1. 協(xié)議基礎(chǔ)

1.1. 協(xié)議簡介

UART是“Universal Asynchronous Receiver/Transmitter”，通用異步收發(fā)器的縮寫。在19世紀(jì)60年代，為了解決計算機(jī)和電傳打字機(jī)通信，Bell發(fā)明了 UART協(xié)議，將并行輸入信號轉(zhuǎn)換成串行輸出信號。因?yàn)閁ART簡單實(shí)用的特性，其已經(jīng)成為一種使用非常廣泛的通訊協(xié)議。我們?nèi)粘＝佑|到的串口，RS232，RS485等總線，內(nèi)部使用的基本都是 UART協(xié)議 。

為了更好的理解和分析協(xié)議與總線的關(guān)系，我們通常把一個完整的通訊規(guī)范劃分成物理層，協(xié)議層以及應(yīng)用層。物理層只定義真實(shí)的信號特性（比如電壓，電流，驅(qū)動能力等），以及電信號與邏輯信號0和1的對應(yīng)關(guān)系；協(xié)議層不關(guān)心底層的0和1具體怎么實(shí)現(xiàn)，只規(guī)定邏輯信號的協(xié)議規(guī)范以及通訊過程（例如起始，數(shù)據(jù)以及結(jié)束等）；應(yīng)用層不關(guān)心數(shù)據(jù)是怎么獲取的，只定義數(shù)據(jù)表示的意義，以及如何實(shí)現(xiàn)具體的業(yè)務(wù)邏輯。

圖 1?1 通訊協(xié)議的分層實(shí)現(xiàn)

最簡單的UART協(xié)議應(yīng)用，通常物理層只需要兩根傳輸線，一根用于發(fā)送，一根用于接收，從而實(shí)現(xiàn)全雙工通訊。對于單向傳輸，也可以只使用一根傳輸線。此類應(yīng)用最典型的實(shí)例就是單片機(jī)的RX/TX端口互相連接，從而實(shí)現(xiàn)基于TTL電平的UART通訊。對于不同的傳輸距離以及可靠性的要求，替換不同的物理層實(shí)現(xiàn)既可以得到我們常見的RS232、RS485等通訊總線。

1.2. 不同的物理層實(shí)現(xiàn)

由于UART協(xié)議層的輸入是邏輯0/1信號，而邏輯0/1信號在物理層可以通過不同的電平標(biāo)準(zhǔn)來區(qū)分。針對不同的通訊需求，便可以使用不同的物理層實(shí)現(xiàn)。例如簡單的板內(nèi)通訊，或者常見的設(shè)備調(diào)試場景，使用簡單的LVTTL/TTL電平即可在兩個設(shè)備間進(jìn)行UART協(xié)議通訊。

圖 1?2 不同的物理層電平標(biāo)準(zhǔn)

通用的串口則使用的是RS232電平，可以增加傳輸距離，并且抵抗一定程度的信號干擾。付出的成本則是在物理層需要對應(yīng)的電平轉(zhuǎn)換芯片來實(shí)現(xiàn)，發(fā)送端需要將內(nèi)部的高低電平信號轉(zhuǎn)換成電壓更高的+/-電壓信號，接收端需要將+/-電壓信號轉(zhuǎn)換成內(nèi)部的高低電平信號。

在工業(yè)通訊的場景下，為了進(jìn)一步提高傳輸距離，以及增強(qiáng)信號的可靠性，一般會采用RS485的電平標(biāo)準(zhǔn)。在發(fā)送端將普通的高低電平信號轉(zhuǎn)換成一對差分信號，在接收端將差分信號再轉(zhuǎn)換成普通的高低電平信號。另外，RS485允許總線上連接多達(dá)128收發(fā)器，而TTL或者RS232則是點(diǎn)對點(diǎn)的連接。

1.2.1.基于TTL的UART通訊

基于TTL的UART通訊，是UART協(xié)議應(yīng)用最簡單的使用場景。即直接把數(shù)字I/O輸出的高低電平作為實(shí)際的物理信號進(jìn)行傳輸。在物理連接上，只需要設(shè)備共地，通過一根信號線即可完成單向的設(shè)備通訊。如果需要雙向全雙工，使用兩根信號線即可。

圖 1?3 基于TTL的UART通訊

為了對比不同物理層實(shí)現(xiàn)的差別，我們可以觀察發(fā)送相同數(shù)據(jù)時，不同物理層的實(shí)際信號有何不同。這里以發(fā)送字符‘D‘為例，通過璞石示波器，直接觀察TTL實(shí)現(xiàn)傳輸?shù)男盘枺ㄌ筋^接地端連接設(shè)備共地端，探頭信號端連接上圖藍(lán)色信號線），可以獲得如圖1?4所示的信號波形。從波形可以看出，當(dāng)沒有數(shù)據(jù)傳輸時，UART信號會一直保持在高電平（具體信號幅度由I/O的供電電壓決定），數(shù)據(jù)傳輸時信號發(fā)生跳變，傳輸完成后信號重新回到空閑的高電平狀態(tài)。

圖 1?4 TTL的UART信號波形

1.2.2.基于RS232的UART通訊

為了增強(qiáng)驅(qū)動能力，以增加傳輸距離和可靠性，RS232總線采用了雙極性電壓信號來進(jìn)行物理傳輸。信號在發(fā)送/接收之前，通過電平轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)內(nèi)部信號和總線信號的互相轉(zhuǎn)換。連接方式和TTL電平完全相同，整個物理層只是多了一層電平轉(zhuǎn)換。

圖 1?5 基于RS232的UART通訊

同樣以發(fā)送字符‘D‘為例，璞石示波器的探頭連接到信號端，可以采集到如圖1?6所示的實(shí)際波形。可以看出，RS232波形在空閑時為負(fù)電壓，當(dāng)有數(shù)據(jù)傳輸時，信號開始在正負(fù)電壓之間跳變，傳輸完成后重新回到空閑的負(fù)電壓狀態(tài)。

