Логические анализаторы

Что такое логический анализатор?

Логический анализатор — электронный прибор, способный записывать и отображать изменения цифровых сигналов во времени или, говоря проще, последовательности сигналов. Каждый человек увлекающийся электроникой и программированием сталкивается с желанием посмотреть, что там происходит в устройстве на уровне 0 или 1. Это желание возникает при поиске ошибок в «рабочем» коде.

И, чтобы принять правильное и взвешенное решение о том, какой анализатор купить, предлагаем для начала разобраться как такие приборы устроены.

Объединяет обычные и USB нагрузки то, что и те, и другие имеют в конструкции силовой узел, состоящий из транзистора высокой мощности, узла контроля тока и радиатора с вентилятором. Из-за этого параметры выбора USB нагрузки совпадают с таковыми у обычных: ток, напряжение и мощность.

Схема логического анализатора на базе МК Arduino.

Для начала необходимо спроектировать то, что мы будем паять. Логический анализатор является простым инструментом, вся его задача состоит в считывании и анализе двоичного кода (цифрового сигнала), передаваемого при помощи подачи электричества.

Иными словами, каждые 5 вольт подаваемые на устройство – это единичка, отсутствие таковых – это ноль. Такой двоичный код используется при кодировке данных и во многих устройствах, в том числе на основе Ардуино. Читаться начинает, как правило, с единицы. А чтобы проверить свой проект с двоичной кодировкой, вам и пригодится логический анализатор.

Проще всего испробовать устройство на шине I2C, что применяется в большинстве электронных устройств и по сей день. Чтобы разобраться, что нам нужно проектировать, давайте рассмотрим главные характеристики устройства:

1. 4 канала для логического анализа поступающих сигналов.
2. Вариативность частоты сигналов вплоть до 400 кГц, такой промежуток охватит большую часть современных приборов, кроме специализированных.
3. Напряжение на входе должно составлять до +5 Вольт, как уже описывалось, это стандарт, принимаемый за единицу (наличие сигнала).
4. LED дисплей для отображения информации. Особенно изощрённые программисты могут купить пару светодиодов и выстроить собственный дисплей нужной им диагонали, но для всех остальных – написание ПО под такое устройство будет слишком трудоёмким, и окажется лишним шагом. Поэтому здесь мы рассмотрим вариант устройства именно с ЖК дисплеем.
5. 4 аккумулятора для питания, на 1.2 В при максимальном напряжении в 4.8 Вольт.
6. Оперативная память. Желательно взять две разновидности – скоростную (3.6мс на сигнал) и низкоскоростную (36 с), такое решение позволит охватить весь диапазон сигналов.
7. Панель управления или пара кнопок.
8. Любая оболочка под крепление конструкции. Можно распечатать на 3-Д принтере, можно взять ненужный пластиковый коробок или обойтись вовсе без корпуса. Здесь мы не будем давать советов, устройство работает, что в оболочке, что без, выбор остаётся за вами.

Для питания вам необходимо подобрать именно аккумуляторы, так как 4 батарейки по 1.5 Вольта могут вывести Ардуино из строя и сжечь плату. Не говоря уже об опасности для ЖК дисплея. Поэтому не поскупитесь, и возьмите качественные комплектующие. Ведь качество конечного изделия равно параметру худшего его компонента.

Не забудьте добавить к конечной схеме переключатель S1, который будет использоваться для подачи питания и отключения прибора, чтобы аккумуляторы не разряжались попросту.

Потребуются и специальные подтягивающие резисторы, которые позволят исключить ложные данные, что могут появляться из-за электромагнитного поля пальцев сигнальных щупов. В результате помехи и искажения на цифровых входах будут минимальны.

Светодиод вы можете взять по своему желанию, он необходим для индикации наличия цифрового сигнала, и вполне заменяется ПО под ЖК дисплей. Такое решение удобно лишь в качестве показателя записи цифровых сигналов в память, но вы, в любом случае, будете активировать прибор вручную, так что подобная индикация, при необходимости, может быть убрана.

