Создаем логический анализатор на основе Arduino

Ардуино – уникальный микроконтроллер, позволяющий вам создать любое устройство, ограниченное лишь фантазией инженера. Сегодня мы поговорим об одном из таких проектов и разберём антенный анализатор на Ардуино, а также все нюансы, с которыми вам придётся столкнуться при его пайке и программировании.

На самом деле анализатор спектра на Ардуино – достаточно простой проект, но идеально подойдёт новичкам и тем, кто хочет добавить данное устройство к себе в инструментарий. Давайте разберём, что такое логический анализатор на Аrduino, и какие подводные камни вас ожидают при его проектировке и пайке.

Схема логического анализатора на базе МК Arduino

Для начала необходимо спроектировать то, что мы будем паять. Логический анализатор является простым инструментом, вся его задача состоит в считывании и анализе двоичного кода (цифрового сигнала), передаваемого при помощи подачи электричества.

Иными словами, каждые 5 вольт подаваемые на устройство – это единичка, отсутствие таковых – это ноль. Такой двоичный код используется при кодировке данных и во многих устройствах, в том числе на основе Ардуино. Читаться начинает, как правило, с единицы. А чтобы проверить свой проект с двоичной кодировкой, вам и пригодится логический анализатор.

Проще всего испробовать устройство на шине I2C, что применяется в большинстве электронных устройств и по сей день. Чтобы разобраться, что нам нужно проектировать, давайте рассмотрим главные характеристики устройства:

1. 4 канала для логического анализа поступающих сигналов.
2. Вариативность частоты сигналов вплоть до 400 кГц, такой промежуток охватит большую часть современных приборов, кроме специализированных.
3. Напряжение на входе должно составлять до +5 Вольт, как уже описывалось, это стандарт, принимаемый за единицу (наличие сигнала).
4. LED дисплей для отображения информации. Особенно изощрённые программисты могут купить пару светодиодов и выстроить собственный дисплей нужной им диагонали, но для всех остальных – написание ПО под такое устройство будет слишком трудоёмким, и окажется лишним шагом. Поэтому здесь мы рассмотрим вариант устройства именно с ЖК дисплеем.
5. 4 аккумулятора для питания, на 1.2 В при максимальном напряжении в 4.8 Вольт.
6. Оперативная память. Желательно взять две разновидности – скоростную (3.6мс на сигнал) и низкоскоростную (36 с), такое решение позволит охватить весь диапазон сигналов.
7. Панель управления или пара кнопок.
8. Любая оболочка под крепление конструкции. Можно распечатать на 3-Д принтере, можно взять ненужный пластиковый коробок или обойтись вовсе без корпуса. Здесь мы не будем давать советов, устройство работает, что в оболочке, что без, выбор остаётся за вами.

Для питания вам необходимо подобрать именно аккумуляторы, так как 4 батарейки по 1.5 Вольта могут вывести Ардуино из строя и сжечь плату. Не говоря уже об опасности для ЖК дисплея. Поэтому не поскупитесь, и возьмите качественные комплектующие. Ведь качество конечного изделия равно параметру худшего его компонента.

Потребуются и специальные подтягивающие резисторы, которые позволят исключить ложные данные, что могут появляться из-за электромагнитного поля пальцев сигнальных щупов. В результате помехи и искажения на цифровых входах будут минимальны.

Светодиод вы можете взять по своему желанию, он необходим для индикации наличия цифрового сигнала, и вполне заменяется ПО под ЖК дисплей. Такое решение удобно лишь в качестве показателя записи цифровых сигналов в память, но вы, в любом случае, будете активировать прибор вручную, так что подобная индикация, при необходимости, может быть убрана.

Рекомендуемая периферия для создания логического анализатора на базе микроконтроллера Arduino

Из всего вышеописанного вы уже успели составить примерный список периферии для покупки, но давайте уточним этот момент. В логическом анализаторе вам потребуется:

1. Сам микроконтроллер Ардуино. Не имеет разницы, какой вы подберёте, это лишь повлияет на конечный размер устройства. ПО под любую версию выглядит одинаково. На фото выше был использована плата Arduino Uno.
2. ЖК дисплей. Если у вас имеется старый кнопочный телефон, можете снять с него, и устроить «безотходное» производство.
3. Резисторы различной ёмкости.
4. Датчик тока.
5. 4 аккумулятора.
6. Светодиод или парочка.
7. Карта памяти, но это опционально.

