由于電路的發(fā)展是從模擬發(fā)展到數(shù)字這樣的過(guò)程，因此測(cè)量工具的發(fā)展也遵循了這個(gè)順序。現(xiàn)在提到測(cè)量，首先我們想到的是示波器，尤其是一些老工程師，他們對(duì)示波器的認(rèn)知度非常高。而邏輯分析儀是一種新型測(cè)量工具，是隨著單片機(jī)技術(shù)發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的，非常適合單片機(jī)這類數(shù)字系統(tǒng)的測(cè)量分析，而通信方面的分析中，比示波器要更加方便和強(qiáng)大。
一個(gè)待測(cè)信號(hào)使用10MHZ采樣率的邏輯分析儀去采集的話，假如閾值電壓是1.5V，那么在測(cè)量的時(shí)候，邏輯分析儀就會(huì)每100ns采集一個(gè)樣點(diǎn)，并且超過(guò)1.5V認(rèn)為是高電平(邏輯1)，低于1.5V認(rèn)為是低電平(邏輯0)。而后呢，邏輯分析儀會(huì)用描點(diǎn)法將波形連起來(lái)，工程師就可以在這個(gè)連續(xù)的波形中查看到邏輯分析儀還原的待測(cè)信號(hào)，從而查找異常之處。
邏輯分析儀和示波器都是還原信號(hào)的，示波器前端有ADC，再加上還原算法，可以實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的還原。而邏輯分析儀只針對(duì)數(shù)字信號(hào)，不需要ADC，不需要特殊算法，就用最簡(jiǎn)單的連點(diǎn)就可以了。此外，示波器往往是臺(tái)式的，波形顯示在示波器本身的顯示屏上，而邏輯分析儀當(dāng)前大多數(shù)是和PC端的上位機(jī)軟件結(jié)合的，在電腦上直接顯示波形。如圖1所示，是一款邏輯分析儀的實(shí)物圖，采樣率為500M，16個(gè)通道，采樣深度硬件深度為32M，經(jīng)過(guò)壓縮算法，最多可以實(shí)現(xiàn)每通道5G的存儲(chǔ)深度，圖2是邏輯分析儀的上位機(jī)軟件。
圖1 邏輯分析儀實(shí)物圖
圖2 邏輯分析儀上位機(jī)軟件
1、邏輯分析儀的參數(shù)
邏輯分析儀有三個(gè)重要參數(shù)：閾值電壓、采樣率和采樣深度。
閾值電壓：區(qū)分高低電平的間隔。邏輯分析儀和單片機(jī)都是數(shù)字電路，它在讀取外部信號(hào)的時(shí)候，多高電壓識(shí)別成高電平，多高電壓識(shí)別成低電平是有一定限制的。比如一款邏輯分析儀，閾值電壓是：0.7~1.4V，那么當(dāng)它采集外部的數(shù)字電路信號(hào)的時(shí)候，高于1.4V識(shí)別為高電平，低于0.7V識(shí)別為低電平。
采樣率：每秒鐘采集信號(hào)的次數(shù)。比如一個(gè)邏輯分析儀的最大采樣率是100M，那么也就是說(shuō)他一秒鐘可以采集100M個(gè)樣點(diǎn)，即每10ns采集一個(gè)樣點(diǎn)，并且高于閾值電壓的認(rèn)定為高電平，低于閾值電壓的認(rèn)定為低電平。我們前邊學(xué)UART通信的時(shí)候?qū)W過(guò)每一位都會(huì)讀取16次，而邏輯分析儀的原理也是類似的，就是在超頻讀取。你信號(hào)是1M的頻率，我用100M的采樣率去采集，那么一個(gè)信號(hào)周期我就可以采集100次，最后用我們小學(xué)學(xué)過(guò)的描點(diǎn)法把采集到的樣點(diǎn)連起來(lái)，就會(huì)還原出信號(hào)，當(dāng)然100倍采樣率的脈寬誤差大概是百分之一。根據(jù)奈奎斯特定律來(lái)說(shuō)，采樣率必須是信號(hào)頻率的2倍以上才能還原出信號(hào)，因?yàn)檫壿嫹治鰞x是數(shù)字系統(tǒng)，算法簡(jiǎn)單，所以最低也是4倍于信號(hào)的采樣率才可以，一般選擇10倍左右效果就比較好了。比如你的信號(hào)頻率是10M，那么你的邏輯分析儀采樣率最低也得是40M的采樣率，最好能達(dá)到100M，提高精確度。
