工欲善其事必先利其器，我們做單片機開發的時候，不管是調試電路還是調試程序，都需要借助一些輔助工具來幫助查找和定位問題，從而幫助我們順利解決問題。沒有任何輔助工具的單片機項目開發很可能就是無法完成的任務，不過好在實際上我們總是有很多種工具可用的。本章就要介紹一些最常用的單片機項目開發輔助工具，學習他們的使用方法，讓它們協助我們進行項目的開發和調試。
20.1 萬用表
20.1.1 什么是萬用表
萬用表，也稱作多用表、復用表等，是電子工程師最基本也最不可或缺的測量工具。它的基本功能包括：測量交直流電壓、交直流電流、電阻阻值，檢測二極管極性，測試電路通斷等。有些高檔一點的還會包含電容容值測量、三極管測試、脈沖頻率測量等。萬用表大體可分為兩類：指針萬用表和數字萬用表，先來看圖認識一下，如圖20-1所示。

圖20-1  指針萬用表、數字萬用表、自動量程萬用表

目前，指針萬用表基本上已經被淘汰了，只在某些特殊場合才能見到（比如科研和教學機構），而數字萬用表是當今的絕對主流。圖中最右邊的自動量程萬用表也是數字萬用表的一種，顧名思義，它能自動切換量程，不用你自己再手動撥動了，但檔位（指電壓、電流、電阻等這些不同的測量項目）還是要手動撥的，無疑自動量程萬用表更高級一點，用起來也更省事。所以我們下面就以手動量程的數字萬用表為例，來講解萬用表的使用方法。
20.1.2 萬用表的使用方法
要用萬用表完成一項實際的測量工作，除了要有如圖20-1的萬用表的主體機身之外，還得有兩支表筆才行，表筆通常都是一只黑色、一只紅色，如圖20-2所示。

圖20-2 萬用表表筆、機身上的表筆插孔特寫

對照圖中的表筆插孔，使用萬用表進行具體測量時，黑色表筆要插到標有“COM”的黑色插孔里，而紅色表筆根據測量項目的不同，插到不同的插孔：測量小電流（≤200mA）信號時插到“mA”插孔，測量大電流（大于200mA）信號時插到“20A”插孔，其余測量項目均插到標有“VΩ”的插孔。要特別注意進行不同測量項目時千萬不要插錯了位置！

插好表筆之后還要選擇檔位和量程，靠機身中間的檔位旋鈕開關來實現，如圖20-3所示。

圖20-3 萬用表檔位開關

圍繞旋鈕開關的一圈分為了多個檔位：電阻Ω、電容F、關閉OFF、三極管hFE、直流電壓V—、交流電壓V～、直流電流A—、交流電流A～、二極管、通斷。有的檔位不分量程，而有的檔位則包含多個量程，看圖即可一目了然了。下面我們介紹幾個最常用的檔位的使用方法。

交直流電壓：交流和直流電壓的測量方法是完全相同的，僅根據具體的被測信號選擇不同的檔位量程即可。首先在測量前對被測信號的幅值應該有一個大概的評估，然后根據這個大概值去選擇檔位：比如照明電是220V交流，那么選擇交流電壓750V檔位(絕不能選擇低于被測信號最大值的檔位，以免損壞萬用表)；單片機系統多數都在5V以下，那么選擇直流電壓20V檔位。選擇好檔位后就可以把表筆接入被測系統了，如果是交流電壓自然就無所謂方向了，兩支表筆的低位也就是等同的了，把它們分別接觸到兩個被測點上即可，如果是直流信號，那么最好是紅色表筆接電壓高的一點，而黑色表筆接電壓低的一點。有時候我們習慣上只說某一點的電壓是多少多少，而不是說哪兩點之間的電壓是多少，其實此時這某一點都是針對參考地來說的，即該點和參考地之間的電壓，那么通常來說黑表筆就是接觸到參考地上的了。

電阻：電阻阻值的測量很簡單，先把檔位開關打到Ω檔，如果不知道大概的阻值范圍，就選擇最大量程，然后用兩支表筆分別接觸待測電阻的兩端即可，根據屏幕顯示的數值可進一步選擇更加合適的量程。值得一提的是，多數萬用表進行測量時都有一個反應時間，慢的話需要等上幾秒才能顯示出一個穩定的測量值，所以大家在使用的時候也不要太心急哦。

