Oscium LogiScope - 16-Kanal-Logikanalysator für iOS-Geräte

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Aus ELVjournal 06/2015     0 Kommentare
 Oscium LogiScope - 16-Kanal-Logikanalysator für iOS-Geräte

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Der 16-Kanal-Logikanalysator von Oscium (CD-11 53 40) ist ein kleiner Hardwarezusatz mit zugehöriger kostenloser App, der ein iOS-Gerät zu einem sehr nützlichen und leistungsfähigen Logikanalysator macht, welcher digitale Signale erfassen und auf dem iOS-Gerät darstellen sowie gängige Übertragungsprotokolle auswerten kann.

Was ist ein Logikanalysator?

Ein Logikanalysator ist ein Gerät, mit dem man digitale Signale auf einem Bildschirm visualisieren kann. Beim Oscium-Logikanalysator lassen sich 16 digitale Signale (Kanäle) gleichzeitig anschließen und darstellen, was für die meisten Fälle mehr als reichlich ist. Es gibt auch Logikanalysatoren mit weniger oder mehr Kanälen. Beim Oscium-Logikanalysator gibt es zwei Kabelbündel für je 8 Kanäle, so dass man bei Bedarf im Sinne der Übersichtlichkeit das zweite Kabelbündel unverwendet lassen kann.
Im Gegensatz zu einem Oszilloskop, welches analoge Signale anzeigt, stellt ein Logikanalysator die logischen Werte „0“ oder „1“ von Signalen im Zeitablauf dar. Die Qualität der digitalen Signale (Flanken usw.) kann mit einem Logikanalysator nicht beurteilt werden. Es gibt auch Mixed-Signal-Oszilloskope (Analogkanäle UND Digitalkanäle), zum Beispiel das Oscium-Mixed-Signal-Oszilloskop iMSO-204L (CD-11 53 41). Gegenüber einem Oszilloskop bietet ein Logikanalysator die Möglichkeit, sehr viele Kanäle gleichzeitig anzuzeigen – während ein Oszilloskop meistens nur ein oder zwei Kanäle bietet – und dass ein Logikanalysator darüber hinaus meistens gängige Übertragungsprotokolle analysieren bzw. decodieren kann.
Im Vergleich zu Vielfachmessgeräten oder Peak-Atlas-Messgeräten hat ein Logikanalysator den Vorteil, eine zeitliche Analyse der digitalen Signale und nicht nur eine „Momentaufnahme“ zu ermöglichen. Die Anzahl der Kanäle ist auch hier beim Logikanalysator wesentlich größer. Das hat den Vorteil, dass man sehr gut zeitliche Zusammenhänge und Abhängigkeiten zwischen den dargestellten Signalen sichtbar machen kann. Bei Entwicklung und Fehlersuche ist ein Logikanalysator ein sehr nützliches Hilfsmittel. Auch sehr schnelle Signale lassen sich analysieren – zum einen, weil man einen Auslöser („Trigger“) definieren kann, ab dem eine Aufzeichnung beginnen soll, und zum anderen, weil es Speicherungsmöglichkeiten gibt, die es ermöglichen, Signale in Ruhe zu analysieren, die schon längst nicht mehr am Gerät anliegen.

Es gibt verschiedene Arten von Logikanalysatoren:

Tischgeräte

Zum Beispiel von Rigol, Tektronix, PeakTech usw.: Bei Tischgeräten sind die Elektronik, das Netzteil, das Display sowie die Bedienungsmöglichkeiten komplett in einem Gerät. Tischgeräte sind sehr leistungsfähig, aber auch teuer, groß und unhandlich und können nicht immer Protokolle analysieren. Tischgeräte sind allein aufgrund des hohen Preises eher etwas für Profilabore.