存儲(chǔ)深度：我們剛才講了采樣率，那采集到的高電平或者低電平信號(hào)，我們要有一個(gè)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)起來(lái)。比如我們用100M采樣率，那么1秒就會(huì)產(chǎn)生100M個(gè)狀態(tài)樣點(diǎn)。一款邏輯分析儀能夠存儲(chǔ)多少個(gè)樣點(diǎn)數(shù)，這是邏輯分析儀很重要的一個(gè)指標(biāo)。如果我們的采樣率很高，但是存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量很少，那也沒(méi)有多大意義，邏輯分析儀可以保存的最大樣點(diǎn)數(shù)就是一款邏輯分析儀的存儲(chǔ)深度。通常情況下，數(shù)據(jù)采集時(shí)間=存儲(chǔ)深度/采樣率。
此外，邏輯分析儀還有輸入阻抗和耐壓值等幾個(gè)簡(jiǎn)單參數(shù)。所有的邏輯分析儀的通道上，都是有等效電阻和電容的，由于測(cè)量信號(hào)的時(shí)候分析儀通道是并聯(lián)在通道上的，所以分析儀的輸入阻抗如果太小，電容過(guò)大，就會(huì)干擾到我們線上的信號(hào)。理論上來(lái)講，阻抗越大越好，電容越小越好。通常情況下，邏輯分析儀的阻抗都在100K以上，電容都在10pf左右。所謂的耐壓值，就是說(shuō)如果你測(cè)量超過(guò)這個(gè)電壓值的信號(hào)那么分析儀就可能被燒壞，所以測(cè)量的時(shí)候必須要注意這個(gè)問(wèn)題。
2、邏輯分析儀的使用步驟
1、硬件通道連接。首先我們要把邏輯分析儀的GND和待測(cè)板子的GND連到一起，以保證信號(hào)的完整性。然后把邏輯分析儀的通道接到待測(cè)引腳上，待測(cè)引腳可以用多種方式引出來(lái)。
2、通道數(shù)設(shè)置。一般情況下，大多數(shù)邏輯分析儀有8通道、16通道、32通道等數(shù)目。而我們采集信號(hào)的時(shí)候，往往用不到那么多通道，為了我們更清晰的觀察波形，可以把用不到的通道隱藏起來(lái)。
3、采樣率和采樣深度設(shè)置。首先要對(duì)待測(cè)信號(hào)最高頻率有個(gè)大概的評(píng)估，把采樣率設(shè)置到它的10倍以上，還要大概判斷一下我們要采集的信號(hào)的時(shí)間長(zhǎng)短，在設(shè)置采樣深度的時(shí)候，盡量設(shè)置的有一定的余量。采樣深度除以采樣率，得到的就是我們可以保存信號(hào)的時(shí)間。
4、觸發(fā)設(shè)置。由于邏輯分析儀有深度限制，不可能無(wú)限期的保存數(shù)據(jù)。當(dāng)我們使用邏輯分析儀的時(shí)候，如果沒(méi)有采用任何觸發(fā)設(shè)置的話，從開(kāi)始抓取就開(kāi)始計(jì)算時(shí)間，一直到存滿我們?cè)O(shè)置的存儲(chǔ)深度后，抓取就停止。在實(shí)際操作過(guò)程中，開(kāi)始抓取的一段信號(hào)可能是無(wú)用信號(hào)，有用信號(hào)可能就是其中一段，但是無(wú)用信號(hào)還占據(jù)了我們的存儲(chǔ)空間。在這種情況下，我們就可以通過(guò)設(shè)置觸發(fā)來(lái)提高存儲(chǔ)深度的利用率。比如我們?nèi)绻胱トART串口信號(hào)，而串口信號(hào)平時(shí)沒(méi)有數(shù)據(jù)的時(shí)候是高電平，因此我們可以設(shè)置一個(gè)下降沿觸發(fā)。從點(diǎn)擊開(kāi)始抓取，邏輯分析儀不會(huì)把抓到的信號(hào)保存到我們的存儲(chǔ)器中，而是會(huì)等待一個(gè)下降沿的產(chǎn)生，一旦產(chǎn)生了下降沿，才開(kāi)始進(jìn)行真正的信號(hào)采集，并且把采集到的信號(hào)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中。也就是說(shuō)，從點(diǎn)擊開(kāi)始抓取到下降沿這段時(shí)間內(nèi)的無(wú)用信號(hào)，被我們所設(shè)置的觸發(fā)給屏蔽掉了，這是一個(gè)非常實(shí)用的功能。