交直流電流：電流的測量相對復雜一點，因為測量電流將萬用表串聯的回路中。那么首先需要我們把待測回路在某一個點上斷開，把紅表筆從VΩ插孔換到mA或20A插孔中（同理根據事先大概的評估來選擇，如無把握就選擇20A孔，如實測數值很小則再換到mA孔），把檔位開關打到mA或20A檔位上，然后用萬用表的兩支表筆分別接觸斷點的兩端，也就是用表筆和萬用表本身將斷開的回路再連起來，這樣萬用表就串在原來的回路中了，此時就可以在屏幕上讀到電流的測量值了。需要特別注意的一點是：當每次測量完電流后，都必需把插在電流插孔上的紅表筆插回到VΩ插孔，以免其他人隨后拿去測其他信號時造成意外短路損壞被測設備或萬用表。

二極管和通斷：有的萬用表上二極管和通斷是同一個檔，有的是分開的兩個，這從一個側面說明它們在原理上相同的。萬用表從兩支表筆之間輸出一個很小的電流信號，通常為1mA或更小，然后測量兩支表筆之間的電壓，如果這個電壓值很小，小到幾乎為0，那就可以認為此時兩支表筆之間是短路的，即被測物是連通的導線或等效阻值很小而近似通路，反之如果這個電壓值很大以致超量程了（通常屏幕會在高位顯示一個1后面是空白或者是OL之類的提示），那么就可以認為兩支表筆之間的被測物是斷開的或者說絕緣的，這就是通斷功能。通常當萬用表檢測到短路（即“通”）時還會發出提示聲音。那么二極管呢，同樣是這個原理，如果測到的電壓值大約等于一個PN結的正向導通電壓（硅管0.5~0.7V、鍺管0.2~0.3V），那么說明此時與紅表筆接觸的就是二極管的陽極，黑表筆接觸的是陰極，反之如果顯示超量程那么說明二極管接反了，你需要再反過來再測，如果正反電壓都很小，或者都很大，那么說明二極管可能是壞了。

介紹完了萬用表最常用的功能和使用方法，那么再來看它在我們單片機開發中能起到什么作用的。當你自己辛辛苦苦搭建好了一套單片機系統，滿懷期待的上電，而她卻很不給面子的罷工時，該怎么辦呢？首先就要檢查電源是否正常：用萬用表的直流電壓檔測量單片機的供電電源，看是否是在5V左右（以5V單片機系統為例，其它電壓的系統請對號入座），以先確定作為整個系統基礎的電源是否有故障。然后再檢查復位信號電壓是否正常、其它控制信號電壓是否正常等。一步步查找，一步步排除問題，再查找排除問題的過程中，通斷功能就是一個很好的幫手，它可以告訴你電路板的哪條線路是通的，哪條線路沒通上，或是哪條線路對地或對其它線路短路了等等。而其它的電阻、電流、頻率等也都各有用處，只是不想電壓和通斷如此常用，就不再贅述了，大家在實踐中慢慢體會吧。
20.2 示波器
20.2.1 什么是示波器
示波器，“人”如其名，就是顯示波形的機器，它還被譽為“電子工程師的眼睛”。它的核心功能就是為了把被測信號的實際波形顯示在屏幕上，以供工程師查找定位問題或評估系統性能等等。它的發展同樣經歷了模擬和數字兩個時代，還是先來看圖認識一下，如圖20-4所示。

圖20-4 模擬示波器、數字示波器、示波器探頭

目前，模擬示波器也基本上被淘汰了，現在是數字示波器的天下。同理，我也將只以數字示波器為例來加以講解。

數字示波器，更準確的名稱是數字存儲示波器，即DSO(Digital Storage Oscilloscope)。這個“存儲”不是指它可以把波形存儲到U盤等介質上，而是針對于模擬示波器的即時顯示特性而言的。模擬示波器靠的是陰極射線管(CRT，即俗稱的電子槍）發射出電子束，而這束電子在根據被測信號所形成的磁場下發生偏轉，從而在熒屏上反映出被測信號的波形，這個過程是即時地，中間沒有任何的存儲過程的。而數字示波器的原理卻是這樣的：首先示波器利用前端ADC對被測信號進行快速的采樣，這個采樣速度通常都可以達到每秒幾百M到幾G次，是相當快的；而示波器的后端顯示部件是液晶屏，液晶屏的刷新速率一般只有幾十到一百多Hz；如此，前端采樣的數據就不可能實時的反應到屏幕上，于是就誕生了存儲這個環節：示波器把前端采樣來的數據暫時保存在內部的存儲器中，而顯示刷新的時候再來這個存儲器中讀取數據，用這級存儲環節解決前端采樣和后端顯示之間的速度差異。