Рекомендуемая периферия для создания логического анализатора на базе микроконтроллера Arduino.

Из всего вышеописанного вы уже успели составить примерный список периферии для покупки, но давайте уточним этот момент. В логическом анализаторе вам потребуется:

1. Сам микроконтроллер Ардуино. Не имеет разницы, какой вы подберёте, это лишь повлияет на конечный размер устройства. ПО под любую версию выглядит одинаково. На фото выше был использована плата Arduino Uno.
2. ЖК дисплей. Если у вас имеется старый кнопочный телефон, можете снять с него, и устроить «безотходное» производство.
3. Резисторы различной ёмкости.
4. Датчик тока.
5. 4 аккумулятора.
6. Светодиод или парочка.
7. Карта памяти, но это опционально.

Помимо этого, вам, естественно, потребуется паяльник, припой и прочие принадлежности. Лучше заранее найти место, где вы будете всё это собирать. А если работаете с паяльником впервые, изучите правила пожарной безопасности и особенности его эксплуатации, чтобы по 10 раз не перепаивать каждую деталь.

Программирование МК Arduino при реализации проекта «логический анализатор».

Благодаря популярности Ардуино существуют уже готовые библиотеки и функции для логических анализаторов на этом МК. Вам остаётся лишь подобрать подходящую и переписать программный код под своё устройство. Ведь платы, датчики и прочие вводные у всех различаются, и чтобы ваше устройство работало без проблем, придётся подогнать чужой код под свои запросы. Если же вы не хотите лишний раз заморачиваться и у вас есть опыт программирования на С++, можете воспользоваться любой полюбившейся средой.

Код для схемы может быть таким:

/*********************************** 128 by 64 LCD Logic Analyzer 6 channel and 3Mb/s By Bob Davis Uses Universal 8bit Graphics Library, http://code.google.com/p/u8glib/ Copyright © 2012, olikraus@gmail.com All rights reserved. ********************************************/ #include «U8glib.h» // 8Bit Com: D0...D7: 8,9,10,11,4,5,6,7 en=18, di=17,rw=16 //U8GLIB_ST7920_128X64_4X u8g (8, 9, 10, 11, 4, 5, 6, 7, 18, 17, 16); // **** NOTE **** I Moved the three control pins !!! U8GLIB_ST7920_128X64_4X u8g (8, 9, 10, 11, 4, 5, 6, 7, 1, 2, 3); int Sample[128]; int Input=0; int OldInput=0; int xpos=0; void u8g_prepare (void) { u8g.setFont (u8g_font_6x10); u8g.setFontRefHeightExtendedText (); u8g.setDefaultForegroundColor (); u8g.setFontPosTop (); } void DrawMarkers (void) { u8g.drawFrame (0,0,128,64); u8g.drawPixel (20,1); u8g.drawPixel (40,1); u8g.drawPixel (60,1); u8g.drawPixel (80,1); u8g.drawPixel (100,1); u8g.drawPixel (20,62); u8g.drawPixel (40,62); u8g.drawPixel (60,62); u8g.drawPixel (80,62); u8g.drawPixel (100,62); } void draw (void) { u8g_prepare (); DrawMarkers (); // wait for a trigger of a positive going input Input=digitalRead (A0); while (Input != 1){ Input=digitalRead (A0); } // collect the analog data into an array // No loop is about 50% faster! Sample[1]=PINC; Sample[2]=PINC; Sample[3]=PINC; Sample[4]=PINC; Sample[5]=PINC; Sample[6]=PINC; Sample[7]=PINC; Sample[8]=PINC; Sample[9]=PINC; Sample[10]=PINC; Sample[11]=PINC; Sample[12]=PINC; Sample[13]=PINC; Sample[14]=PINC; Sample[15]=PINC; Sample[16]=PINC; Sample[17]=PINC; Sample[18]=PINC; Sample[19]=PINC; Sample[20]=PINC; Sample[21]=PINC; Sample[22]=PINC; Sample[23]=PINC; Sample[24]=PINC; Sample[25]=PINC; Sample[26]=PINC; Sample[27]=PINC; Sample[28]=PINC; Sample[29]=PINC; Sample[30]=PINC; Sample[31]=PINC; Sample[32]=PINC; Sample[33]=PINC; Sample[34]=PINC; Sample[35]=PINC; Sample[36]=PINC; Sample[37]=PINC; Sample[38]=PINC; Sample[39]=PINC; Sample[40]=PINC; Sample[41]=PINC; Sample[42]=PINC; Sample[43]=PINC; Sample[44]=PINC; Sample[45]=PINC; Sample[46]=PINC; Sample[47]=PINC; Sample[48]=PINC; Sample[49]=PINC; Sample[50]=PINC; Sample[51]=PINC; Sample[52]=PINC; Sample[53]=PINC; Sample[54]=PINC; Sample[55]=PINC; Sample[56]=PINC; Sample[57]=PINC; Sample[58]=PINC; Sample[59]=PINC; Sample[60]=PINC; Sample[61]=PINC; Sample[62]=PINC; Sample[63]=PINC; Sample[64]=PINC; Sample[65]=PINC; Sample[66]=PINC; Sample[67]=PINC; Sample[68]=PINC; Sample[69]=PINC; Sample[70]=PINC; Sample[71]=PINC; Sample[72]=PINC; Sample[73]=PINC; Sample[74]=PINC; Sample[75]=PINC; Sample[76]=PINC; Sample[77]=PINC; Sample[78]=PINC; Sample[79]=PINC; Sample[80]=PINC; Sample[81]=PINC; Sample[82]=PINC; Sample[83]=PINC; Sample[84]=PINC; Sample[85]=PINC; Sample[86]=PINC; Sample[87]=PINC; Sample[88]=PINC; Sample[89]=PINC; Sample[90]=PINC; Sample[91]=PINC; Sample[92]=PINC; Sample[93]=PINC; Sample[94]=PINC; Sample[95]=PINC; Sample[96]=PINC; Sample[97]=PINC; Sample[98]=PINC; Sample[99]=PINC; Sample[100]=PINC; Sample[101]=PINC; Sample[102]=PINC; Sample[103]=PINC; Sample[104]=PINC; Sample[105]=PINC; Sample[106]=PINC; Sample[107]=PINC; Sample[108]=PINC; Sample[109]=PINC; Sample[110]=PINC; Sample[111]=PINC; Sample[112]=PINC; Sample[113]=PINC; Sample[114]=PINC; Sample[115]=PINC; Sample[116]=PINC; Sample[117]=PINC; Sample[118]=PINC; Sample[119]=PINC; Sample[120]=PINC; Sample[121]=PINC; Sample[122]=PINC; Sample[123]=PINC; Sample[124]=PINC; Sample[125]=PINC; Sample[126]=PINC; Sample[127]=PINC; // display the collected analog data from array for (int xpos=0; xpos<128; xpos++) { u8g.drawLine (xpos, ((Sample[xpos]&B00000001)*4)+4, xpos, ((Sample[xpos+1]&B00000001)*4)+4); u8g.drawLine (xpos, ((Sample[xpos]&B00000010)*2)+14, xpos, ((Sample[xpos+1]&B00000010)*2)+14); u8g.drawLine (xpos, ((Sample[xpos]&B00000100)*1)+24, xpos, ((Sample[xpos+1]&B00000100)*1)+24); u8g.drawLine (xpos, ((Sample[xpos]&B00001000)/2)+34, xpos, ((Sample[xpos+1]&B00001000)/2)+34); u8g.drawLine (xpos, ((Sample[xpos]&B00010000)/4)+44, xpos, ((Sample[xpos+1]&B00010000)/4)+44); u8g.drawLine (xpos, ((Sample[xpos]&B00100000)/8)+54, xpos, ((Sample[xpos+1]&B00100000)/8)+54); } } void setup (void) { pinMode (A0, INPUT); pinMode (A1, INPUT); pinMode (A2, INPUT); pinMode (A3, INPUT); pinMode (A4, INPUT); pinMode (A5, INPUT); // assign default color value if ( u8g.getMode () == U8G_MODE_R3G3B2 ) u8g.setColorIndex (255); // RGB=white else if ( u8g.getMode () == U8G_MODE_GRAY2BIT ) u8g.setColorIndex (3); // max intensity else if ( u8g.getMode () == U8G_MODE_BW ) u8g.setColorIndex (1); // pixel on, black } void loop (void) { // picture loop // u8g.firstPage (); do { draw (); } while ( u8g.nextPage () ); // rebuild the picture after some delay delay (100); }