Помимо этого, вам, естественно, потребуется паяльник, припой и прочие принадлежности. Лучше заранее найти место, где вы будете всё это собирать. А если работаете с паяльником впервые, изучите правила пожарной безопасности и особенности его эксплуатации, чтобы по 10 раз не перепаивать каждую деталь.

Программирование МК Arduino при реализации проекта «логический анализатор»

Благодаря популярности Ардуино существуют уже готовые библиотеки и функции для логических анализаторов на этом МК. Вам остаётся лишь подобрать подходящую и переписать программный код под своё устройство. Ведь платы, датчики и прочие вводные у всех различаются, и чтобы ваше устройство работало без проблем, придётся подогнать чужой код под свои запросы. Если же вы не хотите лишний раз заморачиваться и у вас есть опыт программирования на С++, можете воспользоваться любой полюбившейся средой.

Код для схемы на фото выше может быть таким:

/***********************************
128 by 64 LCD Logic Analyzer 6 channel and 3Mb/s
By Bob Davis
Uses Universal 8bit Graphics Library, http://code.google.com/p/u8glib/
  Copyright (c) 2012, olikraus@gmail.com   All rights reserved.

********************************************/
#include "U8glib.h"

// 8Bit Com: D0..D7: 8,9,10,11,4,5,6,7 en=18, di=17,rw=16
//U8GLIB_ST7920_128X64_4X u8g(8, 9, 10, 11, 4, 5, 6, 7, 18, 17, 16); 
//  **** NOTE **** I Moved the three control pins !!!
U8GLIB_ST7920_128X64_4X u8g(8, 9, 10, 11, 4, 5, 6, 7, 1, 2, 3); 

int Sample[128];
int Input=0;
int OldInput=0;
int xpos=0;
 
void u8g_prepare(void) {
  u8g.setFont(u8g_font_6x10);
  u8g.setFontRefHeightExtendedText();
  u8g.setDefaultForegroundColor();
  u8g.setFontPosTop();
}
void DrawMarkers(void) {
  u8g.drawFrame (0,0,128,64);
  u8g.drawPixel (20,1);
  u8g.drawPixel (40,1);
  u8g.drawPixel (60,1);
  u8g.drawPixel (80,1);
  u8g.drawPixel (100,1);
  u8g.drawPixel (20,62);
  u8g.drawPixel (40,62);
  u8g.drawPixel (60,62);
  u8g.drawPixel (80,62);
  u8g.drawPixel (100,62);
}