很多人在第一次見到示波器的時候，可能會被他面板上眾多的按鈕唬住，再加上示波器一般身價都比較高，所以對使用它就產生了一種畏懼情緒。這是不必要的，因為示波器雖然看起來很復雜，但實際上要使用它的核心功能——顯示波形，并不復雜，只要三四個步驟就能搞定了，而現在示波器的復雜都是因為附加了很多輔助功能造成的，這些輔助功能自然都有它們的價值，熟練靈活的應用它們可以起到事半功倍的效果。作為初學者，我們先不管這些，我們只把它最核心的、最基本的功能應用起來即可。
20.2.2 示波器的使用
跟萬用表類似，要使用示波器，首先也得把它和被測系統相連，用的是示波器探頭，如圖20-4所示。示波器一般都會有2個或4個通道（通常都會標有1～4的數字，而多余的那個探頭插座是外部觸發，一般用不到它），它們的低位是等同的，可以隨便選擇，把探頭插到其中一個通道上，探頭另一頭的小夾子連接被測系統的參考地（這里一定要注意一個問題：示波器探頭上的夾子是與大地即三插插頭上的地線直接連通的，所以如果被測系統的參考地與大地之間存在電壓差的話，將會導致示波器或被測系統的損壞），探針接觸被測點，這樣示波器就可以采集到該點的電壓波形了（普通的探頭不能用來測量電流，要測電流得選擇專門的電流探頭）。

接下來就要通過調整示波器面板上的按鈕，使被測波形以合適的大小顯示在屏幕上了。只需要按照一個信號的兩大要素——幅值和周期（頻率與周期在概念上是等同的）來調整示波器的參數即可，如圖20-5所示。

圖20-5 示波器幅值、時間軸旋鈕

如上圖，在每個通道插座上方的旋鈕，就是調整該通道的幅值的，即波形垂直方向大小的調整。轉動它們，就可以改變示波器屏幕上每個豎格所代表的電壓值，所以可稱其為“伏格”調整，如以下兩幅對比圖所示：左圖是1V/grid，右圖是500mV/grid，左圖波形的幅值占了2.5個格，所以是2.5V，右圖波形的幅值占了5個格，也是2.5V。推薦是將波形調整到右圖這個樣子，因為此時波形占了整個測量范圍的較大空間，可以提高波形測量的精度，如圖20-6所示。

圖20-6 示波器伏格調整對比圖

除了圖20-6通常上方的伏格旋鈕外，通常還會在面板上找到一個大小相同的旋鈕（不一定像圖20-6所示的位置），這個旋鈕是調整周期的，即波形水平方向大小的調整。轉動它，就可以改變示波器屏幕上每個橫格所代表的時間值，所以可稱其為“秒格”調整，如以下兩幅對比圖所示：左圖是500us/grid，右圖是200us/grid，左圖一個周期占2個格，周期是1ms，即頻率為1KHz，右圖一個周期占5個格，也是1ms，即1KHz。這里就沒有哪個更合理的問題了，具體問題具體對待，它們都是很合理的，如圖20-7所示。

圖20-7 示波器秒格調整對比圖

很多時候只進行上述兩項調整的話，是能看到一個波形，但這個波形卻很不穩定，左右亂顫，相互重疊，導致看不清楚，如圖20-8所示。

圖20-8 示波器觸發電平調整不當的示意圖

這就是因為示波器的觸發沒有調整好的緣故，那么什么是觸發呢？簡單點理解，所謂觸發就是設定一個基準，讓波形的采集和顯示都圍繞這個基準來。最常用的觸發設置是基于電平的（也可基于時間等其它量，道理相同），大家看下上面的幾張波形圖，在左側總有一個T和一個小箭頭，T是觸發的意思，這個小箭頭指向的位置所對應的電壓值就是當前的觸發電平。示波器總是在波形經過這個電平的時候，把之前和之后的一部分存儲并最終顯示出來，于是就能看到圖20-7、20-8所示的波形。如圖20-9所示，我們可以看到，無論如何波形也不會經過T所指的位置，即用永遠達不到觸發電平，所以失去了基準的波形看上去就不穩定了。怎么調節這個觸發電平的位置呢，在示波器面板上找一個標了Trigger的旋鈕，如下圖，轉動這個旋鈕就可以改變這個T的位置了。