Не забудьте скачать библиотеки для работы с Ардуино. А также учитывать, что вывод идёт на ЖК экран. По окончанию написания софта просто подгрузите его на плату с помощью специального переходника под usb.

Может случиться так, что из-за особенностей отображения информации на ЖК дисплее, вам не хватит постоянной памяти устройства. В таком случае имеет смысл докупить флешку и прикрепить её к системе. Благо делается это достаточно просто, а всё, что вам потребуется – специальный переходник под ваш форм-фактор физического накопителя.

Технические характеристики логического анализатора Saleae logic analyzer.

Логический анализатор – это инструмент для временного анализа цифровых сигналов. Это незаменимый, действительно незаменимый инструмент при отладке цифровой электроники. Оригинальные анализаторы от именитых производителей стоят больших денег. У наших китайских друзей можно купить такое устройство за копейки. Поэтому если у вас его ещё нет – обязательно приобретите. Возможности данного небольшого устройства весьма внушительны.

В таблице перечислены основные параметры логического анализатора, моей китайской копии анализатора фирмы Saleae.

ПараметрЗначение

число цифровых каналов	8
частота оцифровки на канал	до 24 МГц
количество сэмплов в выборке	до 1G (зависит от количества памяти ПК)
входное сопротивление	100 кОм
диапазон рабочих напряжений	–0,5…5,25 В
напряжение логического «0»	–0,5…0,8 В
напряжение логической «1»	2,0…5,25 В
защита от статики
защита по превышению напряжения	+/−15 В

Установка драйверадля логического анализатора Saleae.

Для данного логического анализатора – китайской копии – к счастью, подходит драйвер от оригинала. Заходим на официальный сайт, скачиваем программу для своей операционной системы и устанавливаем её. Драйверы будут установлены вместе с программой. Кстати, обзор возможностей программы в виде инструкции на английском языке приложен в конце данной статьи.

Скачиваем программу и драйверы для логического анализатора Saleae Logic Analyzer

Если у вас копия другой фирмы, например, USBee AX Pro, то с большой долей вероятности для него также подойдут драйверы от производителя анализатора-оригинала.

Примеры работы с логическим анализатором.

Для первого эксперимента возьмём преобразователь USB-UART на микросхеме FTD1232. Подключим анализатор к порту USB. Выводы каналов с 1 по 6 подключим к выводам USB-UART преобразователя. По большому счёту, больше всего нас интересует только две линии – Rx и Tx, можно обойтись только ими. Преобразователь определился в системе как COM-порт. Запустим любую терминалку (вот, например, неплохая программа для работы с COM-портом) и подключимся к порту.

Подключение USB-UART конвертера на микросхеме FTD1232 к логическому анализатору.

