樹莓派基礎實驗38：邏輯分析儀分析PWM、UART信號

一、介紹

??邏輯分析儀是專門針對數(shù)字信號的調(diào)試工具，可長時間采集，無波形死區(qū)，支持復雜觸發(fā)定位以及全面的協(xié)議內(nèi)容解析。

??邏輯分析儀的作用是利用便于觀察的形式顯示出數(shù)字系統(tǒng)的運行情況，對數(shù)字系統(tǒng)進行分析和故障判斷。

??相對于示波器適合觀察周期信號的電壓變化及噪聲，邏輯分析儀只采集高低電平，更擅長于分析數(shù)字通訊過程和復雜的協(xié)議解析。

??在樹莓派基礎實驗35：USB TO TTL模塊實驗中學習了通過串口對樹莓派進行控制臺控制，讓串口作為控制終端調(diào)試口即 serial console。

??在樹莓派基礎實驗36：通用串口通信實驗中學習了設置樹莓派的串口為通用串口與PC電腦的串口調(diào)試工具進行通信。

??在樹莓派基礎實驗37：pyserial模塊通信實驗中學習了Python的pyserial模塊，通過串口與PC電腦的串口調(diào)試工具進行通信。

??本實驗中學習樹莓派中使用邏輯分析儀，對樹莓派的PWM信號和UART信號進行分析。我們后面將會學到的航模無線電遙控系統(tǒng)中的接收機，在輸出端也是輸出PWM信號，控制舵機，每路通道一路PWM信號。而還有一種更節(jié)省物理接口數(shù)量的輸出模式就是SBUS信號，它也是一種串口通信協(xié)議，是接收機的串行總線輸出，通過這根總線，可以獲得遙控器上所有通道的數(shù)據(jù)。

二、組件

★Raspberry Pi 3 B+主板*1

★樹莓派電源*1

★USB TO TTL模塊*1

★國產(chǎn)夢源DSLogic Plus邏輯分析儀*1

★面包板*1（可選）

★40P軟排線*1

★跳線若干

三、實驗原理

（一）邏輯分析儀

邏輯分析儀的工作過程就是數(shù)據(jù)采集、存儲、觸發(fā)、顯示的過程，由于它采用數(shù)字存儲技術(shù)，可將數(shù)據(jù)采集工作和顯示工作分開進行（buffer模式），也可同時進行（stream模式），必要時，對存儲的數(shù)據(jù)可以反復進行顯示，以利于對問題的分析和研究。

邏輯分析儀是分析數(shù)字系統(tǒng)邏輯關系的儀器。邏輯分析儀是屬于數(shù)據(jù)域測試儀器中的一種總線分析儀，即以總線（多線）概念為基礎，同時對多條數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)流進行觀察和測試的儀器，這種儀器對復雜的數(shù)字系統(tǒng)的測試和分析十分有效。邏輯分析儀是利用時鐘從測試設備上采集和顯示數(shù)字信號的儀器，最主要作用在于時序判定。由于邏輯分析儀不像示波器那樣有許多電壓等級，通常只顯示兩個電壓（邏輯1和0），因此設定了參考電壓后，邏輯分析儀將被測信號通過比較器進行判定，高于參考電壓者為High,低于參考電壓者為Low，在High與 Low之間形成數(shù)字波形。

例如：一個待測信號使用200Hz采樣率的邏輯分析儀，當參考電壓設定為1.5V時，在測量時邏輯分析儀就會平均每5ms采取一個點，超過1.5V者為High(邏輯1)，低于1.5V者為Low（邏輯0），而后的邏輯1和0可連接成一個簡單波形，工程師便可在此連續(xù)波形中找出異常錯誤（bug）之處。整體而言，邏輯分析儀測量被測信號時，并不會顯示出電壓值，只是High跟Low的差別；如果要測量電壓就一定需要使用示波器。除了電壓值的顯示不同外，邏輯分析儀與示波器的另一個差別在于通道數(shù)量。一般的示波器只有2個通道或4個通道，而邏輯分析儀可以擁有從16個通道、32個通道、64個通道和上百個通道數(shù)不等，因此邏輯分析儀具備同時進行多通道測試的優(yōu)勢。

大多數(shù)開發(fā)人員通過邏輯分析儀等測試工具的協(xié)議分析功能可以很輕松的發(fā)現(xiàn)錯誤、調(diào)試硬件、加快開發(fā)進度，為高速度、高質(zhì)量完成工程提供保障。

協(xié)議解碼是協(xié)議分析的基礎，只有解碼正確的協(xié)議分析才能夠被別人接受，只有正確的解碼才能提供更多的錯誤信息。

協(xié)議觸發(fā)能夠充分利用有限的觸發(fā)深度和存儲空間，同時提供更多更可靠的觸發(fā)，為快速發(fā)現(xiàn)和定位錯誤提供了一種高效的工具。