圖 1?6 RS232的UART波形

1.2.3.基于RS485的UART通訊

RS485為復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境而設(shè)計，和其它UART協(xié)議的物理層相比，RS485總線最大的特點(diǎn)就是使用了差分信號傳輸。信號在發(fā)送之前，通過RS485的收發(fā)器把單端信號轉(zhuǎn)換成差分信號，再發(fā)送到總線上進(jìn)行傳輸；同樣在接收之前，總線上的差分信號通過收發(fā)器的轉(zhuǎn)換變成單端信號再送給UART控制器進(jìn)行接收。在RS485總線上，如果希望進(jìn)行全雙工的雙向通訊，需要兩對差分信號線（即4根信號線）。如果只進(jìn)行半雙工的雙向通訊，則僅需要一對差分信號即可。

圖 1?7 基于RS485的UART通訊

還是以發(fā)送字符‘D‘為例，使用璞石示波器2個通道的探頭（共參考地），分別連接到其中一對差分信號的A/B端，可以采集到如圖1?8所示的實(shí)際波形。可以看出，A/B端的波形為互補(bǔ)關(guān)系。A端波形為正向邏輯（空閑時為正電壓），B端波形為反向邏輯（空閑時為負(fù)電壓）。

圖 1?8 RS485的UART波形

2. 協(xié)議規(guī)范

2.1. UART幀結(jié)構(gòu)

在上一節(jié)的介紹中，我們通過璞石示波器觀察了實(shí)際的UART波形，那么這個波形到底是怎么被準(zhǔn)確的識別成字符‘D‘，而不是其它內(nèi)容的呢？這就涉及到UART協(xié)議幀結(jié)構(gòu)的定義。如圖2?1所示：

圖 2?1 UART協(xié)議幀結(jié)構(gòu)

當(dāng)兩個設(shè)備需要通過UART協(xié)議進(jìn)行通訊時，它們需要同時約定好以下內(nèi)容：

• 每一位信號的時間長度T（波特率= 1/T）
• 幀結(jié)構(gòu)中每一項(xiàng)的具體位數(shù)
• 是否有校驗(yàn)位，以及校驗(yàn)位的機(jī)制（奇/偶/..）

有了這些約定，接收設(shè)備只需要等待起始位的到來，再對之后的波形進(jìn)行固定間隔的采樣即可獲得傳輸?shù)木唧w信息。以字符‘D‘的波形為例，其解析過程如圖2?2所示：

圖 2?2 UART波形分析

2.1.1. 波特率

波特率是UART協(xié)議，或者說所有異步串行協(xié)議，非常重要的一個概念，即單位時間內(nèi)（1秒）可表示的bit位個數(shù)，或者也可以表述為bit位寬的倒數(shù)。例如一個波特率為115200的UART波形表示1秒可容納115200個bit位，也就是說每一位bit數(shù)據(jù)占大約8.68uS的時長。

圖 2?3 波特率的定義

UART等異步串行協(xié)議，為了簡化信號物理連接，降低通訊成本，一般只有一根信號線，無法同時傳輸數(shù)據(jù)和時鐘信號。收/發(fā)設(shè)備為了正確解析波形就需要在相同的波特率設(shè)置下。而相同的波形使用不同的波特率獲取的信息可能會完全不同。對于接收設(shè)備來講，只有起始位可以作為一幀數(shù)據(jù)的同步點(diǎn)，其它數(shù)據(jù)都是通過波特率來確定具體的取樣位置。

還是以字符‘D’的波形為例，如圖2?4所示，如果用錯誤的波特率接收，就可能會得到完全錯誤的數(shù)據(jù)信息。

圖 2?4 波特率錯誤

2.1.2.空閑位

設(shè)備之間不傳輸數(shù)據(jù)時以持續(xù)的高電平表示空閑。空閑位持續(xù)時間越長，兩個數(shù)據(jù)幀間隔也越長，單位時間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)就越少。

圖 2?5 空閑位

2.1.3.起始位

UART接收端會一直檢測信號線上的電平變化，開始傳輸數(shù)據(jù)時，發(fā)送端將信號線從高電平拉到低電平結(jié)束空閑狀態(tài)，并保持一個bit位的時長。接收器檢測到高低電平轉(zhuǎn)換時，開始接收信號。

圖 2?6 起始位

2.1.4.數(shù)據(jù)位

數(shù)據(jù)位包含傳輸?shù)膶?shí)際數(shù)據(jù)，如果使用了奇偶校驗(yàn)，那么數(shù)據(jù)位長為5~8 bits，如果沒有使用奇偶校驗(yàn)，則位長為5~9 bits。在一般情況下，數(shù)據(jù)位為8 bits，數(shù)據(jù)首先從最低有效位開始發(fā)送，高位在后。

圖 2?7 數(shù)據(jù)位

2.1.5.校驗(yàn)位

校驗(yàn)位可以用來提高傳輸?shù)目煽啃浴Ｈ绻盘栐趥鬏斶^程中因?yàn)楦蓴_而導(dǎo)致某些位置的電平產(chǎn)生錯誤，通過計算接收的數(shù)據(jù)和校驗(yàn)位是否匹配即可判斷數(shù)據(jù)是否有傳輸錯誤，從而給應(yīng)用層提供有效信息來決定接受/丟棄對應(yīng)的數(shù)據(jù)。

圖 2?8 校驗(yàn)位

2.1.6.停止位

停止位表示一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束，實(shí)際信號是一段時間的高電平。停止位的時間長短可以設(shè)置為1、1.5或者2bits的停止位。大部分情況使用1bit的停止位。