void draw(void) {
  u8g_prepare();
  DrawMarkers(); 
// wait for a trigger of a positive going input
  Input=digitalRead(A0);
  while (Input != 1){
    Input=digitalRead(A0);
  }
// collect the analog data into an array
// No loop is about 50% faster!
    Sample[1]=PINC;    Sample[2]=PINC;    Sample[3]=PINC;    Sample[4]=PINC;    
    Sample[5]=PINC;    Sample[6]=PINC;    Sample[7]=PINC;    Sample[8]=PINC;
    Sample[9]=PINC;    Sample[10]=PINC;    Sample[11]=PINC;    Sample[12]=PINC;
    Sample[13]=PINC;    Sample[14]=PINC;    Sample[15]=PINC;    Sample[16]=PINC;    
    Sample[17]=PINC;    Sample[18]=PINC;    Sample[19]=PINC;    Sample[20]=PINC;
    Sample[21]=PINC;    Sample[22]=PINC;    Sample[23]=PINC;    Sample[24]=PINC;
    Sample[25]=PINC;    Sample[26]=PINC;    Sample[27]=PINC;    Sample[28]=PINC;
    Sample[29]=PINC;    Sample[30]=PINC;    Sample[31]=PINC;    Sample[32]=PINC;
    Sample[33]=PINC;    Sample[34]=PINC;    Sample[35]=PINC;    Sample[36]=PINC;
    Sample[37]=PINC;    Sample[38]=PINC;    Sample[39]=PINC;    Sample[40]=PINC;
    Sample[41]=PINC;    Sample[42]=PINC;    Sample[43]=PINC;    Sample[44]=PINC;
    Sample[45]=PINC;    Sample[46]=PINC;    Sample[47]=PINC;    Sample[48]=PINC;
    Sample[49]=PINC;    Sample[50]=PINC;    Sample[51]=PINC;    Sample[52]=PINC;
    Sample[53]=PINC;    Sample[54]=PINC;    Sample[55]=PINC;    Sample[56]=PINC;
    Sample[57]=PINC;    Sample[58]=PINC;    Sample[59]=PINC;    Sample[60]=PINC;
    Sample[61]=PINC;    Sample[62]=PINC;    Sample[63]=PINC;    Sample[64]=PINC;
    Sample[65]=PINC;    Sample[66]=PINC;    Sample[67]=PINC;    Sample[68]=PINC;
    Sample[69]=PINC;    Sample[70]=PINC;    Sample[71]=PINC;    Sample[72]=PINC;
    Sample[73]=PINC;    Sample[74]=PINC;    Sample[75]=PINC;    Sample[76]=PINC;
    Sample[77]=PINC;    Sample[78]=PINC;    Sample[79]=PINC;    Sample[80]=PINC;
    Sample[81]=PINC;    Sample[82]=PINC;    Sample[83]=PINC;    Sample[84]=PINC;
    Sample[85]=PINC;    Sample[86]=PINC;    Sample[87]=PINC;    Sample[88]=PINC;
    Sample[89]=PINC;    Sample[90]=PINC;    Sample[91]=PINC;    Sample[92]=PINC;
    Sample[93]=PINC;    Sample[94]=PINC;    Sample[95]=PINC;    Sample[96]=PINC;
    Sample[97]=PINC;    Sample[98]=PINC;    Sample[99]=PINC;    Sample[100]=PINC;
    Sample[101]=PINC;    Sample[102]=PINC;    Sample[103]=PINC;    Sample[104]=PINC;
    Sample[105]=PINC;    Sample[106]=PINC;    Sample[107]=PINC;    Sample[108]=PINC;
    Sample[109]=PINC;    Sample[110]=PINC;    Sample[111]=PINC;    Sample[112]=PINC;
    Sample[113]=PINC;    Sample[114]=PINC;    Sample[115]=PINC;    Sample[116]=PINC;
    Sample[117]=PINC;    Sample[118]=PINC;    Sample[119]=PINC;    Sample[120]=PINC;
    Sample[121]=PINC;    Sample[122]=PINC;    Sample[123]=PINC;    Sample[124]=PINC;
    Sample[125]=PINC;    Sample[126]=PINC;    Sample[127]=PINC;
// display the collected analog data from array
  for(int xpos=0; xpos<128; xpos++) {
    u8g.drawLine (xpos, ((Sample[xpos]&B00000001)*4)+4, xpos, ((Sample[xpos+1]&B00000001)*4)+4);
    u8g.drawLine (xpos, ((Sample[xpos]&B00000010)*2)+14, xpos, ((Sample[xpos+1]&B00000010)*2)+14);
    u8g.drawLine (xpos, ((Sample[xpos]&B00000100)*1)+24, xpos, ((Sample[xpos+1]&B00000100)*1)+24);
    u8g.drawLine (xpos, ((Sample[xpos]&B00001000)/2)+34, xpos, ((Sample[xpos+1]&B00001000)/2)+34);
    u8g.drawLine (xpos, ((Sample[xpos]&B00010000)/4)+44, xpos, ((Sample[xpos+1]&B00010000)/4)+44);
    u8g.drawLine (xpos, ((Sample[xpos]&B00100000)/8)+54, xpos, ((Sample[xpos+1]&B00100000)/8)+54);
  }  
}

void setup(void) {
  pinMode(A0, INPUT);
  pinMode(A1, INPUT);
  pinMode(A2, INPUT);
  pinMode(A3, INPUT);
  pinMode(A4, INPUT);
  pinMode(A5, INPUT);

  // assign default color value
  if ( u8g.getMode() == U8G_MODE_R3G3B2 ) 
    u8g.setColorIndex(255);     // RGB=white
  else if ( u8g.getMode() == U8G_MODE_GRAY2BIT )
    u8g.setColorIndex(3);       // max intensity
  else if ( u8g.getMode() == U8G_MODE_BW )
    u8g.setColorIndex(1);       // pixel on, black
}

void loop(void) {
// picture loop  
//  u8g.firstPage();  
  do { draw(); }  
  while( u8g.nextPage() );
  // rebuild the picture after some delay
  delay(100);
}

Не забудьте скачать библиотеки для работы с Ардуино. А также учитывать, что вывод идёт на ЖК экран. По окончанию написания софта просто подгрузите его на плату с помощью специального переходника под usb.

Может случиться так, что из-за особенностей отображения информации на ЖК дисплее, вам не хватит постоянной памяти устройства. В таком случае имеет смысл докупить флешку и прикрепить её к системе. Благо делается это достаточно просто, а всё, что вам потребуется – специальный переходник под ваш форм-фактор физического накопителя.