Jednoduchý, levný, ale výkonný Logický analyzátor

Projekt logického analyzátoru autora Agustín Gimenez Bernad má už skoro 2 roky. Postavil jsem si už jeho první verzi, ale teď s aktualizovaným hardwarem i softwarem začíná být opravdu zajímavý, zvláště pak pro použití na 8-bitech. Max. vzorkovací frekvence je 100 MHz, což je pro většinu mých projektů dostatečné. Základní část analyzátoru je v podstatě jen Raspberry Pi Pico s konektorem. Pro použití na běžných 8-bitech potřebujete ještě Level Shifter, který vám dovolí k Pico připojit 5V signály. Samotný analyzátor umí až 24 kanálů, což je samo o sobě celkem hodně, ale můžete vzájemně propojit až 5 analyzátorů a tím počet vstupů rozšířit na úctyhodných 120 kanálů. A nejlepší je, že to celé si můžete postavit sami za pár stovek.

Celý projekt najdete na GitHub. Hardware je uložen jako zdrojové kódy v KiCAD, takže Gerbery si musíte udělat sami. Já jsem si vytvořil i soubory pro osazení a nechal 5 desek Level Shifteru rovnou osadit. Pokud chcete ušetřit, není nijak složité si 6 kousků TXU0104PWR a pár pasiv osadit sami, ale u mě vyhrála lenost 😉 Konektory už si musíte zapájet sami každopádně. Já jsem konektory osadil opačně než autor, přijde mi praktičtější mít na logickém analyzátoru samce. Má to stejně třeba i Saleae a jeho levné a hojně používané klony.

Raspberry Pi Pico jsem osadil ve WiFi verzi a jedno jsem dal přímo na desku, zatímco druhé jsem lehce přizvednul pinovou lištou. Je to proto, aby šel lépe zasunout microUSB konektor, když jsou dva analyzátory vedle sebe v Multidevice režimu. Při síťovém připojení se dá analyzátor napájet i přes připojovací konektor, ale člověk nikdy neví, USB je jistota.

Před pár dny se objevila na GitHub alternativní verze hardwaru, která má jen jednu desku a na ní přímo osazené diody a odpory na omezení napětí, takže se dá připojit jakýkoli signál mezi 3.3-5V. TXU0104 má zase jako výhodu Schmittovy klopné obvody na všech vstupech a dá se provozovat od 1.1 do 5.5V.

Software si autor píše vlastní. Myslím nejen firmware do Raspberry Pi Pico, ale i obslužný software analyzátoru. To je velká spousta práce a software zatím samozřejmě nemá funkce, které mají profesionální logické analyzátory, ale postupně funkcí přibývá. Hlavně analyzátorů různých komunikačních rozhraní a protokolů je zatím celkem málo. Ovládání je trochu zvláštní, prostě autorské, ale když se naučíte potřebné klávesy a klávesové zkratky je práce nakonec celkem pohodlná. Začátky ovšem byly trnité. Důrazně každému doporučuju přečíst si autorovu Logic Analyzer Wiki, kde je vše velmi pěkně zdokumentováno. A je toho hodně! Rozhodně doporučuji pročíst minimálně ovládání programu a část o triggerech a nejlépe všechno 😉 Jinak strávíte tápáním docela dost času, protože některé věci jsou prostě trochu jinak, než byste čekali.

Autor navíc velmi pružně reaguje na jakékoli dotazy nebo požadavky a nedávno naimplementoval parallelní analyzátor sběrnice a vzal ho opět po svém, jak jsem v žádném analyzátoru zatím neviděl, ale velmi prakticky. Musíte zadat minimálně datovou sběrnici, lépe i adresovou a některé ze signálů CS, RD a WR, jejich hrany a zpoždění.

Po analýze vám tak analyzátor na příslušných signálech zobrazí hodnoty adresové a datové sběrnice. Během signálu RD se data objeví na sběrnici se zpožděním způsobeným přístupovou dobou pamětí. Na jiném analyzátoru jsem si pomáhal tím, že jsem data vzorkoval s nástupnou hranou signálu RD, ale tady se dá ponechat hrana sestupná a definovat zpoždění, např. při vzorkování 10 MHz zpoždění 3 vzorky je 300 ns, což je obvykle dostatečné.

Analyzoval jsem například start počítače SAPI-1 v MIKOS, resp. MONITOR v5.0 a funguje to krásně.

Pokud si obrázky zvětšíte, uvidíte, že program postupně prochází od adresy 0000 datové byty C3, 8B, 01, což je skok na 018B a opravdu adresa se následně mění na 018B a následuje hodnota F3, což je instrukce DI atd. po pár dalších instrukcích se objeví i zápis hodnoty 00 na adresu 40D6 a zápis se vždy po pár instrukcích opakuje. Zapsat by se to dalo třeba takto:

0000 C3 8B 01    JMP 018BH
018B F3          DI
018C 21 6D 40    LXI H,406DH
018F F9          SPHL
0190 AF          XRA A
0191 77          MOV M,A
----> write 00 to addres 406DH
0192 2C          INR L
0193 C2 91 01    JNZ 0191H
0191 77          MOV M,A
----> write 00 to addres 406EH
... smyčka pokračuje

No a když se mrknete na listing monitoru, uvidíte, že to tak opravdu je:

  160	  0000    C3 018B               	JMP	COLD	; INICIALIZACE SYSTEMU
...
  491	  018B                          COLD:
  492	  018B    F3                    BEG:	DI		; PRIKAZ "B"
  493	  018C    21 406D               	LXI	HL,MSTAK	; NASTAV STACK POINTER
  494	  018F    F9                    	SPHL
  495	  0190    AF                    	XRA	A
  496	  0191    77                    BEG0:	MOV	M,A
  497	  0192    2C                    	INR	L
  498	  0193    C2 0191               	JNZ	BEG0	; NULUJ M-RAM

Program prostě začíná tím, že zakáze přerušení, nastaví SP a vynuluje oblast proměnných monitoru na adresách 406D až 40FF.

Jo, když má člověk dost signálů na analýzu je to radost něco opravovat. Proto mi vždy vadily analyzátory, co mají jen 8 nebo 16 bitů, což je celkem obvyklé. No, „vadily“ je možná nesprávné až zlé slovo. Každá informace je dobrá, když člověk tápe, ale dostatek bitů je prostě super. A pokud si ten komfort můžete dopřát za dobré peníze, jděte do toho.

Velmi mile mě překvapila i synchronizace mezi analyzátory. Zkoušel jsem samplovat stejné signály na 100 MHz na obou propojených analyzátorech a byly na vzorek přesně stejně. To mě dost překvapilo. Autor posunutí detekuje a automaticky upravuje. Dle něj může vzniknout posuv +/-1 sample a i ten se dá manuálně posunout a opravit. Za mě to ale nebylo potřeba. Dobrá práce.

V plánu mám upravit moji desku konektoru sběrnice SAPI DKS-1, aby do ní šel analyzátor, resp. hned dva zapojit přímo a člověk, myšleno mé líné já, se nemusel zapojovat s kabely. To si raději nakreslím desku 😉