因?yàn)閁ART是一個異步協(xié)議，每一幀的開頭可以用跳變沿來同步，但是停止位只能通過波特率來計算相對位置，如果在停止位的位置識別到一個低電平，則會產(chǎn)生幀錯誤。在通訊過程中，為了減少波特率的誤差導(dǎo)致的問題，可以設(shè)置不同的停止位長度來適配。

圖 2?9 停止位

3. 使用邏輯分析儀分析UART通訊

3.1. 示波器vs邏輯分析儀

示波器作為主要的通用測試測量儀器，在觀察模擬信號的細(xì)節(jié)方面有著天然的優(yōu)勢。比如說實(shí)時運(yùn)行，配合高波形刷新率，可以方便的觀察到突發(fā)的異常信號；再比如進(jìn)行噪聲評估以及信號質(zhì)量優(yōu)化時，示波器可以很好的對比同一條總線上，不同節(jié)點(diǎn)上信號的異同，從而找出隱藏的信號完整性問題。

但是示波器亦天然有著一些不方便的地方，除去通道少，屏幕普遍偏小，操作沒有電腦+鼠標(biāo)的方式靈活可控這些形態(tài)上的問題，針對數(shù)字信號的采集和分析，示波器最大的問題就是存儲深度太小。一臺幾十萬元的示波器存儲深度也可能只有幾百M(fèi)pts。同時，因?yàn)榇鎯ι疃鹊南拗疲?dāng)需要做稍微長一點(diǎn)時間的采集時，示波器的真實(shí)采樣率就會劇烈的下降，導(dǎo)致采集到的波形無法還原真實(shí)的信號，失去了分析的意義。

圖 3?1 璞石示波器分析UART信號

圖 3?2 DSLogic分析UART信號

邏輯分析儀是只針對數(shù)字信號采集和分析而專門設(shè)計的測試測量儀器，其采集出來的波形結(jié)果只有高低電平兩個狀態(tài)（也就是邏輯上的0和1）。但是卻很好的彌補(bǔ)了示波器在采集和分析數(shù)字信號上的不足。

1. 1.大部分邏輯分析儀都是在PC上操作，借助桌面處理器的強(qiáng)大性能，以及成熟操作系統(tǒng)的交互體驗(yàn)，極大了提升了數(shù)字信號分析的便捷性和效率。
2. 2.邏輯分析儀通道數(shù)多，入門級別的DSLogic邏輯分析儀就有16個通道可以同時采集，用戶也可以以非常合理的成本獲取擁有幾十個，甚至上百個通道的邏輯分析儀產(chǎn)品。
3. 3.邏輯分析儀的存儲深度更大，比如DSLogic在stream模式下可以達(dá)到16G的存儲深度，并且同時保持相當(dāng)高的采樣率，遠(yuǎn)超絕大多數(shù)示波器的采集能力。
4. 4.邏輯分析儀普遍提供豐富的協(xié)議解碼功能，可以對數(shù)字信號進(jìn)行深入的分析。例如DSLogic目前支持的解碼協(xié)議就多達(dá)100多種。大部分示波器的解碼能力有限，而且大多需要單獨(dú)購買相應(yīng)的插件。

我們接下來將重點(diǎn)介紹如何使用邏輯分析儀進(jìn)行各種情形下UART信號的采集和分析。

3.2. 建立邏輯分析儀的測試環(huán)境

3.2.1.DSLogic的連接

DSLogic是一款基于USB連接的便攜式邏輯分析儀。DSLogic主機(jī)負(fù)責(zé)信號采集和緩存，然后通過USB把數(shù)據(jù)傳輸給PC上的上位機(jī)軟件DSView。DSView負(fù)責(zé)波形數(shù)據(jù)處理，顯示，分析，以及對應(yīng)的人機(jī)交互功能。

圖 3?3 連接DSLogic到PC

使用時，只需要將DSLogic主機(jī)通過USB數(shù)據(jù)線直接連接到PC主板上的USB端口，打開DSView軟件，并確認(rèn)DSLogic主機(jī)上的指示燈變?yōu)槌＞G狀態(tài)。此時便完成了邏輯分析儀的連接和初始化工作。如圖3?4所示，在DSView軟件上可以觀察到左上角的當(dāng)前設(shè)備名稱，以及對應(yīng)的連接狀態(tài)。

圖 3?4 DSLogic連接狀態(tài)

3.2.2.UART信號連接

對于所有的測量來講，測試設(shè)備和被測信號必須基于一個共同的參考平面，也就是通常我們所說的接地，這樣被測信號才能被正確采集和測量。在某些情況下，會遇到?jīng)]有做顯性的接地，但是測量結(jié)果貌似沒有問題的情景，這是因?yàn)闇y量設(shè)備與被測信號通過其它的方式進(jìn)行了共地連接，比如使用的同一個電源供電，或者參考地同時接入了市電的接地端等等。但是在進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臏y量時，測量設(shè)備應(yīng)根據(jù)被測信號進(jìn)行就近接地處理。被測信號到測量設(shè)備的信號接地端環(huán)路面積越大，信號就越容易被干擾，從而產(chǎn)生測量誤差甚至測量錯誤。

針對UART信號來講，接入邏輯分析儀時，最簡單的情況只需要連接2根線，一根接參考地，一根接被測信號即可。針對我們之前提到的UART協(xié)議的不同物理層實(shí)現(xiàn)，信號連接的方式會稍有不同。