圖20-9 示波器觸發旋鈕

除了可以改變觸發電平的值以外，還可以設置觸發的方式：比如選擇上升沿還是下降沿觸發，也就是選擇讓波形向上增加的時候經過觸發電平還是向下減小的時候經過觸發電平來完成觸發，這些設置一般都是通過Trigger欄里的按鈕和屏幕方便的菜單鍵來完成。

只要經過上述的這三四步，你就可以把示波器的核心功能應用起來了，可以用它觀察單片機系統的各個信號了。比如說上電后系統不運行，就用它來測一下晶振引腳的波形正常與否吧。需要注意的是，晶振引腳上的波形并不是方波，而是更像正弦波，而且晶振的兩個腳上的波形是不一樣的，一個幅值小一點的是作為輸入的，一個幅值大一點的是作為輸出的，如圖20-10所示。

圖20-10 示波器實測的晶振波形

一個待測信號使用10MHZ采樣率的邏輯分析儀去采集的話，假如閾值電壓是1.5V，那么在測量的時候，邏輯分析儀就會每100ns采集一個樣點，并且超過1.5V認為是高電平(邏輯1)，低于1.5V認為是低電平(邏輯0)。而后呢，邏輯分析儀會用描點法將波形連起來，工程師就可以在這個連續的波形中查看到邏輯分析儀還原的待測信號，從而查找異常之處。

邏輯分析儀和示波器都是還原信號的，示波器前端有ADC，再加上還原算法，可以實現模擬信號的還原。而邏輯分析儀只針對數字信號，不需要ADC，不需要特殊算法，就用最簡單的連點就可以了。此外，示波器往往是臺式的，波形顯示在示波器本身的顯示屏上，而邏輯分析儀當前大多數是和PC端的上位機軟件結合的，在電腦上直接顯示波形。如圖20-所示，是一款邏輯分析儀的實物圖，采樣率為500M，16個通道，采樣深度硬件深度為32M，經過壓縮算法，最多可以實現每通道5G的存儲深度，圖20-12是邏輯分析儀的上位機軟件。

圖20-11 邏輯分析儀實物圖

圖20-12 邏輯分析儀上位機軟件

閾值電壓：區分高低電平的間隔。邏輯分析儀和單片機都是數字電路，它在讀取外部信號的時候，多高電壓識別成高電平，多高電壓識別成低電平是有一定限制的。比如一款邏輯分析儀，閾值電壓是：0.7~1.4V，那么當它采集外部的數字電路信號的時候，高于1.4V識別為高電平，低于0.7V識別為低電平。

采樣率：每秒鐘采集信號的次數。比如一個邏輯分析儀的最大采樣率是100M，那么也就是說他一秒鐘可以采集100M個樣點，即每10ns采集一個樣點，并且高于閾值電壓的認定為高電平，低于閾值電壓的認定為低電平。我們前邊學UART通信的時候學過每一位都會讀取16次，而邏輯分析儀的原理也是類似的，就是在超頻讀取。你信號是1M的頻率，我用100M的采樣率去采集，那么一個信號周期我就可以采集100次，最后用我們小學學過的描點法把采集到的樣點連起來，就會還原出信號，當然100倍采樣率的脈寬誤差大概是百分之一。根據奈奎斯特定律來說，采樣率必須是信號頻率的2倍以上才能還原出信號，因為邏輯分析儀是數字系統，算法簡單，所以最低也是4倍于信號的采樣率才可以，一般選擇10倍左右效果就比較好了。比如你的信號頻率是10M，那么你的邏輯分析儀采樣率最低也得是40M的采樣率，最好能達到100M，提高精確度。

