標(biāo)題“模擬調(diào)試”似乎有點(diǎn)神秘。閱讀后，嵌入式固件開(kāi)發(fā)人員可能會(huì)出現(xiàn)認(rèn)知失調(diào)；但相信我，以后會(huì)說(shuō)得通的。標(biāo)題暗示的是處理在微控制器中處理的信號(hào)的任務(wù)。許多涉及小型 MCU 的任務(wù)都與處理來(lái)自傳感器（如麥克風(fēng)、水聽(tīng)器和壓力傳感器）的原始信號(hào)有關(guān)。其中一些信號(hào)需要清理然后處理。

這種處理可以使用多種數(shù)字信號(hào)處理 (DSP) 固件技術(shù)，例如 FIR 和 IIR 濾波器、混頻器和 FFT。隨著信號(hào)通過(guò)微傳輸，我們希望通過(guò)調(diào)試驗(yàn)證的數(shù)據(jù)可能很廣泛。例如，信號(hào)通過(guò)濾波器后是什么樣子，或者當(dāng)信號(hào)通過(guò)時(shí)相關(guān)器的輸出是什么。這就是模擬調(diào)試的用武之地。它允許您實(shí)時(shí)觀察信號(hào)。

較小的微控制器可能缺少較大處理器所具有的一些強(qiáng)大的調(diào)試工具，例如 BDM、J-Tag 和 SWD。較小的 MCU 也可以作為基礎(chǔ)金屬運(yùn)行，而不使用操作系統(tǒng)，這意味著操作系統(tǒng)中可用的任何調(diào)試工具都將丟失。這種工具的缺乏和實(shí)時(shí)信號(hào)處理的復(fù)雜性會(huì)使調(diào)試代碼出現(xiàn)問(wèn)題。但是，調(diào)試需要深入了解微處理器內(nèi)部的數(shù)據(jù)發(fā)生了什么，并且在處理流模擬信號(hào)時(shí)，您可能希望查看這些在模擬域中的實(shí)際情況。

通常，在調(diào)試固件時(shí)，工程師會(huì)使用微控制器上的串行端口（如果存在）打印出正在執(zhí)行的代碼的變量值或指示符。這里有很多問(wèn)題。首先，在小型 MCU 中，可能沒(méi)有足夠的空間用于打印例程，因?yàn)閮?nèi)存可能是稀缺的。其次，速度可能是一個(gè)問(wèn)題。在 DSP 類(lèi)型的處理中，我們通常一個(gè)接一個(gè)地對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，我們不能停下來(lái)處理相當(dāng)長(zhǎng)的打印調(diào)用。第三，打印例程通常會(huì)使用中斷，這可能會(huì)導(dǎo)致實(shí)時(shí)系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題。最后，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)到串行端口不會(huì)為您提供正在處理的數(shù)據(jù)的直接模擬視圖。

例如，假設(shè)您使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 從傳感器接收信號(hào)。您可以將示波器掛在傳感器的輸出上，并在模擬視圖中查看信號(hào)和噪聲。但是，如果您通過(guò)串口查看相同的信號(hào)，當(dāng) ADC 被 MCU 讀取并發(fā)送到該串口后，您會(huì)看到一堆數(shù)字。現(xiàn)在，您可以將這些數(shù)字放入電子表格并繪制圖表，或者設(shè)置另一臺(tái)帶有數(shù)字和模擬轉(zhuǎn)換器和顯示器的設(shè)備以再次查看數(shù)據(jù)。但這似乎有點(diǎn)慢和乏味，而且肯定不是實(shí)時(shí)的。

現(xiàn)在，如果串行端口不可用或不適合調(diào)試，工程師可以使用連接到 MCU 的 LED，該 LED 可以根據(jù)被調(diào)試程序中的各種條件打開(kāi)或關(guān)閉。示波器可以連接到 LED 或可用的 I/O 線(xiàn)，以查看狀態(tài)或通過(guò)切換固件中的 LED 或 I/O 線(xiàn)來(lái)測(cè)量狀態(tài)變化之間的時(shí)間。它工作得很好，但不符合獲得信號(hào)模擬視圖的想法，因?yàn)樗谟蔀V波器、相關(guān)器、切片器和混頻器的各個(gè)階段進(jìn)行處理。

使用 DAC 進(jìn)行模擬調(diào)試

最好是一個(gè)連接示波器探頭的地方，我們可以在固件中快速轉(zhuǎn)儲(chǔ)處理過(guò)的樣本。那么，我們可以使用什么？第一個(gè)想法是將數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 連接到 MCU，或者更好的是使用可用作 MCU 上的外圍設(shè)備的轉(zhuǎn)換器。