例如對于TTL電平的UART信號，除了連接參考地之外，只需要連接需要測試的信號（TX或者RX）分別接入邏輯分析儀對應(yīng)的通道輸入即可。

圖 3?5 TTL信號與邏輯分析儀連接

對于RS232總線信號，我們既可以直接測量電平轉(zhuǎn)換之后的總線信號（DSLogic在排線輸入端的耐壓范圍為+-30V，RS232的+-15V的信號范圍可以直接接入），也可以測量電平轉(zhuǎn)換之前的內(nèi)部數(shù)字信號。其接線的方式和TTL信號一致，唯一需要注意的是RS232信號對電平進(jìn)行了翻轉(zhuǎn)（空閑時為負(fù)電壓，即低電平），在進(jìn)行UART協(xié)議解碼時，我們可以在DSView的解碼設(shè)置窗口進(jìn)行對應(yīng)的信號電平翻轉(zhuǎn)（Invert Signal選項(xiàng)設(shè)置為yes）。

圖 3?6 RS232信號與邏輯分析儀連接

RS485總線使用的是差分信號，當(dāng)我們用邏輯分析儀進(jìn)行信號采集時，需要特別注意被測信號的連接方式。首先，邏輯分析儀的參考地需要連接到對應(yīng)的被測設(shè)備RS485收發(fā)器的參考地，這樣才可以保證邏輯分析儀有正確的電平參考平面；其次，對于差分信號，邏輯分析儀只需要采集到與內(nèi)部信號同極性的高低電平即可。從數(shù)字信號的角度來講，差分的方式只是提高信號傳輸?shù)目煽啃裕辉黾宇~外的信息量。如圖3?7所示，使用邏輯分析儀測試485總線信號時，連接對應(yīng)設(shè)備收發(fā)器的參考地，以及差分總線上的的A+信號即可。

當(dāng)然，如果只能采集到B-信號，我們也可以在DSView進(jìn)行解碼時，設(shè)置UART解碼器進(jìn)行信號翻轉(zhuǎn)的方式來得到正確的協(xié)議解析結(jié)果。

圖 3?7 RS485總線與邏輯分析儀連接

3.2.3.閾值設(shè)置

邏輯分析儀的閾值為高低電平的判決電壓，也就是說當(dāng)輸入信號電壓高于閾值電壓時，采集到的便是高電平；當(dāng)輸入信號電壓低于閾值電壓時，采集到的便是低電平。

針對UART協(xié)議，我們之前已經(jīng)介紹了其有不同的物理層實(shí)現(xiàn)，不同的物理層實(shí)現(xiàn)有不同的電平標(biāo)準(zhǔn)。我們只需要選擇一個對應(yīng)的閾值可以區(qū)分不同情況下的高低電平即可。如圖3?8所示的閾值基本可以滿足這個要求。

圖 3?8 UART信號的閾值設(shè)置

在某些情況下，因?yàn)榕渲没蛘哒{(diào)試的需要，RS485總線的差分信號幅度可能在比較大的范圍變動。因?yàn)镽S485的規(guī)范規(guī)定只要A-B之間的差分電壓大于200mV既可以認(rèn)為是高電平。此時我們可以借助璞石示波器，觀察實(shí)際的信號電平幅度，再來決定合適的閾值設(shè)置。只需要確保設(shè)置的閾值電壓可以合理的分辨出高低電平即可。

3.3. 簡單的UART信號采集

絕大部分UART信號都是低速信號，例如最常用的波特率115200，表示信號頻率只有115.2KHz。使用DSLogic的默認(rèn)設(shè)置即可直接采集到此類信號。此處以主機(jī)固定1s間隔，重復(fù)發(fā)送字符‘D‘為例，介紹如何使用邏輯分析儀采集和分析此類UART信號。

3.3.1. 信號采集

在準(zhǔn)備好硬件和信號連接之后，直接點(diǎn)擊DSView軟件的“開始“按鈕，就可以以默認(rèn)設(shè)置（1MHz采樣率采集1s時長）采集被測信號。如果希望修改采樣率和采集時長，直接在對應(yīng)下拉框中選擇對應(yīng)的參數(shù)即可。采樣率的設(shè)置原則推薦為被測信號最高頻率的10倍或以上，例如對于115200波特率的UART信號，最快的信號頻率為115.2KHz，當(dāng)選擇1M采樣率時，每bit信號會有8或者9個采樣點(diǎn)，對應(yīng)的相位誤差為+-1/8（12.5%）；當(dāng)選擇10M采樣率時，每bit信號會有86或者87個采樣點(diǎn)，對應(yīng)的相位誤差為+-1/86（1.16%）。當(dāng)然一般情況下也不推薦使用過高的采樣率，因?yàn)椴蓸勇试礁吣懿杉臅r長就越短，另外采樣率過高可能采集到慢速信號單個跳變沿的多次跳變，從而給協(xié)議解碼帶來困擾。圖3?9便是使用默認(rèn)設(shè)置采集得到的信號波形。

圖 3?9 默認(rèn)采集

從圖3?9可以看出，通道0采集到持續(xù)為高電平的信號，但是并沒有發(fā)現(xiàn)有任何跳變。仔細(xì)觀察波形窗口上面的時間標(biāo)尺以及窗口底部的滾動條，可以得知當(dāng)前窗口顯示的只是采集到的部分波形，不是全部信號。此時可以通過鼠標(biāo)滾輪縮放，或者在波形區(qū)域右鍵雙擊的方式顯示整個采集時長的所有波形。得到如圖3?10所示的結(jié)果。

圖 3?10 顯示整個采集窗口

在上圖的基礎(chǔ)上，我們希望只觀察通道0的跳變部分。可以在“選項(xiàng)”窗口關(guān)閉其它通道的波形顯示，調(diào)節(jié)通道信號的顯示高度。然后將鼠標(biāo)指向目標(biāo)波形，并同時通過鼠標(biāo)滾輪放大所指位置的波形；或者可以通過按住鼠標(biāo)右鍵框選希望放大的波形區(qū)域。另外，按住鼠標(biāo)左鍵可以對波形進(jìn)行左右移動。得到如圖3?11所示的波形細(xì)節(jié)。

圖 3?11 觀察波形細(xì)節(jié)