錯誤識別是邏輯分析儀的主要作用，它建立在協(xié)議解碼和協(xié)議觸發(fā)之上的，只有協(xié)議觸發(fā)功能強大才能采集到錯誤，只有協(xié)議解碼正確才能發(fā)現(xiàn)錯誤。

信息提示能夠充分利用顏色與視圖等資源，有效表達協(xié)議解碼的結(jié)果，使得用戶能夠快速找到需要的信息。當然信息提示也能夠合理調(diào)節(jié)處理資源，節(jié)省用戶時間。

國產(chǎn)DSLogic Plus的官網(wǎng)可以查閱：
https://dreamsourcelab.cn/product/dslogic-series/

國產(chǎn)DSLogic Plus

（二）PWM信號

PWM（Pulse width modulation），脈沖寬度調(diào)制，是一種模擬控制方式，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字信號對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)。脈沖寬度調(diào)制是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中。

在前面的實驗中多次用到，最簡單的樹莓派基礎實驗1：雙色LED燈實驗，控制LED燈的亮度；復雜點的樹莓派基礎實驗34：L298N模塊驅(qū)動直流電機實驗，控制電動機的轉(zhuǎn)速。

PWM的一個優(yōu)點是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時，也才能對數(shù)字信號產(chǎn)生影響。

對噪聲抵抗能力的增強是PWM相對于模擬控制的另外一個優(yōu)點，而且這也是在某些時候?qū)WM用于通信的主要原因。從模擬信號轉(zhuǎn)向PWM可以極大地延長通信距離。在接收端，通過適當?shù)腞C或LC網(wǎng)絡可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號還原為模擬形式。

而樹莓派的PWM信號是不怎么標準和穩(wěn)定的，下面的實驗中我們將實際分析一下。

（三）UART信號

在前面的課程中有詳細學習，這里不再介紹：

??樹莓派基礎實驗35：USB TO TTL模塊實驗中學習了通過串口對樹莓派進行控制臺控制，讓串口作為控制終端調(diào)試口即 serial console。

??在樹莓派基礎實驗36：通用串口通信實驗中學習了設置樹莓派的串口為通用串口與PC電腦的串口調(diào)試工具進行通信。

??在樹莓派基礎實驗37：pyserial模塊通信實驗中學習了Python的pyserial模塊，通過串口與PC電腦的串口調(diào)試工具進行通信。

四、實驗步驟

（一） 分析樹莓派PWM信號

  1. 通過USB 數(shù)據(jù)線，將邏輯分析儀連接至PC 的USB 端口，并確認硬件指示燈被點亮。

  2. 打開DSView 軟件（windows 系統(tǒng)首次使用時系統(tǒng)需要搜索驅(qū)動程序，請耐心等待），確認硬件指示燈變?yōu)榫G色，同時DSView 正確識別設備，并在設備列表框顯示正確的設備名稱。


  3. 連接排線至邏輯分析儀的采樣端口，下圖顯示了排線和通道的對應關系。對于增強版設備，每個通道為屏蔽線，末端分為信號和地兩個端口；對于基礎版設備，每4 個通道配一個地線（黑色），彩色線順序?qū)?-15 這16 個通道。除此之外，排線還有CK，TI 和TO 信號，一般情況都不需要連接。其中CK 通道為狀態(tài)采樣的時鐘輸入，可以把外部時鐘作為采樣時鐘，TI 為外部觸發(fā)信號的輸入，TO 為觸發(fā)信號的輸出，會在采樣過程中觸發(fā)條件滿足時輸出脈沖。


    DSlogic邏輯分析儀排線和通道的對應關系

  4. 根據(jù)測量需求，連接通道至被測信號。對于低頻信號（<5MHz），可以僅連接被測信號和一個公共地信號，本實驗僅將通道0的地線與樹莓派的GND相連。對于高頻信號，建議每個通道單獨接地，以獲得最佳的信號完整性。

樹莓派（name） T型轉(zhuǎn)接板（BCM） DSlogic邏輯分析儀
GPIO1 G18 Channel 0（SIG）
GPIO24 G19 Channel 1（SIG）
GPIO28 G20 Channel 2（SIG）
GPIO29 G21 Channel 3（SIG）
GPIO3 G22 Channel 4（SIG）
GPIO4 G23 Channel 5（SIG）
GND GND Channel 0（GND）

下圖中的左端的Type-C接口連接到筆記本電腦USB上哈，為方便拍照就沒拍電腦。連線很簡單，電路圖就沒畫了。

邏輯分析儀接線圖
  1. 編寫樹莓派的PWM信號輸出程序。每個通道的PWM信號頻率依次增大，查看實際的信號質(zhì)量如何。
#!/usr/bin/env python
import RPi.GPIO as GPIO
import time

GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(18, GPIO.OUT) 
GPIO.setup(19, GPIO.OUT)
GPIO.setup(20, GPIO.OUT)
GPIO.setup(21, GPIO.OUT)
GPIO.setup(22, GPIO.OUT)
GPIO.setup(23, GPIO.OUT)

p_0 = GPIO.PWM(18, 50) # 0通道，50HZ，占空比30%
p_0.start(30)

p_1 = GPIO.PWM(19, 100)
p_1.start(30)

p_2 = GPIO.PWM(20, 200)
p_2.start(30)

p_3 = GPIO.PWM(21, 500)
p_3.start(30)

p_4 = GPIO.PWM(22, 1000)
p_4.start(30)

p_5 = GPIO.PWM(23, 10000)
p_5.start(30)

def loop():
    while True:
        pass

def destroy():
    p_0.stop()
    p_1.stop()
    p_2.stop()
    p_3.stop()
    p_4.stop()
    p_5.stop()
    GPIO.cleanup()
    
if __name__ == "__main__":
    try:
        
        loop()
    except KeyboardInterrupt:
        destroy()
  1. 樹莓派上運行Python程序，設置好邏輯分析儀的參數(shù)。在選項里主要設置Stream模式，閾值電壓由于我們的信號高電平是3.3V，這里設置為1V即可。

采集時間為1s,采集頻率為50MHZ（通常情況下，采樣頻率需要設置為被測信號最高的4x -10x倍），點擊開始按鈕：

得到所有通道的模型圖，從中可以簡單看出，越靠下的高頻率通道，波形越不穩(wěn)定，0通道的50HZ頻率是最標準和穩(wěn)定的。


  1. 分析得到的具體PWM信號。
    0通道，50HZ：


    pwm50HZ

1通道，100HZ：


pwm100HZ

2通道，200HZ：


pwm200HZ

3通道，500HZ：


pwm500HZ

4通道，1000HZ：


pwm1000HZ

5通道，10000HZ：


pwm10000HZ
要求的PWM信號頻率 測量到的頻率 要求的占空比 測量到的占空比
50HZ 49.7HZ 30 30.1
100HZ 99.2HZ 30 30.3
200HZ 197.4HZ 30 30.2
500HZ 484.1HZ 30 29.6
1000HZ 893.2HZ 30 31.9
10000HZ 4580HZ 30 40.9

綜上，隨著頻率的上升，其穩(wěn)定性會逐漸降低，這就意味著這個樹莓派PWM功能無法適用于音頻，但是對于控制LED亮度或電機轉(zhuǎn)速來說已經(jīng)足夠了。

（二） 分析樹莓派UART信號

  1. 連接電路。與樹莓派基礎實驗36：通用串口通信實驗一樣設置樹莓派的串口為通用串口，通過 USB TO TTL模塊與PC上的串口調(diào)試工具通信。
T型轉(zhuǎn)接板（BCM） USB TO TTL模塊 DSlogic邏輯分析儀
RXI TXD Channel 0（SIG）
TXO RXD Channel 1（SIG）
GND GND Channel 0（GND）
分析樹莓派UART信號接線圖

  1. 我們要檢測到特定信號，就需要設定觸發(fā)條件。如果被測信號的波形不滿足設定條件，采樣過程會一直等待，直到滿足設定條件后，才可完成當前采樣。觸發(fā)可以幫助我們捕獲想要觀察的特定時刻信號， 是邏輯分析儀最重要的特性之一。我們這里設置任意邊沿為觸發(fā)條件。

  2. 樹莓派上運行向串口發(fā)送簡單數(shù)據(jù)的程序。PC串口調(diào)試工具上將收到字符串“Hello”。

import serial

ser = serial.Serial('/dev/ttyAMA0', 9600, timeout=0.5)
ser.write('Hello'.encode("gbk"))

  1. 為信號添加解碼器，這里使用的是UART協(xié)議，波特率為9600，數(shù)據(jù)位8，Data format為ascii。


    解碼器設置

  2. PC串口調(diào)試工具接收到信號“Hello”的同時，邏輯分析儀也接收到了信號。


    hello信號

  3. 運行下面的Python代碼，PC串口調(diào)試工具向樹莓派發(fā)送數(shù)字“0123456789”，樹莓派然后又發(fā)回PC串口調(diào)試工具。

#!/usr/bin/python
import serial
from time import sleep
 
ser = serial.Serial('/dev/ttyAMA0', 9600, timeout=0.5) 
 
print ser.port
print ser.baudrate
 
def recv(serial):  
  while True:  
    data =serial.read(20)  #手動設置讀取字符的數(shù)量為20
    if data == '':  
      continue
    else:
      break
    sleep(0.02) 
  return data 
 
while True:  
  data =recv(ser) 
  if data != '': 
    print data
    ser.write(data)

0號通道先接收到信號，然后1號通道接收到同樣的數(shù)字“0123456789”信號。


0號通道信號
1號通道信號

從中可以看出每1位數(shù)據(jù)，高電平為1，低電平為0，且時長為104.18us，每8位數(shù)據(jù)的開始信號（S）為1位低電平，結(jié)束信號（T）為1位高電平。


每1位的情況

有了邏輯分析儀，分析信號時序就太方便了，將虛無的信號想象，變成看得見的圖像，非常利于學習，而且國貨越來越強大了！

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