為了嘗試這種技術(shù)，我將 Analog Devices 的AD7801（一個(gè) 8 位 DAC）連接到我正在研究的Arduino Nano設(shè)計(jì)中。Nano 的核心是 Microchip ATmega328，它沒(méi)有板載 DAC。AD7801 使用 8 條數(shù)據(jù)線(xiàn)的并行輸入，這些數(shù)據(jù)線(xiàn)由另一條線(xiàn)同步輸入，寫(xiě)入速度非?？?。需要注意的是，我們可以使用此設(shè)置查看 8 位數(shù)據(jù)，但 10 位、12 位或其他大小可以與其他 DAC 一起使用，或者可以縮放以適應(yīng) 8 位 DAC。我將 8 條數(shù)據(jù)線(xiàn)連接到 Arduino 上的端口 DAC，并將 WR 線(xiàn)連接到 Arduino 的 D13，如圖 1 所示。

圖 1 DAC 通過(guò) 8 條數(shù)據(jù)線(xiàn)連接到 Arduino。

現(xiàn)在，要將數(shù)據(jù)發(fā)送到 DAC，只需要 3 行 Arduino IDE C 代碼：

PORTD = 數(shù)據(jù)；// 將數(shù)據(jù)字節(jié)放在 D0 到 D7

PORTB = PORTB & B11011111; // 將 D13 拉低以將數(shù)據(jù)鎖存到 AD7801

端口 B = 端口 B | B00100000; // 拉高 D13

在 16-MHz Arduino 上，此代碼需要大約 5 個(gè)周期或大約 312 ns，DAC 的建立時(shí)間為 1.2 us。所以，你可以看到這種數(shù)據(jù)顯示的方法可以比較快的完成，不需要中斷，也不需要太多的代碼。可以將此代碼插入固件的適當(dāng)位置以查看感興趣的數(shù)據(jù)。將 3 行代碼放入宏或函數(shù)中可能會(huì)更簡(jiǎn)潔。如果為此創(chuàng)建一個(gè)函數(shù)，則應(yīng)使用“always_inline”編譯指示對(duì)其進(jìn)行編譯，以確保其快速運(yùn)行。

現(xiàn)在連接了 DAC，讓我們看幾個(gè)調(diào)試示例。看看圖 2。

圖 2示波器快照顯示了模擬調(diào)試在啟用 DAC 的設(shè)置中是如何工作的。

這是傳入傳感器信號(hào)的示波器快照——為清楚起見(jiàn)，刪除了標(biāo)線(xiàn)。底部跡線(xiàn)（粉紅色/紫色）是原始信號(hào)，因?yàn)樗谶M(jìn)入 ATmega328 上的 ADC 引腳。您可以在這條線(xiàn)上看到明顯的噪音。上面的跡線(xiàn)（黃色）是在 MCU 固件中進(jìn)行一些濾波和其他處理后的相同信號(hào)。

此流程中插入了 DAC 寫(xiě)入調(diào)試代碼，因此 DAC 中的采樣時(shí)序與 ADC 相同。如果需要，您還可以對(duì) MCU 中的信號(hào)進(jìn)行抽取。暫時(shí)忽略信號(hào)中的“尖峰”，我們看到處理過(guò)程已經(jīng)消除了大部分噪聲。我們現(xiàn)在有一個(gè)可以評(píng)估的干凈信號(hào)。應(yīng)該注意的是，DAC 輸出是一個(gè)連續(xù)的信號(hào)流，而不僅僅是一些短暫的內(nèi)存緩沖捕獲。

但什么是“尖峰”？這些是我有意放入代碼中的一些調(diào)試功能，以查看處理過(guò)程是如何進(jìn)行的。您看到的信號(hào)實(shí)際上是被信號(hào)介質(zhì)破壞的專(zhuān)有數(shù)字信號(hào)。該代碼的任務(wù)是通過(guò)以下方式讀取數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)包：

• 發(fā)現(xiàn)前導(dǎo)碼“包開(kāi)始”符號(hào)序列
• 跟蹤采樣時(shí)間，以便我們可以在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間對(duì)樣本進(jìn)行切片
• 繼續(xù)采集樣本直到數(shù)據(jù)包結(jié)束

現(xiàn)在，讓我們看一下圖 3。

圖 3顯示處理后的信號(hào)并添加注釋。

這是添加了注釋的已處理信號(hào)的視圖。我在代碼中所做的是將信號(hào)從最小值 50 縮放到最大值 200。這允許在 256 個(gè)可用值中留出一些空間來(lái)在信號(hào)上方和下方添加“尖峰”。我們首先看到的是標(biāo)有“檢測(cè)到前導(dǎo)碼”的“尖峰”。它是在代碼驗(yàn)證已找到前導(dǎo)碼 (B00000011) 時(shí)創(chuàng)建的，并且可以使用以下 Arduino IDE 代碼輕松生成：

