巧用逻辑分析仪，助力开发

单片机开发工程师和电子爱好者，每天都要和各种各样的数字电路打交道。在制作调试电路时除了使用万用表、示波器等工具，逻辑分析仪也是必不可少的。

逻辑分析仪是利用时钟从测试设备上采集和显示数字信号的仪器，最主要的作用在于时序判定。逻辑分析仪与示波器不同，它不能显示连续的模拟量波形，而只显示高低两种电平状态（逻辑1和0）。在设置了参考电压后，逻辑分析仪将采集到的信号与电压比较器比较，高于参考电压的为逻辑1，低于参考电压的为逻辑0。这样就可以将被测信号以时间顺序显示为连续的高低电平波形，便于使用者进行分析和调试。使用逻辑分析仪，可以方便地设置信号触发条件开始采样，分析多路信号的时序，捕获信号的干扰毛刺，也可以按照规则对电平序列进行解码，完成通信协议分析。

 图1

逻辑分析仪根据其硬件设备的功能和复杂程度，主要分为独立式（单机型）逻辑分析仪和基于电脑（PC-Base）的虚拟逻辑分析仪两大类。独立式逻辑分析仪是将所有的软件，硬件整合在一台仪器中，使用方便。虚拟逻辑分析仪则需要结合电脑使用，利用PC强大的计算和显示功能，完成数据处理和显示等工作。

专业逻辑分析仪，通常具有数量众多的采样通道，超快的采样速度和大容量的存储深度，但昂贵的价格也不是个人所能承受的。作为工程师手头常备的开发工具，目前有许多入门级的逻辑分析仪设计，整体功能虽然不能和专业高档仪器相比，但是用较低的成本来实现特定的功能，也是非常成功的设计。本文以下讨论的逻辑分析仪，主要是指这类入门级设计。

基于电脑并口的逻辑分析仪曾是主流，但是近年来电脑系统逐步不再配置并口，这类设计已经成为明日黄花，仅仅还具有原理学习的价值。

另一类的逻辑分析仪，是以低速单片机为基础的。很多爱好者用PIC、AVR等常见单片机设计了自己的作品。但这类单片机逻辑分析仪的共同弱点就是采样速度太慢，通常不超过1MHz。

以USB IO芯片为基础的入门级逻辑分析仪现在最为流行。比如Saleae logic，还有类似的USBee等。这类产品主要采用一个USB IO芯片，例如CYPRESS公司的CY7C68013A-56PVXC，所有的信号触发和处理工作都是电脑上的软件完成的，硬件部分就只是一个数据记录仪。最高采样速度为24MHz。它们可以“无限数量”地采样，因为所有的数据都是存储在电脑里的。目前一般最多是8个通道，更多的通道数量会成比例地降低最高采样速度。这类产品构造简单，方便易用，价格便宜，是调试单片机开发工作的好工具。它的缺点主要是采样速度只有24MHz、8个通道，对于分析高速并行总线就不能胜任了。更进一步的设计，需要增加FPGA、SRAM等器件，才能解决速度不够和通道数量不足的问题。

 图2

 图3

 图4

下面就以Saleae逻辑分析仪为例，通过采样分析I2C总线波形和PWM波形，简单介绍它的特点和使用方法。

先介绍用逻辑分析仪采样单片机对I2C器件AT24C16的写数据过程。

硬件连接

1.先将逻辑分析仪的GND与目标板的GND连接，让二者共地。
2.选择需要采样的信号，这里就是AT24C16的SDA和SCL，将SDA接入逻辑分析仪的通道1（Input 1），SCL接入通道1（Input 2）。
3.将逻辑分析仪和电脑USB口连接，windows会识别该设备，并在屏幕右下角显示USB设备标识。

软件使用

1.运行Saleae软件，此时逻辑分析仪的硬件已经与电脑相连，软件会显示[Connected]。

2.设置采样数量和速度，I2C为低速通信，所以速度设置不必太高，这里设置为20M Samples @ 4M Hz的速度，也就是能持续采样5秒钟。
3.设置协议，点右上角的“Options”按钮，找到analyzer1，设置为I2C协议，详见图1。
4.按“Start”按钮，开始采样。 

图5

 图6

数据分析

采样结束后，可以看到波形，见图2。由于我们设置了是I2C分析，因此不光显示出波形，还有根据I2C协议解码显示的字节内容。单片机对AT24C16进行写入操作，在0x00地址处写入10000等数字。波形起始是“start”信号，然后依次是AT24C16的标识0xA2，写入地址0x00，数据0x10，0x27等。由于写入以字节为单位，因此0x2710 = 10000，表明采样成功。

将鼠标放在波形上，点击左键，实现zoom in功能。结果见图3，在“start”条件后，在SCL的8个连续脉冲的高电平处，SDA对应的信号为10100010，即0xA2，第9个脉冲高电平处为0，是ACK标志。

以上简单介绍了用逻辑分析仪进行I2C分析的过程，可以看到操作起来非常简单。

下面再介绍利用逻辑分析仪采样三相交流电机驱动器的6路PWM波形。

硬件连接

1. 先将逻辑分析仪的GND与目标板的GND连接，让二者共地，见图5。
2. 选择需要采样的信号，这里就是单片机6路PWM波形的输出引脚，将其接入逻辑分析仪的通道1（Input 1）至通道6（Input 6），并且把通道的名字改为Utop、Ubottom、Vtop、Vbottom、Wtop、WBottom，分别代表三路输出的上下桥臂。
3. 将逻辑分析仪和电脑USB口连接，windows会识别该设备，并在屏幕右下角显示USB设备标识。

软件使用

1. 运行Saleae软件，此时逻辑分析仪的硬件已经与电脑相连，软件会显示[Connected]。
2. 设置采样数量和速度，PWM的频率为15kHz，这里设置为2M Samples @ 4MHz的速度。
3. 设置触发条件，默认“----”就可以了。
4. 按“start”按钮，开始采样。

数据分析

采样结束后，可以看到波形，见图6。典型的三相电机驱动PWM是互补型的，即一组信号的上下两个波形的状态是相反的，分别控制这组桥臂上下两个开关管的状态，避免同时导通造成短路，见图7。

图7  典型的三相电机驱动电路

图8

将鼠标放在波形上，连续点击左键，实现zoom in功能。见图8。在UBottom的下降沿和UTop的上升沿放置标记线，在右下角的显示框中，可以看到T2-T1=2.25μs，这就是先关断后打开的时间差，专业上称为“死区时间”（Deadtime）。另外，还可以看到PWM的宽度45.5μs，周期66.6μs，占空比31.6%，频率15.0376kHz等信息。这就是一个典型的三相电机变频器的SVPWM波形。

以上两个例子，简单介绍了逻辑分析仪的使用，希望能对广大爱好者有所帮助和启发

推荐阅读

汽车电子嵌入式精彩文章汇总第一期：20210530-20230703

汽车电子嵌入式精彩文章汇总第2期

TC3xx芯片GTM模块-CMU,CCM,TBU详解

TC3xx芯片GTM模块-TOM详解

AUTOSAR架构下PWM模块配置实践

TC3xx芯片GTM模块-TIM详解

AUTOSAR架构下ICU模块配置实践

End

欢迎点赞，关注，转发，在看，您的每一次鼓励，都是我最大的动力！

汽车电子嵌入式

微信扫描二维码，关注我的公众号