
对于外部信号采样，建议使用CH0-CH2（无上拉电阻）
对于需要上拉的信号，使用CH3-CH7

Q3: 触发功能不工作

可能原因:

触发条件不满足
触发通道掩码设置错误
信号状态不符合触发条件

解决方法:

检查信号状态是否满足触发条件
确认触发通道掩码正确
使用立即触发模式测试

Q4: 频率测量不准确

可能原因:

采样率设置不正确
信号边沿不够清晰
信号频率过高

解决方法:

确保采样率至少是信号频率的10倍
检查信号质量
使用更高的采样率

Q5: PulseView无法打开VCD文件

可能原因:

文件格式错误
PulseView版本过旧
文件损坏

解决方法:

重新导出VCD文件
更新PulseView到最新版本
检查文件是否完整

技术规格

性能参数

参数	规格
最大采样率	27MHz
最小采样率	~1kHz
采样深度	49152样本/通道
通道数	8通道
输入电压范围	0-3.3V
输入逻辑电平	LVCMOS 3.3V
通信波特率	115200 bps
缓冲区大小	48KB

资源使用

BRAM: ~48KB (用于数据缓冲区)
LUT: 根据配置变化
FF: 根据配置变化

更新日志

v1.0 (当前版本)

✅ 8通道逻辑分析仪
✅ 可配置采样率（10kHz – 27MHz）
✅ 8种触发模式
✅ 预触发功能
✅ 频率输出和占空比配置
✅ PulseView支持（VCD/CSV导出）
✅ RX/RX_EXT同步输出
✅ 外部串口数据采样支持
✅ CH0-CH2无上拉配置，适合外部信号采样
✅ 已验证外部串口数据采样功能正常

许可证

本项目采用开源许可证，详见LICENSE文件。

联系方式

如有问题或建议，请提交Issue或Pull Request。

注意：经过多次测试，如通过FPGA接收RX再连接至RX-EXT输出，将RX-EXT连接至采样通道无法采样数据，但外部串口直接接到CH通道可以正常采样。故尽量避免FPGA内部输出信号到采样通道采样！

系统概述

硬件规格

功能特性

硬件引脚配置

引脚分配表

引脚说明

UART接口

逻辑分析仪输入

状态指示LED

功能特性

1. 采样功能

2. 触发功能

3. 频率输出功能

4. 数据分析功能

UART命令格式

命令列表

命令详细格式

CMD_SET_FREQ (0x06) – 设置频率输出

CMD_SET_SAMPLE_RATE (0x07) – 设置采样率

CMD_SET_DUTY (0x08) – 设置占空比

CMD_SET_TRIGGER (0x09) – 设置触发配置

快速开始

1. 环境准备

2. 基本使用

3. 外部串口使用

4. 常用命令示例

触发功能

触发模式详解

1. 立即触发 (immediate)

2. 上升沿触发 (rising)

3. 下降沿触发 (falling)

4. 双边沿触发 (both)

5. 高电平触发 (high)

6. 低电平触发 (low)

7. 模式触发 (pattern)

8. 序列触发 (sequence)

预触发功能

PulseView支持

什么是PulseView？

导出格式

1. VCD格式 (Value Change Dump)

2. CSV格式 (Comma-Separated Values)

在PulseView中打开

方法1: 直接打开VCD文件

方法2: 导入CSV文件

PulseView高级功能

协议解码

测量和分析

高级功能

1. 频率输出配置

2. 采样率配置

3. 显示采样率

4. 命令行选项完整列表

常见问题

Q1: 无法连接到FPGA

Q2: 采样数据不正确

Q3: 触发功能不工作

Q4: 频率测量不准确

Q5: PulseView无法打开VCD文件

技术规格

性能参数

资源使用

更新日志

v1.0 (当前版本)

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