5、抓取波形。邏輯分析儀和示波器不同，示波器是實(shí)時(shí)顯示的，而邏輯分析儀需要點(diǎn)擊開(kāi)始，開(kāi)始抓取波形，一直到存儲(chǔ)滿了我們所設(shè)置的存儲(chǔ)深度結(jié)束，然后我們可以慢慢的去分析我們抓到的信號(hào)，因此點(diǎn)擊“開(kāi)始抓取”這個(gè)是必須要有的。
6、設(shè)置協(xié)議解析(標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議)。如果你抓取的波形是標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，比如UART、I2C、SPI這種協(xié)議，邏輯分析儀一般都會(huì)配有專門的解碼器，可以通過(guò)設(shè)置解碼器，不僅僅像示波器那樣把波形顯示出來(lái)，還可以直接把數(shù)據(jù)解析出來(lái)，以十六進(jìn)制、二進(jìn)制、ASCII碼等各種形式顯示出來(lái)。
7、數(shù)據(jù)分析。和示波器類似，邏輯分析儀也有各種測(cè)量標(biāo)線，可以測(cè)量脈沖寬度，測(cè)量波形的頻率，占空比等信息，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，查找我們的波形是否符合我們的要求，從而幫助我們解決問(wèn)題。
3、UART、I2C、SPI舉例介紹
我們使用LA5016邏輯分析儀抓取串口通信數(shù)據(jù)、I2C和SPI的數(shù)據(jù)界面。
首先，我把邏輯分析儀的GND和我們的KST-51開(kāi)發(fā)板的GND接起來(lái)，隨便找一個(gè)通道，比如用通道3和板子的P3.1引腳接起來(lái)。然后讓單片機(jī)以2400的波特率、無(wú)校驗(yàn)的方式發(fā)送幾個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。由于UART通信平時(shí)默認(rèn)是高電平，當(dāng)數(shù)據(jù)來(lái)的時(shí)候，會(huì)先出現(xiàn)一位起始位，因此我們把觸發(fā)方式設(shè)置成下降沿觸發(fā)。而后我們要設(shè)置一下采樣率和采樣深度，因?yàn)槲覀兊男盘?hào)是2400波特率的，采樣率超過(guò)1M就很準(zhǔn)了，抓幾個(gè)字節(jié)，采樣深度也要求不高，我們干脆都設(shè)置成1M，那么總的采集時(shí)間計(jì)算下來(lái)就是1秒。點(diǎn)擊Start按鈕，這個(gè)時(shí)候，邏輯分析儀還沒(méi)有開(kāi)始采集，因?yàn)樗却粋€(gè)下降沿產(chǎn)生才開(kāi)始采集信號(hào)。我們讓單片機(jī)發(fā)送串口通信數(shù)據(jù)，邏輯分析儀就會(huì)開(kāi)始抓取信號(hào)，抓到的信號(hào)會(huì)直接顯示在對(duì)應(yīng)軟件的界面上，如圖3所示。
圖3 抓取UART信號(hào)
點(diǎn)擊右側(cè)Analyzers右側(cè)的加號(hào)，選UART通信協(xié)議，進(jìn)入配置界面，將波特率改成2400，無(wú)校驗(yàn)位，選擇通道2，點(diǎn)擊OK，就可以直接把數(shù)據(jù)解析出來(lái)，如圖4所示。
圖4 UART數(shù)據(jù)解析
當(dāng)我們?cè)O(shè)置好串口通信選項(xiàng)后，點(diǎn)擊OK，直接就會(huì)在我們的通道上把十六進(jìn)制顯示在波形上邊的懸浮圖上，如果要顯示其他進(jìn)制的數(shù)字，還可以點(diǎn)擊UART右側(cè)的那個(gè)小圓圈，點(diǎn)擊顯示為其他格式，包括二進(jìn)制、ASCII、十進(jìn)制都可以顯示出來(lái)。此外，如果我們的數(shù)據(jù)量很大，解析出來(lái)后想要用文本形式顯示，也可以點(diǎn)擊那個(gè)小圓圈，點(diǎn)擊輸出選項(xiàng)，就可以把數(shù)據(jù)導(dǎo)出為txt格式，如圖5所示。
圖5 數(shù)據(jù)導(dǎo)出
圖5中的Time就是這個(gè)信號(hào)發(fā)生時(shí)間，Value就是解碼值，Parity是校驗(yàn)，如果數(shù)據(jù)錯(cuò)誤也會(huì)在后邊提示錯(cuò)誤，這個(gè)功能是不是很酷呢？
