Analizzatore di stati logici: triggerdi segnali seriali

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In questa pagina esamineremo segnali digitali complessi. In particolare useremo Arduino per trasmettere un segnale seriale, cioè una sequenza di otto bit generati dall'hardware, ed un oscilloscopio digitale per la loro analisi; lo scopo è soprattutto apprendere l'uso del trigger dell'oscilloscopio con segnali non banali.

Le immagini seguenti sono state ottenute con un Picoscope 3405A. Il software usato è la versione 6.14.36 beta, l'ultima disponibile per Linux nel momento della stesura di questa pagina.

Segnale asincrono

Un segnale seriale asincrono (UART) è costituito da:

Un bit ZERO (bit di start)
Otto bit di dati, a partire dal LSB
Almeno un bit UNO (bit di stop)
Al termine della trasmissione il segnale rimane alto fino al successivo bit di start, non mostrato nel grafico

Tutti i bit hanno la stessa durata.

Il segnale è disponibile sul pin 1 (Tx) di Arduino.

Qui una trattazione estesa, anche se datata.

L'esempio seguente è relativo ad un segnale a 9 600 bit/s (9 600 baud; ciascun bit ha durata 104 µs (nota 1) trasmesso da Arduino. Il byte trasmesso è 0x0F (00001111) a partire dal bit meno significativo, cioè "al contrario":

Segnale seriale asincrono

Il segnale è generato dal seguente codice:

void setup()
{ Serial.begin(9600);
}

void loop()
{ Serial.write(0x0F);
delay(10);
}

Per visualizzare il segnale con l'oscilloscopio occorre collegare la sonda al pin TX di Arduino. L'uso del trigger ordinario rende difficile sincronizzare il segnale e l'alternativa del pulsante STOP non è una buona scelta... Con le opzioni Advanced Triggers è possibile impostare oltre che i livelli di trigger anche la durata minima o massima dell'impulso ed altre caratteristiche che fanno "scattare" la registrazione del segnale. Alcuni esempi:

Il trigger avviene al termine di un impulso positivo più lungo di 1 ms. Si notino i due disegni presenti nella finestra mostrata: quello di sinistra, senza trigger, rappresenta un impulso troppo breve; quello di destra un impulso lungo con l'evento di trigger evidenziato da un quadrato giallo

Trigger avanzato: impulso lungo

Il trigger avviene sul fronte di discesa solo se il precedente fronte è sufficientemente lontano nel tempo (disegno di destra)

Trigger avanzato: intervallo

Per la decodifica automatica del segnale seriale esiste un apposito strumento (Tools → Serial Decoding) che inserisce nel grafico la riga testuale visibile nell'immagine sopra riportata:

Decodifica seriale

Ovviamente il byte decodificato dall'oscilloscopio deve coincidere con quanto trasmesso da Arduino.

Attività

Modificare il codice per generare una diversa durata dei bit
Modificare il codice per generare una diversa sequenza di bit
Eliminare dal codice delay(10); ciò rende più difficile l'uso del trigger in quanto mancano "pause" facilmente identificabili. In questo caso potrebbe essere utile usare STOP, oppure la modalità Single invece che Auto

SPI

SPI permette di trasmettere un byte ad alta velocità con due linee: il dato MOSI e clock CHK (nota 2).

Esaminiamo l'esempio seguente: gli otto bit vengono generati uno dopo l'altro (segnale blu, pin 11, MOSI - nota 3) in corrispondenza del fronte di salita del clock (segnale verde, pin 13, clock). I due cursori sono in corrispondenza dei primi due bit del byte 0x40 (01000000). La frequenza del clock è 125 kHz, quindi un bit dura 8 µs.

Il codice che genera i segnali mostrati:

#include <SPI.h>
void setup() {
pinMode(10, OUTPUT); // set the SS pin as an output
SPI.begin();
SPI.beginTransaction (SPISettings (125000, MSBFIRST, SPI_MODE0));
}

void loop() {
digitalWrite(10, LOW); // set the SS pin to LOW
SPI.transfer(0x40); // send a data
digitalWrite(10, HIGH); // set the SS pin HIGH
delay(1);
}

Anche in questo caso potrebbe essere complesso l'uso del trigger ed è disponibile la decodifica automatica:

Decodifica automatica di SPI

Attività

Analizzare anche il segnale Chip Select (SS, pin 10)
[Complesso] Utilizzare un secondo Arduino slave per ricevere il byte trasmesso. Sul ricevitore occorrerà utilizzare l'ingresso MISO da collegare all'uscita MOSI del trasmettitore (nota 4)
Modificare il codice per generare una diversa durata dei bit e ed una diversa sequenza di bit
Eliminare dal codice delay(1), rendendo più difficile il sincronismo e veloce la trasmissione di più byte

Note

La scritta al di sotto del segnale digitale è una opzione impostata come mostrato qui
Sono possibili quattro diverse modalità di funzionamento
La numerazione dei pin indicata è relativa ad Arduino Nano
In alternativa è possibile collegare in un singolo Arduino uscita MOSI ed ingresso MISO e fargli trasmettere il byte... a se stesso (loopback)

Pagina creata nel gennaio 2021
Ultima modifica: 7 dicembre 2021