關(guān)于裸機系統(tǒng)上進行的模擬調(diào)試

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

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

較小的微控制器可能缺少較大處理器所具有的一些強大的調(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時信號處理的復(fù)雜性會使調(diào)試代碼出現(xiàn)問題。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時，您可能希望查看這些在模擬域中的實際情況。

通常，在調(diào)試固件時，工程師會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。這里有很多問題。首先，在小型 MCU 中，可能沒有足夠的空間用于打印例程，因為內(nèi)存可能是稀缺的。其次，速度可能是一個問題。在 DSP 類型的處理中，我們通常一個接一個地對輸入信號進行實時處理，我們不能停下來處理相當(dāng)長的打印調(diào)用。第三，打印例程通常會使用中斷，這可能會導(dǎo)致實時系統(tǒng)出現(xiàn)問題。最后，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲到串行端口不會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。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和噪聲。但是，如果您通過串口查看相同的信號，當(dāng) ADC 被 MCU 讀取并發(fā)送到該串口后，您會看到一堆數(shù)字?，F(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)。但這似乎有點慢和乏味，而且肯定不是實時的。

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或關(guān)閉。示波器可以連接到 LED 或可用的 I/O 線，以查看狀態(tài)或通過切換固件中的 LED 或 I/O 線來測量狀態(tài)變化之間的時間。它工作得很好，但不符合獲得信號模擬視圖的想法，因為它正在由濾波器、相關(guān)器、切片器和混頻器的各個階段進行處理。

使用 DAC 進行模擬調(diào)試

最好是一個連接示波器探頭的地方，我們可以在固件中快速轉(zhuǎn)儲處理過的樣本。那么，我們可以使用什么？第一個想法是將數(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 8 位 DAC）連接到我正在研究的Arduino Nano設(shè)計中。Nano 的核心是 Microchip ATmega328，它沒有板載 DAC。AD7801 使用 8 條數(shù)據(jù)線的并行輸入，這些數(shù)據(jù)線由另一條線同步輸入，寫入速度非常快。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)線連接到 Arduino 上的端口 DAC，并將 WR 線連接到 Arduino 的 D13，如圖 1 所示。

圖 1 DAC 通過 8 條數(shù)據(jù)線連接到 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 個周期或大約 312 ns，DAC 的建立時間為 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)中可能會更簡潔。如果為此創(chuàng)建一個函數(shù)，則應(yīng)使用“always_inline”編譯指示對其進行編譯，以確保其快速運行。

現(xiàn)在連接了 DAC，讓我們看幾個調(diào)試示例?？纯?strong>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的示波器快照——為清楚起見，刪除了標(biāo)線。底部跡線（粉紅色/紫色）是原始信號，因為它正在進入 ATmega328 上的 ADC 引腳。您可以在這條線上看到明顯的噪音。上面的跡線（黃色）是在 MCU 固件中進行一些濾波和其他處理后的相同信號。

此流程中插入了 DAC 寫入調(diào)試代碼，因此 DAC 中的采樣時序與 ADC 相同。如果需要，您還可以對 MCU 中的信號進行抽取。暫時忽略信號中的“尖峰”，我們看到處理過程已經(jīng)消除了大部分噪聲。我們現(xiàn)在有一個可以評估的干凈信號。應(yīng)該注意的是，DAC 輸出是一個連續(xù)的信號流，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，以查看處理過程是如何進行的。您看到的信號實際上是被信號介質(zhì)破壞的專有數(shù)字信號。該代碼的任務(wù)是通過以下方式讀取數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)包：

• 發(fā)現(xiàn)前導(dǎo)碼“包開始”符號序列
• 跟蹤采樣時間，以便我們可以在適當(dāng)?shù)臅r間對樣本進行切片
• 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顯示處理后的信號并添加注釋。

這是添加了注釋的已處理信號的視圖。我在代碼中所做的是將信號從最小值 50 縮放到最大值 200。這允許在 256 個可用值中留出一些空間來在信號上方和下方添加“尖峰”。我們首先看到的是標(biāo)有“檢測到前導(dǎo)碼”的“尖峰”。它是在代碼驗證已找到前導(dǎo)碼 (B00000011) 時創(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 312ns 寬的標(biāo)記，其幅度等于 DAC 的最大電壓。

