“模擬調(diào)試”這個標(biāo)題似乎有點神秘。嵌入式固件開發(fā)人員讀完后可能會產(chǎn)生認(rèn)知失調(diào)；但相信我，稍后它就會有意義。標(biāo)題暗示的是處理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)都與處理來自麥克風(fēng)、水聽器和壓力傳感器等傳感器的原始信號有關(guān)。其中一些信號需要清理然后進(jìn)行處理。

　　該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。隨著信號流經(jīng)微處理器，我們希望通過調(diào)試驗證的數(shù)據(jù)可能會很廣泛。例如，信號通過濾波器后是什么樣子，或者當(dāng)信號通過相關(guān)器時，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乏較大處理器所擁有的一些強大的調(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)試工具都會丟失。工具的缺乏和實時信號處理的復(fù)雜性可能會導(dǎo)致代碼調(diào)試出現(xiàn)問題。然而，調(diào)試需要深入了解微處理器內(nèi)部數(shù)據(jù)發(fā)生的情況，并且在處理流模擬信號時，您可能希望查看這些信號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，由于內(nèi)存不足，可能沒有足夠的空間用于打印例程。其次，速度可能是一個問題。在 DSP 類型的處理中，我們通常會一個接一個樣本地對傳入信號進(jìn)行實時處理，并且我們無法停下來處理相當(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。，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端，并以模擬視圖查看信號和噪聲。但是，如果您通過串行端口查看相同的信號，則在 MCU 讀取 ADC 并將其發(fā)送到該串行端口后，您會看到一堆數(shù)字。現(xiàn)在，您可以將這些數(shù)字放入電子表格中并繪制圖表，或者設(shè)置另一臺帶有數(shù)字和模擬轉(zhuǎn)換器以及顯示器的設(shè)備以再次查看數(shù)據(jù)。但它似乎有點緩慢和乏味，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)正在調(diào)試的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，以通過切換固件中的 LED 或 I/O 線來查看狀態(tài)或測量狀態(tài)更改之間的時序。它工作得很好，但不符合獲得信號模擬視圖的想法，因為信號正在由濾波器、相關(guān)器、切片器和混頻器的各個階段進(jìn)行處理。

　　使用 DAC 進(jìn)行模擬調(diào)試

　　有一個連接示波器探頭的地方，我們可以在其中快速將處理過的樣本轉(zhuǎn)儲到固件中。那么，我們可以用什么呢？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 上的外設(shè)的轉(zhuǎn)換器。

　　為了嘗試這項技術(shù)，我將 Analog Devices 的AD7801（一個 8 位 DAC）連接到我正在開發(fā)的Arduino Nano設(shè)計中。Nano 的是 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)線由另一條線計時，寫入速度非常快。值得注意的是，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，或者可以縮放以適合 8 位 DAC。我將 8 條數(shù)據(jù)線連接到 Arduino 上的 DAC 端口，并將 WR 線連接到 Arduino 的 D13，如圖1所示。

　　裸機系統(tǒng)上模擬調(diào)試的關(guān)鍵選項

　　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 上

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

　　端口 B = 端口 B | B00100000；// 將D13拉高

　　在 16 MHz Arduino 上，此代碼需要大約 5 個周期或大約 312 ns，DAC 的穩(wěn)定時間為 1.2 us。因此，您可以看到這種數(shù)據(jù)顯示方法可以相對快速地完成，無需中斷，也無需太多代碼。可以將該代碼插入固件的適當(dāng)位置以查看感興趣的數(shù)據(jù)。將這 3 行代碼放入宏或函數(shù)中可能會更簡潔。如果您為此創(chuàng)建一個函數(shù)，則應(yīng)該使用“always_inline”編譯指令來編譯它，以確保它運行速度快。

　　現(xiàn)在連接了 DAC，讓我們看一些調(diào)試示例。請看圖 2。

　　裸機系統(tǒng)上模擬調(diào)試的關(guān)鍵選項

　　圖 2示波器快照顯示了在啟用 DAC 的設(shè)置中模擬調(diào)試的工作原理。

　　這是傳入傳感器信號的示波器快照 - 為了清晰起見，刪除了刻度線。底部跡線（粉色/紫色）是進(jìn)入 ATmega328 上 ADC 引腳時的原始信號。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(jìn)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(jìn)行抽取。現(xiàn)在忽略信號中的“尖峰”，我們看到處理已經(jīng)消除了大部分噪聲。我們現(xiàn)在有了可以評估的清晰信號。應(yīng)該注意的是，DAC 輸出是連續(xù)的信號流，而不僅僅是一些短內(nèi)存緩沖捕獲。