存儲深度：我們剛才講了采樣率，那采集到的高電平或者低電平信號，我們要有一個存儲器存儲起來。比如我們用100M采樣率，那么1秒就會產生100M個狀態樣點。一款邏輯分析儀能夠存儲多少個樣點數，這是邏輯分析儀很重要的一個指標。如果我們的采樣率很高，但是存儲的數據量很少，那也沒有多大意義，邏輯分析儀可以保存的最大樣點數就是一款邏輯分析儀的存儲深度。通常情況下，數據采集時間=存儲深度/采樣率。

此外，邏輯分析儀還有輸入阻抗和耐壓值等幾個簡單參數。所有的邏輯分析儀的通道上，都是有等效電阻和電容的，由于測量信號的時候分析儀通道是并聯在通道上的，所以分析儀的輸入阻抗如果太小，電容過大，就會干擾到我們線上的信號。理論上來講，阻抗越大越好，電容越小越好。通常情況下，邏輯分析儀的阻抗都在100K以上，電容都在10pf左右。所謂的耐壓值，就是說如果你測量超過這個電壓值的信號那么分析儀就可能被燒壞，所以測量的時候必須要注意這個問題。
20.3.3 邏輯分析儀的使用步驟
1、硬件通道連接。首先我們要把邏輯分析儀的GND和待測板子的GND連到一起，以保證信號的完整性。然后把邏輯分析儀的通道接到待測引腳上，待測引腳可以用多種方式引出來。

2、通道數設置。一般情況下，大多數邏輯分析儀有8通道、16通道、32通道等數目。而我們采集信號的時候，往往用不到那么多通道，為了我們更清晰的觀察波形，可以把用不到的通道隱藏起來。

3、采樣率和采樣深度設置。首先要對待測信號最高頻率有個大概的評估，把采樣率設置到它的10倍以上，還要大概判斷一下我們要采集的信號的時間長短，在設置采樣深度的時候，盡量設置的有一定的余量。采樣深度除以采樣率，得到的就是我們可以保存信號的時間。

4、觸發設置。由于邏輯分析儀有深度限制，不可能無限期的保存數據。當我們使用邏輯分析儀的時候，如果沒有采用任何觸發設置的話，從開始抓取就開始計算時間，一直到存滿我們設置的存儲深度后，抓取就停止。在實際操作過程中，開始抓取的一段信號可能是無用信號，有用信號可能就是其中一段，但是無用信號還占據了我們的存儲空間。在這種情況下，我們就可以通過設置觸發來提高存儲深度的利用率。比如我們如果想抓取UART串口信號，而串口信號平時沒有數據的時候是高電平，因此我們可以設置一個下降沿觸發。從點擊開始抓取，邏輯分析儀不會把抓到的信號保存到我們的存儲器中，而是會等待一個下降沿的產生，一旦產生了下降沿，才開始進行真正的信號采集，并且把采集到的信號存儲到存儲器中。也就是說，從點擊開始抓取到下降沿這段時間內的無用信號，被我們所設置的觸發給屏蔽掉了，這是一個非常實用的功能。

5、抓取波形。邏輯分析儀和示波器不同，示波器是實時顯示的，而邏輯分析儀需要點擊開始，開始抓取波形，一直到存儲滿了我們所設置的存儲深度結束，然后我們可以慢慢的去分析我們抓到的信號，因此點擊“開始抓取”這個是必須要有的。

6、設置協議解析(標準協議)。如果你抓取的波形是標準協議，比如UART、I2C、SPI這種協議，邏輯分析儀一般都會配有專門的解碼器，可以通過設置解碼器，不僅僅像示波器那樣把波形顯示出來，還可以直接把數據解析出來，以十六進制、二進制、ASCII碼等各種形式顯示出來。

7、數據分析。和示波器類似，邏輯分析儀也有各種測量標線，可以測量脈沖寬度，測量波形的頻率，占空比等信息，通過數據分析，查找我們的波形是否符合我們的要求，從而幫助我們解決問題。
20.3.4 UART、I2C、SPI舉例介紹
我們使用LA5016邏輯分析儀抓取串口通信數據、I2C和SPI的數據界面。