端口 = 255；// 將 255 放在 D0 到 D7

PORTB = PORTB & B11011111; // 將 D13 拉低以將數(shù)據(jù)鎖存到 AD7801

端口 B = 端口 B | B00100000; // 拉高 D13

它在示波器軌跡上創(chuàng)建一個(gè) 312ns 寬的標(biāo)記，其幅度等于 DAC 的最大電壓。

信號(hào)跡線(xiàn)內(nèi)上下的“尖峰”是指示代碼確定符號(hào)邊界的位置的標(biāo)記。在正確的時(shí)間對(duì)符號(hào)進(jìn)行切片非常重要，當(dāng)出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的 0 或 1 時(shí)，這一點(diǎn)變得至關(guān)重要。這是因?yàn)闆](méi)有發(fā)現(xiàn)從 0 到 1 或 1 到 0 的轉(zhuǎn)換。在示波器上查看這些“尖峰”非常有用，因?yàn)樗梢宰屛覀凃?yàn)證實(shí)際時(shí)序并確認(rèn)沒(méi)有遺漏。這些符號(hào)邊界“尖峰”是通過(guò)使用以下 Arduino IDE 代碼向 DAC 發(fā)送 127 來(lái)創(chuàng)建的，該代碼插入到符號(hào)時(shí)序代碼的適當(dāng)位置：

端口 = 127；// 將 127 放在 D0 到 D7 上

PORTB = PORTB & B11011111; // 將 D13 拉低以將數(shù)據(jù)鎖存到 AD7801

端口 B = 端口 B | B00100000; // 拉高 D13

符號(hào)轉(zhuǎn)換通過(guò)使用以下代碼向 DAC 發(fā)送 0 來(lái)標(biāo)記為“尖峰”，該代碼插入到觀察符號(hào)從 0 到 1 或 1 到 0 的轉(zhuǎn)換的代碼中：

端口 = 0；// 將 0 放在 D0 到 D7 上

PORTB = PORTB & B11011111; // 將 D13 拉低以將數(shù)據(jù)鎖存到 AD7801

端口 B = 端口 B | B00100000; // 拉高 D13

您可以看到，使用 DAC 查看覆蓋在實(shí)際處理跟蹤上的調(diào)試信息可以極大地幫助調(diào)試代碼的各個(gè)部分。它比使用 LED、I/O 線(xiàn)和示波器強(qiáng)大許多倍。它也比串行端口發(fā)送數(shù)據(jù)作為定時(shí)信息更有用。

眼尖的人可能已經(jīng)注意到，在圖 3 的右邊緣，探頭衰減不是 x1 或 x10，而是 x53.5。這是可以在許多較新的示波器上完成的技巧，有時(shí)稱(chēng)為自定義衰減設(shè)置。將其設(shè)置為 53.5 的原因是它允許使用示波器的光標(biāo)直接讀取 DAC 的 8 位輸入值。也就是說(shuō)，如果我將光標(biāo)向上滑動(dòng)到前導(dǎo)碼檢測(cè)“spike”的頂部，則示波器光標(biāo)讀數(shù)為 255，如果我將光標(biāo)移動(dòng)到符號(hào)邊界“spike”的末尾，則為 127。

使用 8 位 DAC 時(shí)，此設(shè)置的公式為 255/MaxVolts，即 DAC 在輸入最大二進(jìn)制輸入時(shí)的輸出電壓，在本例中為 255。因此，對(duì)于 5 V 電源軌，自定義設(shè)置為 51.0——我的電源軌只有 4.77 V，所以我的數(shù)字是 53.5。使用 10:1 探頭時(shí)，您可能需要將此數(shù)字乘以 10，然后再將其輸入示波器。

它非常方便，因?yàn)槟梢灾苯幼x取 DAC 設(shè)置的數(shù)字；換句話(huà)說(shuō)，內(nèi)部變量在調(diào)用 DAC 時(shí)所具有的值。這點(diǎn)考慮一下吧。本質(zhì)上，您可以以這種方式“實(shí)時(shí)”讀取變量，幾乎與打印語(yǔ)句一樣好，但速度更快且非侵入性。請(qǐng)注意，示波器垂直刻度的噪聲和分辨率會(huì)降低精度，因此您可能只能得到實(shí)際值的 ±1 或 2 個(gè)計(jì)數(shù)，仍然相當(dāng)不錯(cuò)。

除了流式傳輸信號(hào)，使用這種技術(shù)，8 位 DAC 還可以同時(shí)表示 8 個(gè)二進(jìn)制標(biāo)志的狀態(tài)，或程序中 8 位變量的當(dāng)前值。換句話(huà)說(shuō)，使用 8 位 DAC 提供的信息是監(jiān)控單個(gè) I/O 線(xiàn)所提供的信息的 8 倍。