在觀察波形時，把鼠標(biāo)放到脈沖波形上既可以顯示當(dāng)前信號的脈沖寬度，周期，頻率以及占空比等信息。同時，也可以通過鼠標(biāo)雙擊左鍵的方式添加光標(biāo)，移動光標(biāo)時會自動吸附到靠近的跳變沿。

3.3.2.UART解碼

邏輯分析儀采集到的信號波形只有高低電平（0/1）在時間上的變化，這不利于我們對信號傳輸?shù)倪^程和內(nèi)容進(jìn)行有針對性的分析。雖然我們可以根據(jù)協(xié)議規(guī)范，用肉眼來翻譯波形對應(yīng)的協(xié)議內(nèi)容，但是將大大降低分析的效率。DSView自帶的解碼器可以提供豐富的協(xié)議解碼內(nèi)容，使得枯燥的波形變成有意義的字符，標(biāo)記以及數(shù)據(jù)內(nèi)容。極大的方便了工程師對信號的分析和理解，從而找出錯誤信息或者關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

在DSView軟件里對已經(jīng)采集到的波形進(jìn)行協(xié)議解碼非常簡單，只需要打開“解碼”面板，搜索到對應(yīng)的解碼器（這里我們選擇1:UART協(xié)議），設(shè)置對應(yīng)解碼器的選項(xiàng)（包括顯示/通道/幀結(jié)構(gòu)/格式等），確定之后軟件就會開始對選定通道進(jìn)行UART的協(xié)議解碼。并在協(xié)議通道顯示解碼的結(jié)果。如圖3?12所示。

圖 3?12 添加UART解碼

在選擇解碼器時，DSView提供便捷的協(xié)議搜索功能，只需要在協(xié)議搜索框輸入關(guān)鍵字符，DSView便會列出所有包含這些字符的解碼器，用戶在其中選擇正確的解碼器即可。如圖3?13所示和UART相關(guān)的有兩個協(xié)議0:UART和1:UART，其中0:UART是一個簡化的解碼器，其不進(jìn)行bits信息的解析，也不支持高層協(xié)議的堆疊，當(dāng)我們只想獲取波形對應(yīng)的數(shù)據(jù)時，可以使用此簡化協(xié)議來減少解碼的時間和占用的內(nèi)存資源。

圖 3?13 協(xié)議搜索

解碼器的設(shè)置窗口有很多和解碼相關(guān)的設(shè)置選項(xiàng)，不同協(xié)議的設(shè)置窗口內(nèi)容也會不同。其中有一些所有解碼器都必須設(shè)置的選項(xiàng)，比如通道和協(xié)議信號之間的對應(yīng)關(guān)系。此處我們使用的是通道0抓取的UART信號，那么對應(yīng)的需要解碼的通道就應(yīng)該設(shè)置成通道0。

和協(xié)議相關(guān)的設(shè)置選項(xiàng)我們在幀結(jié)構(gòu)的部分都有詳細(xì)講解，在實(shí)際操作種也可以通過串口的上位機(jī)軟件（串口調(diào)試助手等）來獲取這些信息。如圖3?14所示。

圖 3?14 協(xié)議相關(guān)的選項(xiàng)

對于解碼的數(shù)據(jù)內(nèi)容，DSView支持不同的顯示格式。例如之前采集的UART信號按照ASCII碼的方式顯示字符‘D’，也可以修改成十六進(jìn)制（Hex）的顯示方式，結(jié)果便會顯示0x44。如圖3?15所示。目前支持的顯示格式有：hex（十六進(jìn)制）、dec（十進(jìn)制）、oct（八進(jìn)制）、bin（二進(jìn)制）以及ascii碼。

圖 3?15 格式選擇

3.4. 單次UART傳輸?shù)牟杉?/strong>

當(dāng)我們要捕獲的波形是一個偶發(fā)信號時，我們并不知道什么時候波形會出現(xiàn)，如果使用直接的采集方式可能大部分時間就只能捕獲到空閑的信號波形，無法抓取到實(shí)際傳輸時的信號。

這個時候便可以通過觸發(fā)來進(jìn)行捕獲。通過設(shè)置對應(yīng)的觸發(fā)條件，我們可以根據(jù)波形的變化來控制信號采集的開始時間，從而精準(zhǔn)的捕獲到希望看到的信號波形。

3.4.1.Buffer模式

DSLogic支持兩種采集模式：Stream模式和Buffer模式。在Stream模式下采集到的數(shù)據(jù)會實(shí)時的傳輸?shù)絇C，然后由DSView處理。Buffer模式采集到的數(shù)據(jù)會先緩存在DSLogic的內(nèi)部硬件緩存中，等采集完成后再傳輸?shù)絇C，由DSView處理。

Buffer模式除了可以達(dá)到更高的采樣率這個優(yōu)點(diǎn)外，還支持更多的觸發(fā)選項(xiàng)和設(shè)置，比如多級觸發(fā)，串行觸發(fā)以及觸發(fā)位置的設(shè)置等。而Stream模式僅支持簡單觸發(fā)。

圖 3?16 模式選擇

3.4.2.觸發(fā)設(shè)置

對于簡單觸發(fā)，我們可以直接設(shè)置通道旁邊的觸發(fā)選項(xiàng)。其依次對應(yīng)上升沿，高電平，下降沿，低電平以及任意邊沿觸發(fā)。在觸發(fā)面板保持默認(rèn)的簡單觸發(fā)模式即可。例如對于不知道什么時候發(fā)生的UART傳輸，我們可以選擇下降沿觸發(fā)。當(dāng)UART信號一直處于空閑狀態(tài)時，觸發(fā)就不會被滿足。DSLogic會一直等待觸發(fā)條件的到來，如圖3?17所示。

圖 3?17 等待觸發(fā)