Запускаем программу Saleae Logic. Если драйверы для анализатора установлены корректно, в заголовке программы будет указано Connected – подключено. Допустим, мы не знаем на каком канале будет сигнал, а на каком нет, поэтому не будем выставлять триггер для начала захвата сигнала. Просто нажмём на стрелки большой зелёной кнопки Start (Старт) и выставим в поле Duration (Длительность), скажем, 10 секунд. Это время, в течение которого логический анализатор будет собирать приходящие по всем 8-ми каналам данные после нажатия кнопки «Старт». Запускаем захват и одновременно отправляем в COM-порт какое-нибудь сообщение. Через 10 секунд анализатор закончит сбор данных и выведет результат в поле просмотра сигналов. В данном случае сигнал будет лишь на одном канале, который присоединён к выводу Tx (передатчик) USB-UART преобразователя.

Последовательный сигнал, захваченный логическим анализатором.

Для наглядности можно настроить декодер перехваченных данных. Для этого в правом столбце находим поле Analyzers, нажимаем иконку в виде плюса – «Добавить», указываем тип – Async Serial. Появится окно с выбором настроек. В первое поле вводим номер канала, на котором у вас данные. Остальное оставим как есть. После нажатия кнопки Save (Сохранить), над полем соответствующего канала появятся метки голубого цвета с отображением значений байтов, которые были перехвачены. Нажав на шестерёнку в данном дешифраторе, можно задать режим отображения значений – ASCII, HEX, BIN или DEC. Если вы передавали в COM-порт строку, выберите режим ASCII, и увидите тот текст, который был вами передан в порт.

Настройки декодера данных.

Тут же, в правом столбце программы Saleae Logic, можно добавлять к перехваченным данным закладки, проводить измерения задержек и длительностей, выставлять всевозможные маркеры и даже проводить поиск по данным для декодированных протоколов.

Аналогичным образом подключим логический анализатор к преобразователю USB-RS485. Линии данных всего две, поэтому можно установить триггер срабатывания по фронту любого из каналов: сигнал в протоколе RS-485 дифференциальный и фронты импульсов появляются одновременно на каждом из каналов, но в противофазе.

Подключение конвертера USB-RS485 к логическому анализатору.

Нажмём кнопку «Старт» в программе анализатора. С помощью нашей терминалки подключимся к USB-RS485 конвертеру и передадим какие-нибудь данные. По срабатыванию триггера программа начнёт собирать данные, по завершению выведет их на экран.

Последовательный сигнал RS485, захваченный логическим анализатором.

Программа Saleae Logic позволяет экспортировать сохранённые данные в виде изображений и текстовых данных, сохранять настройки программы, аннотации и декодеры каналов.

Последний пример в данном небольшом обзоре – захваченный кадр данных, переданный по последовательному протоколу SPI. В канале 2 виден сигнал выбора ведомого, в канале 0 – тактовые импульсы, а в канале 1 – собственно данные от ведущего устройства к ведомому.

Последовательный сигнал SPI, захваченный логическим анализатором.

Приступим.

Итак, все, что нам понадобится это:

• Отладочная плата Stm32F4Discovery. От 500 рублей в московской рознице, а может она уже лежит в ваших закромах? Подойдет и любая другая плата на STM32F4 или STM32F2, но тогда придется подправить исходники.
• Несколько проводов, для подключения к анализируемой схеме.
• Прошивка, готовая к употреблению лежит на Google.Code. Там же находятся исходники.
• Кроме того нужен клиент для ПК, рекомендую OLS.

Клиент написан на Java, поэтому полученное решение не зависит от ОС. Теоретически вы можете использовать любой SUMP-совместимый клиент, однако ниже я буду описывать работу именно с этой программой.
Stm32F4Discovery питается от порта mini-USB, через который она и прошивается. Для использования функций ЛА плата подключается к ПК через порт micro-USB. Чтобы запитать плату от этого же порта соединяем перемычкой пины PA9 и 5V. PA9 подключен напрямую к Vbus порта micro-USB, а 5V это вход стабилизатора формирующего питание для платы. Для проверки работы соедините порты PA2 и PD0. На PA2 формируется тестовый сигнал, а PD0 это первый вход ЛА.