首先，我把邏輯分析儀的GND和我們的KST-51開發板的GND接起來，隨便找一個通道，比如用通道3和板子的P3.1引腳接起來。然后讓單片機以2400的波特率、無校驗的方式發送幾個字節的數據。由于UART通信平時默認是高電平，當數據來的時候，會先出現一位起始位，因此我們把觸發方式設置成下降沿觸發。而后我們要設置一下采樣率和采樣深度，因為我們的信號是2400波特率的，采樣率超過1M就很準了，抓幾個字節，采樣深度也要求不高，我們干脆都設置成1M，那么總的采集時間計算下來就是1秒。點擊Start按鈕，這個時候，邏輯分析儀還沒有開始采集，因為它要等待一個下降沿產生才開始采集信號。我們讓單片機發送串口通信數據，邏輯分析儀就會開始抓取信號，抓到的信號會直接顯示在對應軟件的界面上，如圖20-13所示。

圖20-13 抓取UART信號

點擊右側Analyzers右側的加號，選UART通信協議，進入配置界面，將波特率改成2400，無校驗位，選擇通道2，點擊OK，就可以直接把數據解析出來，如圖20-14所示。

圖20-14 UART數據解析

當我們設置好串口通信選項后，點擊OK，直接就會在我們的通道上把十六進制顯示在波形上邊的懸浮圖上，如果要顯示其他進制的數字，還可以點擊UART右側的那個小圓圈，點擊顯示為其他格式，包括二進制、ASCII、十進制都可以顯示出來。此外，如果我們的數據量很大，解析出來后想要用文本形式顯示，也可以點擊那個小圓圈，點擊輸出選項，就可以把數據導出為txt格式，如圖20-15所示。

圖20-15 數據導出

圖20-15中的Time就是這個信號發生時間，Value就是解碼值，Parity是校驗，如果數據錯誤也會在后邊提示錯誤，這個功能是不是很酷呢？

同樣的方法，我們也可以去抓取和解析I2C和SPI的信號數據。I2C和SPI都不是一條線，比如I2C一個引腳是SCL，一個引腳是SDA，我們用我們分析儀的通道3接到SCL上，通道4接到SDA上，也可以將數據抓出來并且解析出來，其中SDA懸浮的就是解析的數字，如圖20-16所示。

圖20-16 I2C數據解析

而SPI是4線的，大家在使用的時候，尤其要注意配置CPOL和CPHA的值，如果這兩個值配置的不對，或者是解析不出來數據，或者是解析的數據是錯誤的數據。解析出來的波形數據分別懸浮在MOSI和MISO的通道上面，如圖20-17所示。

圖20-17 SPI數據解析

1、測量數字信號時，示波器通常可以用來觀察有沒有信號或者是信號的質量如何，邏輯分析儀主要用來分析信號高低電平時序時間，以及通信的是什么數據。

2、邏輯分析儀通道數通常比示波器多。示波器常見有單通道、雙通道和四通道。而邏輯分析儀常見有8通道、16通道、32通道或者更多，測量多個信號運行狀態，尤其是并行數據，通道最夠多才能把所有的通道測量分析出來。

3、具有延遲能力，可以保存更長時間的數據。示波器是實時顯示的，實際上他只能顯示其中一小段數據，可以實現快速刷新，帶來的缺點就是存儲深度很低。而邏輯分析儀有較大的存儲深度，可以保存大量的數據，而后一點點進行分析。

4、具有多種靈活的觸發功能，可以實現對欲獲取的數據進行挑選，對系統運行中的程序段進行調試。示波器通常只有上升沿、下降沿和電壓設置的觸發，而邏輯分析儀不僅僅有上升沿和下降沿觸發，還可以設置并行數據等更復雜的觸發。

5、具備強大的數據解析能力。對于一些復雜的協議，示波器顯示的是波形，而邏輯分析儀可以直接把十六進制數據解析出來。除了我們前邊講過的三種協議外，現在很多邏輯分析儀都具備幾十種協議解析器，可以方便的顯示出解析的數據，并且解析出來的數據可以顯示成為ASCII碼、二進制、十進制、十六進制等等，方便直觀。

6、可以將抓到的波形以CSV等格式導出提供給第三方工具，比如matlab進行時域分析。

    在模擬時代，示波器有著不可替代的優勢，但是步入數字世界，邏輯分析儀擁有更強大的功能，可以稱之為分析數字通信的利器。