當(dāng)UART開始傳輸?shù)谝粋€起始位時，便會激活觸發(fā)條件，DSLogic將采集到觸發(fā)時的信號波形。如圖3?18所示。

圖 3?18 觸發(fā)采集

我們考慮復(fù)雜一點(diǎn)的觸發(fā)場景，例如設(shè)備A不斷的隨機(jī)給設(shè)備B發(fā)送數(shù)據(jù)，設(shè)備B則根據(jù)設(shè)備A發(fā)送的數(shù)據(jù)內(nèi)容回復(fù)不同的數(shù)據(jù)。如果我們想要知道設(shè)備B發(fā)送數(shù)據(jù)0之前，設(shè)備A給設(shè)備B發(fā)送了哪些數(shù)據(jù)，該如何設(shè)置觸發(fā)條件抓到對應(yīng)時刻的波形呢？

這里有兩個問題需要解決，首先我們需要設(shè)置觸發(fā)的位置，從而看到觸發(fā)之前的數(shù)據(jù)，而不是觸發(fā)之后的數(shù)據(jù)；其次我們要找出設(shè)備B發(fā)送數(shù)據(jù)0的波形特征，并把其轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的觸發(fā)條件。

圖 3?19 觸發(fā)位置

根據(jù)UART的協(xié)議規(guī)則，發(fā)送數(shù)據(jù)0的波形會是一個比較寬的持續(xù)低電平脈沖信號。如果UART的波特率為115200，我們設(shè)置的采樣率為1MHz，數(shù)據(jù)0的波形如圖3?20所示，將會是一個78.125uS左右的低電平脈沖。

圖 3?20 UART發(fā)送數(shù)據(jù)0

要設(shè)置高級觸發(fā)或者觸發(fā)位置都需要buffer模式的支持，需要首先在“選項(xiàng)”設(shè)置“運(yùn)行模式”為“Buffer模式“，同時不要選中“RLE硬件壓縮“的選項(xiàng)。設(shè)置高級觸發(fā)條件為通道1出現(xiàn)持續(xù)的75個采樣點(diǎn)的低電平（對應(yīng)1MHz采樣率，也就是75us的低電平），觸發(fā)位置設(shè)置到80%，便于觀察觸發(fā)之前的數(shù)據(jù)。具體設(shè)置如圖3?21所示。

圖 3?21 高級觸發(fā)設(shè)置

根據(jù)這個觸發(fā)條件，當(dāng)設(shè)備B發(fā)送數(shù)據(jù)0時就會觸發(fā)，采集到的波形如圖3?22所示。

圖 3?22 觸發(fā)位置

3.4.3.重復(fù)采集

在某些情況下，我們需要動態(tài)的觀察一些信號的狀態(tài)，比如每次Burst發(fā)送的數(shù)據(jù)內(nèi)容，但是卻又不知道數(shù)據(jù)什么時候發(fā)出，不可能頻繁的去點(diǎn)擊”開始“按鈕。DSView提供了”重復(fù)“采集的模式，可以在滿足觸發(fā)時自動采集并更新波形。當(dāng)我們調(diào)試一些周期的突發(fā)信號時，便可以通過重復(fù)模式非常方便的觀察動態(tài)的采集和協(xié)議解析的結(jié)果。

重復(fù)模式可以按圖3?23所示進(jìn)行設(shè)置。重復(fù)間隔是指兩次采樣之間至少停留的時間，方便觀察上一次采集的波形和解碼結(jié)果。

圖 3?23 重復(fù)采集模式

3.5. 長時間UART傳輸?shù)牟杉?/strong>

當(dāng)需要采集超長時間的波形進(jìn)行分析時，我們可以使用Stream模式。DSLogic在Stream模式下可以實(shí)現(xiàn)每個通道16G的采樣深度。在1MHz的采樣率下，采集時長可以達(dá)到16G/1M≈16000s，也就是4個多小時。

3.5.1.Stream模式

Stream模式的設(shè)置如圖3?24所示，不同的DSLogic硬件版本支持不同的stream模式通道選項(xiàng)。對于U3Pro16來講，基于USB3.0的端口，可以實(shí)現(xiàn)3通道@最高1GHz采樣率，6通道@最高500MHz采樣率，12通道@最高250MHz采樣率以及16通道@最高125MHz采樣率。

圖 3?24 Stream模式設(shè)置

當(dāng)采集的數(shù)據(jù)量比較大時，可以使用0:UART協(xié)議進(jìn)行解碼，和1:UART相比，其省略了bits信息的輸出，不支持高層協(xié)議堆疊，可以縮短解碼時間，減少內(nèi)存占用。其它功能和1:UART相同。解碼效果如圖3?25所示。

圖 3?25 0:UART解碼大量數(shù)據(jù)

3.5.2.協(xié)議列表顯示

如下圖所示，圖形化的解碼結(jié)果是和采集到的波形在時間上完全保持同步的，這有助于我們理解波形和找到問題，但同時因?yàn)闀r間的顯示比例問題，不利于對解碼結(jié)果的查看。列表顯示可以很好的彌補(bǔ)這一缺陷，使得查看和分析大量的解碼內(nèi)容變得簡單。

圖 3?26 列表顯示

DSView提供在圖形結(jié)果和列表結(jié)果之間進(jìn)行跳轉(zhuǎn)的方式。在列表結(jié)果中單擊任意一行即可自動跳轉(zhuǎn)到對應(yīng)的波形結(jié)果，同時你還可以在列表的選項(xiàng)里面選擇跳轉(zhuǎn)時是自動放大波形進(jìn)行顯示，還是固定波形當(dāng)前的縮放比列。另外，當(dāng)我們查看某一個時刻的波形時，如果希望跳轉(zhuǎn)到這段波形對應(yīng)的解碼結(jié)果在列表顯示的位置，只需要點(diǎn)擊列表顯示窗口右上角的定位按鈕即可。