使用 PWM 進(jìn)行模擬調(diào)試

現(xiàn)在，如果您沒(méi)有可使用的 DAC 怎么辦？您可以使用微控制器上的脈寬調(diào)制器 (PWM) 外圍設(shè)備執(zhí)行類(lèi)似操作。許多小型 MCU 都有 PWM，當(dāng)它們有 PWM 時(shí)，它們通常有多個(gè) — 通常是 6 個(gè)。PWM 和 DAC 之間的區(qū)別之一是 PWM 輸出需要使用低通濾波器進(jìn)行濾波以轉(zhuǎn)換輸出到一個(gè)電壓電平。因此，當(dāng)您將信號(hào)樣本發(fā)送到 PWM 時(shí)，電壓電平會(huì)重新創(chuàng)建可以在示波器上顯示的信號(hào)，就像使用 DAC 所做的那樣?？梢允褂煤?jiǎn)單的 RC 濾波器進(jìn)行濾波。

不過(guò)這里有一些警告；低通濾波器意味著只能顯示低頻成分的信號(hào)，響應(yīng)速度較慢。因此，您應(yīng)該將 PWM 的頻率初始化為可用的最高頻率。在 16 MHz ATmega328 上，PWM 可以設(shè)置為大約 31 kHz 的最大頻率，因此可以為大約 3-4 kHz 的頻率內(nèi)容設(shè)計(jì)低通信號(hào)。

使用 PWM 的 Arduino IDE 代碼在初始化后甚至比 DAC 代碼更簡(jiǎn)單。將 8 位值寫(xiě)入 PWM 的代碼很簡(jiǎn)單：

模擬寫(xiě)入（引腳編號(hào)，數(shù)據(jù)）

這里的“data”是一個(gè) 8 位采樣值，“PinNumber”是 PWM 輸出的引腳號(hào)。

盡管 PWM 可能不那么準(zhǔn)確或無(wú)法顯示更高頻率的信號(hào)，但它有一個(gè)有趣的功能。一些 MCU 有多達(dá) 6 個(gè) PWM，這意味著多達(dá) 6 個(gè)輸出可以提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。您可以有一個(gè) 4 跡線(xiàn)示波器同時(shí)顯示 4 個(gè)變量，留下 2 個(gè)備用 PWM 輸出。此外，通過(guò) 2 個(gè)輸出（PWM 或 DAC），您可以提供 I & Q 數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通常用于 DSP 信號(hào)處理，從而允許您探索負(fù)頻率。需要注意的是，就像 DAC 代碼一樣，PWM 代碼不需要中斷。

其他調(diào)試工具

另一個(gè)可用于 DAC 或 PWM 傳遞的信號(hào)的強(qiáng)大工具是頻譜。圖 4中的示波器屏幕截圖顯示了一個(gè)示例。上面的跡線(xiàn)顯示了在微控制器中生成的波形。該信號(hào)實(shí)際上是兩個(gè)頻率（f1 = 165 Hz 和 f2 = 135 Hz）被逐個(gè)采樣混合或相乘，然后在生成時(shí)發(fā)送到 DAC。在頻率混合中，結(jié)果是頻率之和和頻率差的頻率?；旌喜僮饕种屏嗽忌深l率，如示波器跡線(xiàn)下半部分的 FFT 所示。大多數(shù)示波器，甚至是愛(ài)好者級(jí)別的示波器，都提供 FFT 作為數(shù)學(xué)運(yùn)算之一。

圖 4示波器屏幕截圖顯示了頻譜如何混合或倍增頻率。

如果您的系統(tǒng)沒(méi)有 DAC 或 PWM，您仍然可以使用一些東西來(lái)獲取有關(guān)正在運(yùn)行的固件中的信號(hào)的一些信息。例如，您可以編寫(xiě)代碼來(lái)對(duì) PWM 信號(hào)進(jìn)行 bit-bang。盡管它很可能對(duì)低頻信號(hào)或緩慢變化的變量有用。

希望模擬調(diào)試的概念現(xiàn)在更加清晰。從固件流式傳輸數(shù)據(jù)并將其顯示在示波器上的主要概念是一個(gè)強(qiáng)大的工具，可以加快您的信號(hào)處理固件調(diào)試。如果可行，選擇帶有 DAC 外設(shè)的 MCU 或在您的第一個(gè)原型 PCB 中加入 DAC 可能會(huì)很有用。它總是可以在以后刪除或在物料清單 (BOM) 中制作為 NO-POP。

Damian Bonicatto是一名咨詢(xún)工程師，在嵌入式硬件、固件和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面擁有數(shù)十年的經(jīng)驗(yàn)。他擁有30項(xiàng)專(zhuān)利。

文章轉(zhuǎn)載自planetanalog ，Phoenix Bonicatto是一名自由作家。