“模擬調試”這個標題似乎有點神秘。嵌入式固件開發人員讀完后可能會產生認知失調；但相信我，稍后它就會有意義。標題暗示的是處理微控制器中處理的信號的任務。許多涉及小型 MCU 的任務都與處理來自麥克風、水聽器和壓力傳感器等傳感器的原始信號有關。其中一些信號需要清理然后進行處理。

　　該處理可以使用多種數字信號處理（DSP）固件技術，例如FIR和IIR濾波器、混頻器和FFT。隨著信號流經微處理器，我們希望通過調試驗證的數據可能會很廣泛。例如，信號通過濾波器后是什么樣子，或者當信號通過相關器時，相關器的輸出是什么。這就是模擬調試的用武之地。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試工具，例如 BDM、J-Tag 和 SWD。較小的 MCU 也可以作為基礎金屬運行，而不使用操作系統，這意味著操作系統中可用的任何調試工具都會丟失。工具的缺乏和實時信號處理的復雜性可能會導致代碼調試出現問題。然而，調試需要深入了解微處理器內部數據發生的情況，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行實時處理，并且我們無法停下來處理相當長的打印調用。第三，打印例程通常會使用中斷，這可能會導致實時系統出現問題。，將數據轉儲到串行端口不會為您提供正在處理的數據的直接模擬視圖。

　　例如，假設您使用模數轉換器 （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 并將其發送到該串行端口后，您會看到一堆數字。現在，您可以將這些數字放入電子表格中并繪制圖表，或者設置另一臺帶有數字和模擬轉換器以及顯示器的設備以再次查看數據。但它似乎有點緩慢和乏味，而且肯定不是實時的。

　　現在，如果串行端口不可用或不適合調試，工程師可以使用連接到 MCU 的 LED，該 LED 可以根據正在調試的程序中的各種條件打開或關閉。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 線來查看狀態或測量狀態更改之間的時序。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儲到固件中。那么，我們可以用什么呢？個想法是將數模轉換器 （DAC） 連接到 MCU，或者更好的是使用可用作 MCU 上的外設的轉換器。

　　為了嘗試這項技術，我將 Analog Devices 的AD7801（一個 8 位 DAC）連接到我正在開發的Arduino Nano設計中。Nano 的是 Microchip ATmega328，它沒有板載 DAC。AD7801 使用 8 條數據線的并行輸入，這些數據線由另一條線計時，寫入速度非常快。值得注意的是，我們可以使用此設置查看 8 位數據，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 條數據線連接到 Arduino 上的 DAC 端口，并將 WR 線連接到 Arduino 的 D13，如圖1所示。

　　裸機系統上模擬調試的關鍵選項

　　圖 1 DAC 通過 8 條數據線連接到 Arduino。

　　現在，要將數據發送到 DAC，只需要 3 行 Arduino IDE C 代碼：

　　PORTD=數據；// 將數據字節放在 D0 到 D7 上

　　PORTB = PORTB & B11011111; //將D13拉低以將數據鎖存到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 的穩定時間為 1.2 us。因此，您可以看到這種數據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位置以查看感興趣的數據。將這 3 行代碼放入宏或函數中可能會更簡潔。如果您為此創建一個函數，則應該使用“always_inline”編譯指令來編譯它，以確保它運行速度快。

　　現在連接了 DAC，讓我們看一些調試示例。請看圖 2。

　　裸機系統上模擬調試的關鍵選項

　　圖 2示波器快照顯示了在啟用 DAC 的設置中模擬調試的工作原理。

　　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。現在忽略信號中的“尖峰”，我們看到處理已經消除了大部分噪聲。我們現在有了可以評估的清晰信號。應該注意的是，DAC 輸出是連續的信號流，而不僅僅是一些短內存緩沖捕獲。

　　但“尖峰”是什么？這些是我特意放入代碼中的一些調試功能，以查看處理的進行情況。您看到的信號實際上是被信號介質破壞的專有數字信號。該代碼的任務是通過以下方式讀取數字數據包：

　　發現前導碼“數據包開始”符號序列

　　跟蹤樣本時間，以便我們可以在適當的時間切片樣本

　　繼續收集樣本直到數據包結。

　　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記為“檢測到前導碼”的“尖峰”。它是在代碼驗證已找到前導碼 （B00000011） 時創建的，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拉低以將數據鎖存到AD7801中

　　端口 B = 端口 B | B00100000；// 將D13拉高

　　它在示波器跡線上創建一個 312 ns 寬的標記，其幅度等于 DAC 的電壓。

　　信號跡線內向上和向下的“尖峰”是指示代碼確定符號邊界的位置的標記。這對于在正確的時間對符號進行切片非常重要，并且當出現長時間的 0 或 1 時，這一點變得至關重要。這是因為沒有發現從 0 到 1 或 1 到 0 的轉換。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 發送 127 來創建的，該代碼被插入到符號計時代碼中的適當位置：

　　端口 = 127; // 將 127 放在 D0 到 D7 上

　　PORTB = PORTB & B11011111; //將D13拉低以將數據鎖存到AD7801中

　　端口 B = 端口 B | B00100000；// 將D13拉高

　　通過使用以下代碼向 DAC 發送 0，符號轉換被標記為“尖峰”，該代碼被插入到監視從 0 到 1 或 1 到 0 的符號轉換的代碼中：

　　端口=0；// 將 0 放在 D0 到 D7 上

　　PORTB = PORTB & B11011111; //將D13拉低以將數據鎖存到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試信息可以極大地幫助調試代碼的各個部分。它比使用 LED、I/O 線和示波器強大許多倍。它也比串行端口發送數據作為定時信息更有用。

　　眼尖的人可能已經注意到，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置。它設置為 53.5 的原因是它允許使用示波器的光標直接讀取 DAC 的 8 位輸入值。也就是說，如果我將光標向上滑動到前導碼檢測“尖峰”的頂部，則示波器光標讀數為 255，如果我將光標移動到符號邊界“尖峰”的末尾，則示波器光標讀數為 127。

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

　　這非常方便，因為您可以直接讀取 DAC 設置的數字；換句話說，內部變量在調用 DAC 時使用的值。這點考慮一下吧。從本質上講，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，但仍然相當不錯。

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

　　使用 PWM 進行模擬調試

　　現在，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制器 （PWM） 外設來執行類似的操作。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 之間的區別之一是 PWM 輸出需要使用低通濾波器進行濾波以轉換輸出到一個電壓水平。因此，當您將信號樣本發送到 PWM 時，電壓電平會重新創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容的信號，響應速度較慢。因此，您應該將 PWM 的頻率初始化為可用的頻率。在 16 MHz ATmega328 上，PWM 的頻率可以設置為 31 kHz 左右，因此低通信號可以設計為大約 3-4 kHz 的頻率內容。

　　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， 數據）

　　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 6 個 PWM，這意味著多達 6 個輸出可以傳送實時數據。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 數據，從而允許您探索負頻率。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，然后在生成時發送到 DAC。在頻率混合中，結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。大多數示波器，甚至是業余愛好者級別的示波器，都提供 FFT 作為數學運算之一。

　　如果您的系統沒有 DAC 或 PWM，您仍然可以使用一些東西來獲取有關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。

　　希望模擬調試的想法現在更清晰了。從固件流式傳輸數據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試的速度。如果可行，選擇帶有 DAC 外設的 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） 中設為 NO-POP。