PC-Zusätze

Saleae, PicoScope, Scanalogic usw.: Hier handelt es sich um kleine Vorschaltgeräte, die an einen PC angeschlossen werden und dessen Display, Bedienmöglichkeiten und Software benutzen. In dieser Kategorie gibt es preiswerte bis sehr preiswerte Geräte. Die Hardware ist sehr klein und wird über die USB-Schnittstelle an einen PC angeschlossen. Es gibt eine – meist kostenlose – Software, die auf dem PC installiert wird. Eine Analyse gängiger Protokolle ist möglich. Der Nachteil ist, dass ein PC vorhanden sein muss. Auch wenn man im ersten Moment meint, dass ein PC ja sowieso vorhanden sei, so ist es im heimischen Labor oftmals lästig, einen PC erst starten zu müssen, oder man möchte gleichzeitig auf dem PC Datenblätter o. Ä. betrachten oder eine Programmierumgebung offen haben oder der Schreibtisch mit dem PC ist nicht direkt am Elektronikarbeitsplatz. Auch ein Notebook/ Laptop hat bis zum gewissen Grad dieselben Nachteile.

iOS-Zusätze

Eine Lösung mit einem Hardwarezusatz zu einem iOS-Gerät (wie der hier betrachtete Oscium-Logikanalysator) ist sehr mobil – es reicht sogar ein iPhone oder iPod – und preiswert. Das iOS-Gerät benötigt keinerlei Startzeit. Protokolle lassen sich analysieren. Der Analysator kostet nicht viel und ein iPad mini ist entweder bereits vorhanden oder man bekommt es gebraucht bereits für 100 bis 150 Euro. Daneben gibt es noch andere Ausführungen:

ELV-Bausatz: Logic-Analyzer LA6

Dieser Komplettbausatz mit bearbeitetem Gehäuse (CD-10 36 49) bietet 6 Kanäle, stellt eine Standalone- Lösung dar – kommt also ohne iPad/iPhone/ iPod oder PC aus – und ist sehr kompakt. Eine Lösung für Bastler für ca. 60 Euro.

Velleman Oszilloskop und Logikanalysator VM205

Hier handelt es sich um ein Erweiterungsboard für einen Raspberry Pi (CD-11 89 84, ca. 35 Euro). Man bekommt 1 Analogkanal und 10 Digitalkanäle. Etwas für Raspberry-Fans.

Was bietet der Oscium-Logikanalysator?

 Zum Lieferumfang eines Oscium-Logikanalysators gehören:

  • LogiScope-Adapterhardware
  • zwei Kabelbündel (mit jeweils 8x digital und 1x Gnd)
  • 18 Abgreifklemmen (für 16 Kanäle und 2x Gnd)
  • kostenlose Oscium LogiScope App

Die Tabelle 1 zeigt die unterstützten Geräte. Es werden iOS-Geräte mit 30-Pin-Anschluss oder (mit Adapter) mit Lightning-Anschluss unterstützt. Ideal ist wegen der Größe des Bildschirms die Verwendung eines iPads, aber auch auf einem iPhone lässt sich sehr gut arbeiten.


Die kostenlose App (Oscium LogiScope) läuft unter iOS ab Version iOS 5.1.1. Es lohnt sich übrigens, die App auch ohne Vorhandensein der Hardware einmal herunterzuladen; man kann die App dann im Demo- Modus kennenlernen. Die Hardware und die App sind für iPad und iPhone gleich; man kann problemlos zu Hause ein iPad verwenden und unterwegs ein iPhone. Es werden digitale Signale bis 5 V unterstützt – also auch 3,3-V-Systeme. Es gibt diverse Triggermöglichkeiten und eine umfangreiche und komfortable Analyse gängiger Übertragungsprotokolle wie UART, SPI, I2C. Bei Protokollen ist auch eine Triggerung nach Inhalten möglich – z. B. Erkennung von „$“ bei einem seriellen GPS-Signal.