Плата опознается ПК как COM-порт, для Linux драйвера стандартные и должны уже быть в ядре, для Win драйвера скачиваются с сайта ST. После того как плата опозналась можно запускать клиент и приступать к работе.
Но сначала ложка дёгтя.

Ограничения.

В проекте используется открытый протокол SUMP. Данный протокол изначально разрабатывался для ЛА на базе ПЛИС, и поскольку в части записи входных сигналов и анализа потока данных микроконтроллеры по-прежнему им уступают, нам будут доступны не все функции реализованные в клиенте:

• Максимальная частота записи – 20МГц, в оригинале до 200МГц
• RLE-сжатие и фильтрация шумов не поддерживаются.
• Нельзя выбрать произвольные группы каналов, только первую (8 каналов), либо первую + вторую (16 каналов).
• Триггеры работают не по значению, а по фронту (впрочем, на мой взгляд, это уже достоинство).
• Нет поддержки расширенных (Complex) триггеров.

Эти ограничения следует иметь ввиду при настройке клиента. Тот ничего не знает об этих ограничениях и позволит выбрать любые настройки. Полученный результат в этом случае будет некорректным.

Пользуемся.

Запускаем клиент через файл run.bat или run.sh, в зависимости от используемой ОС. О функциях клиента можно почитать на его страничке, здесь я опишу процесс получения первых сэмплов и те настройки, которые попадают под ограничения.
В меню «Capture», выбирая пункт «Begin capture», открываем окно настроек записи. На первой странице в поле ««Analyzer port» выбираем порт, на котором сидит наш ЛА, больше ничего менять не нужно. Кнопкой ««Show device metadata» можно проверить наличие связи:

На второй странице указываем параметры захвата. Первые два пункта не трогаем,
«Sampling rate» не выше 20МГц (если указать больше – плата все равно использует 20МГц, но клиент будет думать, что используется указанное значение, в общем, ерунда получится).
«Channel groups»: 0 – используем одну группу каналов, это линии PD0-PD7, либо 0 и 1 – используем две группы каналов — линии PD0-PD15.
«Recording size»: для одной группы каналов – любое значение, для двух групп – не более 12kB (клиент предупредит, если в данном поле выбрано неверное значение).
Чекбоксы на данной странице не трогаем, они не поддерживаются:

Страница «Triggers» — самое интересное. Первый флажок ставим, чтобы просто включить триггеры.
«Before/After ratio» позволяет указать, в процентном соотношении, сколько данных сохранить до срабатывания буфера. После нажатия «Capture» ЛА сразу начинает запись данных, складывая их в циклический буфер, а по срабатыванию триггера отсчитывает указанный в поле After процент времени и отправляет данные на ПК.
«Type» — только «Simple», «Complex» — не поддерживается.
«Mode» — только «Parallel».
«Mask» — это те линии, на которых триггер будет ожидать перепад сигнала, поставте флаг в нулевой позиции для срабатывания по линии PD0
«Value» — фронт сигнала, по которому будет происходить срабатывание триггера. Флажок установлен – передний фронт. Флажок снят – задний:

Для проверки работы соедините порты PD0 и PA2 (на данном порту выводится тестовый сигнал UART) перемычкой.
Вот и все, нажимаем «Capture» и смотрим на полученный сигнал (Ctrl+F — обзорный масштаб):

Если ничего не происходит, значит, вы выставили срабатывание триггера на неправильные линии, или сигнала вовсе нет — проверьте настройки и подключение платы. Триггер можно запустить вручную, нажатием User button (синяя кнопка).

Выводы.

Логический анализатор может быть очень полезен при разработке и настройке всевозможных электронных устройств, при написании программного обеспечения, работающего в связке с железом, при работе с микроконтроллерами, ПЛИС и микропроцессорами, для анализа работы различных устройств и протоколов обмена данными, и для многих других применений. Кроме того, он портативен и не нуждается в отдельном питании.