同樣的方法，我們也可以去抓取和解析I2C和SPI的信號(hào)數(shù)據(jù)。I2C和SPI都不是一條線，比如I2C一個(gè)引腳是SCL，一個(gè)引腳是SDA，我們用我們分析儀的通道3接到SCL上，通道4接到SDA上，也可以將數(shù)據(jù)抓出來(lái)并且解析出來(lái)，其中SDA懸浮的就是解析的數(shù)字，如圖6所示。
圖6 I2C數(shù)據(jù)解析
而SPI是4線的，大家在使用的時(shí)候，尤其要注意配置CPOL和CPHA的值，如果這兩個(gè)值配置的不對(duì)，或者是解析不出來(lái)數(shù)據(jù)，或者是解析的數(shù)據(jù)是錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。解析出來(lái)的波形數(shù)據(jù)分別懸浮在MOSI和MISO的通道上面，如圖7所示。
圖7 SPI數(shù)據(jù)解析
4、邏輯分析儀測(cè)量數(shù)字電路比示波器的優(yōu)勢(shì)
示波器是專業(yè)測(cè)量模擬信號(hào)的，而測(cè)量分析數(shù)字信號(hào)，邏輯分析儀比示波器強(qiáng)大許多，主要有以下幾個(gè)方面。
1、測(cè)量數(shù)字信號(hào)時(shí)，示波器通常可以用來(lái)觀察有沒(méi)有信號(hào)或者是信號(hào)的質(zhì)量如何，邏輯分析儀主要用來(lái)分析信號(hào)高低電平時(shí)序時(shí)間，以及通信的是什么數(shù)據(jù)。
2、邏輯分析儀通道數(shù)通常比示波器多。示波器常見(jiàn)有單通道、雙通道和四通道。而邏輯分析儀常見(jiàn)有8通道、16通道、32通道或者更多，測(cè)量多個(gè)信號(hào)運(yùn)行狀態(tài)，尤其是并行數(shù)據(jù)，通道最夠多才能把所有的通道測(cè)量分析出來(lái)。
3、具有延遲能力，可以保存更長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)。示波器是實(shí)時(shí)顯示的，實(shí)際上他只能顯示其中一小段數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)快速刷新，帶來(lái)的缺點(diǎn)就是存儲(chǔ)深度很低。而邏輯分析儀有較大的存儲(chǔ)深度，可以保存大量的數(shù)據(jù)，而后一點(diǎn)點(diǎn)進(jìn)行分析。
4、具有多種靈活的觸發(fā)功能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)欲獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行挑選，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行中的程序段進(jìn)行調(diào)試。示波器通常只有上升沿、下降沿和電壓設(shè)置的觸發(fā)，而邏輯分析儀不僅僅有上升沿和下降沿觸發(fā)，還可以設(shè)置并行數(shù)據(jù)等更復(fù)雜的觸發(fā)。
5、具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)解析能力。對(duì)于一些復(fù)雜的協(xié)議，示波器顯示的是波形，而邏輯分析儀可以直接把十六進(jìn)制數(shù)據(jù)解析出來(lái)。除了我們前邊講過(guò)的三種協(xié)議外，現(xiàn)在很多邏輯分析儀都具備幾十種協(xié)議解析器，可以方便的顯示出解析的數(shù)據(jù)，并且解析出來(lái)的數(shù)據(jù)可以顯示成為ASCII碼、二進(jìn)制、十進(jìn)制、十六進(jìn)制等等，方便直觀。
6、可以將抓到的波形以CSV等格式導(dǎo)出提供給第三方工具，比如matlab進(jìn)行時(shí)域分析。
在模擬時(shí)代，示波器有著不可替代的優(yōu)勢(shì)，但是步入數(shù)字世界，邏輯分析儀擁有更強(qiáng)大的功能，可以稱之為分析數(shù)字通信的利器。