圖 3?27 列表和圖形解碼的跳轉(zhuǎn)

另外，通過列表顯示還可以把解碼的內(nèi)容導(dǎo)出到文件。如上圖所示，點(diǎn)擊列表顯示的“保存”按鈕，可以選擇把當(dāng)前解碼的內(nèi)容導(dǎo)出到csv或者txt文件，方便進(jìn)行更多的第三方數(shù)據(jù)處理，比如輸入到matlab進(jìn)行分析，或者作為其它軟件的數(shù)據(jù)輸入。

3.5.3.解碼數(shù)據(jù)搜索

列表顯示的另一個優(yōu)勢就是可以把解碼結(jié)果當(dāng)成字符串進(jìn)行結(jié)果搜索，比如搜索特定操作，或者特定字節(jié)數(shù)據(jù)，可以快速定位需要查看的位置。

在搜索框中輸入需要搜索的關(guān)鍵字，然后按向前/向后按鈕即可找到包含關(guān)鍵字的解碼內(nèi)容，同時波形界面也會跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)位置，以供分析。如果正在分析某一段的解析結(jié)果，可以單擊選中列表的某一行，向前/向后按鈕則會以這一行為起始位置，查找前一個和后一個匹配項(xiàng)，而不用從頭開始查找。

圖 3?28 協(xié)議內(nèi)容搜索

對于UART協(xié)議，DSView還支持多行數(shù)據(jù)搜索。可以用于查找數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的某些連續(xù)的字符串結(jié)果。如圖3?29所示，多行數(shù)據(jù)搜索通過“-“字符來連接多個關(guān)鍵字。

圖 3?29 多行數(shù)據(jù)搜索

3.5.4.波形搜索

DSView不僅支持解碼結(jié)果的搜索，還支持原始波形的搜索功能。在很多場景可以快速的定位波形。例如波形突發(fā)傳輸時，因?yàn)榭臻e周期比較長，無法同時看到多次傳輸?shù)募?xì)節(jié)波形，可以使用波形搜索，在查看完前一時刻的波形，保證縮放比列不變的情況下，立即跳轉(zhuǎn)到下一次的波形跳變處。

選中“搜索”工具欄，軟件窗口的下方會出現(xiàn)搜索框，單擊搜索框，彈出搜索設(shè)置窗口，確定通道跳變沿，即可通過左右鍵搜索符合條件的波形。同時，也可以手動移動搜索光標(biāo)，以確定搜索的起始位置。

圖 3?30 波形搜索

選中搜索之后會出現(xiàn)帶“S”標(biāo)記的光標(biāo)，初始狀態(tài)為灰色，如果點(diǎn)擊左/右搜索，并查找到了符合條件的波形，光標(biāo)會變成藍(lán)色，并自動移動到搜索的位置。如果手動移動了“S”光標(biāo)，光標(biāo)會重新變?yōu)榛疑?/p>

3.5.5.光標(biāo)運(yùn)用

DSView支持豐富的光標(biāo)操作，不僅可以通過光標(biāo)進(jìn)行時序的測量，還可以通過光標(biāo)來標(biāo)記和追蹤特殊波形。當(dāng)波形空閑或者間隔時間較長時，可在每一個感興趣的位置都插入光標(biāo)，想要跳轉(zhuǎn)到某一個感興趣的波形時，只需要在標(biāo)尺區(qū)域點(diǎn)擊右鍵，再點(diǎn)擊想要跳轉(zhuǎn)的光標(biāo)序號，既可以跳轉(zhuǎn)到對應(yīng)的光標(biāo)位置。

如果想移動光標(biāo)，只需要將鼠標(biāo)移動到光標(biāo)附近，當(dāng)光標(biāo)出現(xiàn)加粗顯示時，單擊鼠標(biāo)左鍵即可選中，此時光標(biāo)便會跟隨鼠標(biāo)移動，確定位置后再次單擊左鍵即可釋放光標(biāo)。當(dāng)希望光標(biāo)吸附到特定通道波形的某一個跳邊沿時，只需要將移動光標(biāo)時的鼠標(biāo)靠近跳變沿附近，光標(biāo)會自動

吸附到跳邊沿位置。

圖4-13 光標(biāo)運(yùn)用

3.5.6.鼠標(biāo)測量

除了基于光標(biāo)的測量，DSView還提供了更加便捷的鼠標(biāo)測量功能。例如當(dāng)前脈寬，周期，占空比以及頻率的測量（只需要將鼠標(biāo)放到變化的脈沖上）；邊沿個數(shù)的測量（在波形上點(diǎn)擊開始和結(jié)束位置便會自動統(tǒng)計此區(qū)間的跳變沿）；以及邊沿距離的測量（鼠標(biāo)點(diǎn)擊起始邊沿，再移動到結(jié)束邊沿即可）。

如圖3?31所示，移動鼠標(biāo)到起始跳變沿的位置，單擊鼠標(biāo)左鍵，選中起始跳變沿，移動鼠標(biāo)到結(jié)束跳變沿的位置，便會顯示兩個跳變沿之間的距離（時長/采樣間隔點(diǎn)），再次單擊鼠標(biāo)左鍵完成測量。

圖 3?31 跳變沿間距

4. 常見問題

4.1. 確定未知的波特率

當(dāng)我們無法事先獲取UART波形的波特率時，也可以通過采集到的波形來猜測真實(shí)的波特率。DSView提供“Guess bitrate”的解碼器來猜測任意波形串的波特率參數(shù)。Guess bitrate的原理就是依次找到波形中最窄的脈寬，作為一個bit的波形寬度，然后計算其倒數(shù)作為波特率。所以其可能出現(xiàn)多個結(jié)果，我們只需要觀察對應(yīng)的脈沖是不是合理的脈寬，然后選擇最大的波特率結(jié)果即可。如圖4?1所示。