　　但“尖峰”是什么？這些是我特意放入代碼中的一些調(diào)試功能，以查看處理的進(jìn)行情況。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“數(shù)據(jù)包開始”符號序列

　　跟蹤樣本時間，以便我們可以在適當(dāng)?shù)臅r間切片樣本

　　繼續(xù)收集樣本直到數(shù)據(jù)包結(jié)。

　　這是已添加注釋的已處理信號的視圖。我在代碼中所做的是將信號從值 50 縮放到值 200。這允許在 256 個可用值中留出一些空間，以便在信號上方和下方添加“尖峰”。我們首先看到的是標(biāo)記為“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 上

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

　　端口 B = 端口 B | B00100000；// 將D13拉高

　　它在示波器跡線上創(chuàng)建一個 312 ns 寬的標(biāo)記，其幅度等于 DAC 的電壓。

　　信號跡線內(nèi)向上和向下的“尖峰”是指示代碼確定符號邊界的位置的標(biāo)記。這對于在正確的時間對符號進(jìn)行切片非常重要，并且當(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，因為它使我們能夠驗證實際時間并驗證沒有丟失。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，該代碼被插入到符號計時代碼中的適當(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中

　　端口 B = 端口 B | B00100000；// 將D13拉高

　　通過使用以下代碼向 DAC 發(fā)送 0，符號轉(zhuǎn)換被標(biāo)記為“尖峰”，該代碼被插入到監(jiān)視從 0 到 1 或 1 到 0 的符號轉(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中

　　端口 B = 端口 B | B00100000；// 將D13拉高

　　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。這是一個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。它設(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“尖峰”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“尖峰”的末尾，則示波器光標(biāo)讀數(shù)為 127。

　　使用 8 位 DAC 時，此設(shè)置的公式為 255/MaxVolts，即輸入二進(jìn)制輸入（本例中為 255）時 DAC 的輸出電壓。因此，對于 5V 電源軌，自定義設(shè)置為 51.0——我的電源軌只有 4.77V，所以我的數(shù)字是 53.5。使用 10:1 探頭時，在將其輸入示波器時，您可能需要將該數(shù)字乘以 10。

　　這非常方便，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 時使用的值。這點考慮一下吧。從本質(zhì)上講，您可以通過這種方式“實時”讀取變量，幾乎與 print 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)，但仍然相當(dāng)不錯。

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

　　使用 PWM 進(jìn)行模擬調(diào)試

　　現(xiàn)在，如果您沒有 DAC 可以使用怎么辦？您可以使用微控制器上的脈寬調(diào)制器 （PWM） 外設(shè)來執(zhí)行類似的操作。許多小型 MCU 都有 PWM，即使有，通常也有多個 — 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(jìn)行濾波以轉(zhuǎn)換輸出到一個電壓水平。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。可以使用簡單的 RC 濾波器來執(zhí)行濾波。

　　但這里有一些注意事項；低通濾波器意味著只能顯示低頻內(nèi)容的信號，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頻率。在 16 MHz ATmega328 上，PWM 的頻率可以設(shè)置為 31 kHz 左右，因此低通信號可以設(shè)計為大約 3-4 kHz 的頻率內(nèi)容。

　　初始化后，使用 PWM 的 Arduino IDE 代碼甚至比 DAC 代碼更簡單。將 8 位值寫入 PWM 的代碼非常簡單：

　　AnalogWrite（PinNumber， 數(shù)據(jù)）

　　這里“data”是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，但它具有一個有趣的功能。一些 MCU 具有多達(dá) 6 個 PWM，這意味著多達(dá) 6 個輸出可以傳送實時數(shù)據(jù)。您可以使用 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 DSP 信號處理中常用的 I & Q 數(shù)據(jù)，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

　　可用于處理 DAC 或 PWM 傳遞的信號的另一個強大工具是頻譜。圖 4中的范圍屏幕截圖顯示了一個示例。上面的跡線顯示了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）逐個樣本地混合或相乘，然后在生成時發(fā)送到 DAC。在頻率混合中，結(jié)果是頻率之和與頻率之差的頻率。原始生成頻率被混合操作抑制，如示波器跡線下半部分的 FFT 所示。大多數(shù)示波器，甚至是業(yè)余愛好者級別的示波器，都提供 FFT 作為數(shù)學(xué)運算之一。

　　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(jìn)行位處理。盡管它對于低頻信號或緩慢變化的變量很可能有用。

　　希望模擬調(diào)試的想法現(xiàn)在更清晰了。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可以是一個強大的工具，可以加快信號處理固件調(diào)試的速度。如果可行，選擇帶有 DAC 外設(shè)的 MCU 或在您的個原型 PCB 中集成 DAC 可能會很有用。它始終可以在以后刪除或在物料清單 （BOM） 中設(shè)為 NO-POP。