信號跡線內(nèi)上下的“尖峰”是指示代碼確定符號邊界的位置的標(biāo)記。在正確的時間對符號進行切片非常重要，當(dāng)出現(xiàn)長時間的 0 或 1 時，這一點變得至關(guān)重要。這是因為沒有發(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，因為它可以讓我們驗證實際時序并確認(rèn)沒有遺漏。這些符號邊界“尖峰”是通過使用以下 Arduino IDE 代碼向 DAC 發(fā)送 127 來創(chuàng)建的，該代碼插入到符號時序代碼的適當(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

符號轉(zhuǎn)換通過使用以下代碼向 DAC 發(fā)送 0 來標(biāo)記為“尖峰”，該代碼插入到觀察符號從 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)試代碼的各個部分。它比使用 LED、I/O 線和示波器強大許多倍。它也比串行端口發(fā)送數(shù)據(jù)作為定時信息更有用。

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，有時稱為自定義衰減設(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，如果我將光標(biāo)向上滑動到前導(dǎo)碼檢測“spike”的頂部，則示波器光標(biāo)讀數(shù)為 255，如果我將光標(biāo)移動到符號邊界“spike”的末尾，則為 127。

使用 8 位 DAC 時，此設(shè)置的公式為 255/MaxVolts，即 DAC 在輸入最大二進制輸入時的輸出電壓，在本例中為 255。因此，對于 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，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，因為您可以直接讀取 DAC 設(shè)置的數(shù)字；換句話說，內(nèi)部變量在調(diào)用 DAC 時所具有的值。這點考慮一下吧。本質(zhì)上，您可以以這種方式“實時”讀取變量，幾乎與打印語句一樣好，但速度更快且非侵入性。請注意，示波器垂直刻度的噪聲和分辨率會降低精度，因此您可能只能得到實際值的 ±1 或 2 個計數(shù)，仍然相當(dāng)不錯。

除了流式傳輸信號，使用這種技術(shù)，8 位 DAC 還可以同時表示 8 個二進制標(biāo)志的狀態(tài)，或程序中 8 位變量的當(dāng)前值。換句話說，使用 8 位 DAC 提供的信息是監(jiān)控單個 I/O 線所提供的信息的 8 倍。

使用 PWM 進行模擬調(diào)試

現(xiàn)在，如果您沒有可使用的 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)行類似操作。許多小型 MCU 都有 PWM，當(dāng)它們有 PWM 時，它們通常有多個 — 通常是 6 個。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行濾波以轉(zhuǎn)換輸出到一個電壓電平。因此，當(dāng)您將信號樣本發(fā)送到 PWM 時，電壓電平會重新創(chuàng)建可以在示波器上顯示的信號，就像使用 DAC 所做的那樣?？梢允褂煤唵蔚?RC 濾波器進行濾波。

不過這里有一些警告；低通濾波器意味著只能顯示低頻成分的信號，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)計低通信號。

使用 PWM 的 Arduino IDE 代碼在初始化后甚至比 DAC 代碼更簡單。將 8 位值寫入 PWM 的代碼很簡單：

模擬寫入（引腳編號，數(shù)據(jù)）

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

盡管 PWM 可能不那么準(zhǔn)確或無法顯示更高頻率的信號，但它有一個有趣的功能。一些 MCU 有多達 6 個 PWM，這意味著多達 6 個輸出可以提供實時數(shù)據(jù)。您可以有一個 4 跡線示波器同時顯示 4 個變量，留下 2 個備用 PWM 輸出。此外，通過 2 個輸出（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

另一個可用于 DAC 或 PWM 傳遞的信號的強大工具是頻譜。圖 4中的示波器屏幕截圖顯示了一個示例。上面的跡線顯示了在微控制器中生成的波形。該信號實際上是兩個頻率（f1 = 165 Hz 和 f2 = 135 Hz）被逐個采樣混合或相乘，然后在生成時發(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。混合操作抑制了原始生成頻率，如示波器跡線下半部分的 FFT 所示。大多數(shù)示波器，甚至是愛好者級別的示波器，都提供 FFT 作為數(shù)學(xué)運算之一。

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)沒有 DAC 或 PWM，您仍然可以使用一些東西來獲取有關(guān)正在運行的固件中的信號的一些信息。例如，您可以編寫代碼來對 PWM 信號進行 bit-bang。盡管它很可能對低頻信號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強大的工具，可以加快您的信號處理固件調(diào)試。如果可行，選擇帶有 DAC 外設(shè)的 MCU 或在您的第一個原型 PCB 中加入 DAC 可能會很有用。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是一名咨詢工程師，在嵌入式硬件、固件和系統(tǒng)設(shè)計方面擁有數(shù)十年的經(jīng)驗。他擁有30項專利。

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