圖 4?1 猜測波特率

獲取到波特率之后，便可以設(shè)置到UART解碼器的選項(xiàng)中。因?yàn)閁ART協(xié)議每次起始位都會重新同步，所以波特率的誤差只會在一幀數(shù)據(jù)中累計，只要一幀以內(nèi)的誤差沒有超過bit位的邊界，便可以得到正確的解碼結(jié)果。

當(dāng)然，如果波形樣本較少，比如波形中沒有出現(xiàn)過單個bit寬度的脈沖，那么猜測的波特率很可能不正確，導(dǎo)致解碼結(jié)果錯誤。當(dāng)有不符合協(xié)議的波形出現(xiàn)時，UART解碼器也會給出可能的錯誤提示，比如frame error等，如圖4?2所示。有經(jīng)驗(yàn)的工程師可以通過觀察波形和解碼結(jié)果，去調(diào)整波特率，以便獲得正確的解碼結(jié)果。

圖 4?2 解碼錯誤

4.2. 反相信號的解碼

在之前的章節(jié)我們提到，UART協(xié)議可以通過不同的物理信號進(jìn)行傳輸，有些物理層的信號可能與協(xié)議信號是反向的關(guān)系（高低電平互換），比如RS232，或者RS485差分信號當(dāng)中的B-信號。當(dāng)我們采集到的信號是反向時，DSView的UART解碼器也可以通過設(shè)置來獲取正確的解碼結(jié)果。

用戶只需要在UART解碼器的設(shè)置中將“Invert Signal ?”選項(xiàng)設(shè)置為“yes”即可。反向信號的解碼如下圖所示。

圖 4?3 反向信號的UART解碼

4.3. 多組UART通訊的解碼

DSView的UART解碼器特意設(shè)計成單通道的方式，這樣可以方便多路通訊進(jìn)行解碼時通道的任意設(shè)置。例如對于一個全雙工的UART通訊，既有TX信號又有RX信號，那么我們只需要分別添加兩個UART解碼器來對應(yīng)TX和RX的解碼即可。

如下圖所示，便是同時對3路UART信號進(jìn)行解碼的情況。

圖 4?4 多路解碼器

4.4. 起始位置導(dǎo)致的解碼錯誤

對于任何通訊過程來講，設(shè)備必須從初始狀態(tài)出發(fā)，才能正確的接收到通訊內(nèi)容，也就是正確的對協(xié)議幀進(jìn)行識別和分析。對于邏輯分析儀來講也是一樣，如果信號的采集正好從一幀數(shù)據(jù)的中間開始，那么錯誤的起始位置很可能導(dǎo)致錯誤的解碼結(jié)果。如下圖所示，設(shè)備不停的發(fā)送字符串“DreamSourceLab“，但是因?yàn)槭状尾东@的位置正好位于數(shù)據(jù)幀的中間，導(dǎo)致第一段波形的解碼變成了亂碼。

圖 4?5 波形截斷錯誤

為了避免錯誤的解碼數(shù)據(jù)，我們可以人為的設(shè)置解碼的起始位置以及結(jié)束位置，從而避免被截斷的數(shù)據(jù)幀導(dǎo)致的解碼錯誤。解碼位置可以是任意光標(biāo)的指定位置，操作時只需要在插入對應(yīng)的光標(biāo)后，解碼器的設(shè)置里面設(shè)置對應(yīng)的起始和結(jié)束位置即可。如下圖所示，設(shè)置起始位置避免了第一段截斷波形的錯誤解碼。

圖 4?6 區(qū)域解碼

5. 進(jìn)階分析

5.1. 多層協(xié)議解析

UART是一種使用非常廣泛的基礎(chǔ)協(xié)議，有很多在實(shí)際應(yīng)用中使用的傳輸協(xié)議都是在UART的基礎(chǔ)上擴(kuò)展而來。例如：DMX512，LIN，MIDI以及Modbus等，其底層的通訊基礎(chǔ)都是UART協(xié)議。、

根據(jù)這個特點(diǎn)，DSView同時支持多層協(xié)議的解析堆疊。當(dāng)我們添加一個復(fù)雜協(xié)議的解碼器時，DSView會自動從頂層構(gòu)建整個協(xié)議棧，從而使得解碼的結(jié)果更加豐富和完善，非常有助于用戶對協(xié)議的深入分析和理解。

我們以Modbus RTU為例，來了解一下DSView分析多層協(xié)議的過程。基于UART的字節(jié)傳輸功能，Modbus RTU詳細(xì)的規(guī)定了每個字節(jié)的具體意義，這樣通過把多個UART協(xié)議幀組合在一起便形成了Modbus的幀結(jié)構(gòu)。如下圖所示。

圖 5?1 Modbus RTU主站設(shè)備請求幀格式

在使用DSView進(jìn)行此類協(xié)議解碼時，只需要在協(xié)議搜索框輸入對應(yīng)的協(xié)議并添加即可。DSView會自動構(gòu)建整個堆疊協(xié)議的設(shè)置頁面，如下圖所示，用戶進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置即可。

圖 5?2 Modbus解碼器的設(shè)置

如下圖所示，從Modbus RTU的解碼結(jié)果可以清晰的看出協(xié)議的堆疊結(jié)構(gòu)。每一幀的Modbus由8個UART字節(jié)幀組成。Modbus幀的內(nèi)容也會有清晰的注釋標(biāo)明其具體的含義。當(dāng)出現(xiàn)傳輸錯誤時，這樣的解碼結(jié)果可以非常清晰的定位錯誤的位置，以及錯誤的原因（是底層UART的問題，還是Modbus協(xié)議層的問題）。如果不希望看到底層的細(xì)節(jié)，在解碼器的設(shè)置頁面把對應(yīng)的解碼內(nèi)容隱藏即可。