Benutzung

1) Kostenlose Oscium-App „LogiScope“ aus dem Apple App Store herunterladen (auch ohne
    vorhandene Oscium-Hardware zu Demozwecken möglich)
2a) Schwarzes Kabel = Gnd anschließen
2b) Abgreifklemmen für die Kanäle (Kabel sind farbig unterschieden) an zu testende Hardware
      anklemmen
3) LogiScope-Hardware an iOS-Gerät anschließen (ggf. Lightning-Adapter verwenden)
4) App öffnen; die App wird, wie in iOS üblich, durch Spreiz-/Stauchbewegungen, Antippen,
    Verschieben usw. gesteuert

Details zur Benutzung werden nachfolgend anhand von Beispielen beschrieben.

Videos zur Bedienung gibt es auf der Herstellerseite [1]. Eine deutsche Kurzbedienungsanleitung von ELV kann von [2] heruntergeladen werden. Grundsätzliche Tipps zur Bedienung kann man auch unter [3] und [4] herunterladen, wo es zwar um andere Produkte desselben Herstellers geht, aber die grundsätzliche Bedienung gleich ist! In der kostenfreien App des Oscium-Oszilloskops (iMSO bzw. iMSO2) gibt es über ein kleines „i“ jeweils Hilfetexte, die ebenfalls hilfreich sind für die Bedienung des hier betrachteten Logikanalysators.
Bild 1: Anschluss des LogiScope
Bild 1: Anschluss des LogiScope
Der Anschluss des Oscium LogiScope erfolgt gemäß Bild 1. Das Bild zeigt einen an einem Mikrocontroller angeschlossenen Sensor. Die Abgreifklemmen des Oscium-Logikanalysators werden an die Signalleitungen zwischen den Geräten geklemmt und das schwarze Gnd-Kabel wird mittels Abgreifklemme an Gnd der zu untersuchenden Schaltung geklemmt. Das LogiScope bietet zwei Kabelbäume: einen für Datenkanäle D0 bis D7 sowie Gnd (schwarz) und einen zweiten Kabelbaum für D9 bis D15 mit nochmals Gnd.

 Die Oscium-Hardware wird an das iOS-Gerät angeschlossen, dessen Hardware zur Darstellung und Bedienung dient und auf dem dafür die Oscium-App installiert ist. Die Testleitungen für D0 bis D15 unterscheiden sich farblich (D0 = violett, D1 = gelb, D2 = grau usw.) und die Farben finden sich entsprechend in der Signaldarstellung in der App wieder (Bild 2).

Bild 2: Signalverlauf digitale Signale
Bild 2: Signalverlauf digitale Signale

Analyse digitaler Signale

Bild 3: Menü „Digital“ für Kanalauswahl und Kanalbezeichnung
Bild 3: Menü „Digital“ für Kanalauswahl und Kanalbezeichnung
In der App sieht man nach dem Starten einen Hauptbildschirm (Bild 2). Wenn (noch) keine LogiScope-Hardware am iOS-Gerät angeschlossen wurde, kann man die App in einem Demo-Modus kennenlernen. Wenn die LogiScope-Hardware angeschlossen ist und digitale Signale an den Abgreifklemmen vorliegen, dann werden die Signale auf dem Bildschirm dargestellt. Je nach angelegten Signalen erhält man eine Darstellung ähnlich wie in Bild 2. Durch Spreiz- und Stauchbewegungen kann man die Zeitbasis verändern (Zoomen). Standardmäßig haben die 15 Kanäle die Namen D0 bis D15. Über das Menü „Digital“ kann man selektieren, welche Kanäle dargestellt werden sollen und wie die Kanäle heißen sollen (Bild 3).
Bild 4: Menü „Cursors“
Bild 4: Menü „Cursors“
Die Einstellungen eines Menüs werden aktiv, sobald das Display außerhalb des Menüfensters berührt wird. Das „Cursors“-Menü (Bild 4) ermöglicht die Einstellung von Messlinien (siehe weiter unten).
Bild 5: Menü „Measure“
Bild 5: Menü „Measure“
Im Menü „Measure“ kann eingestellt werden, welche Messgröße (Frequency, Period, Duty-Cycle, Pulse Width, Rising/Falling, Edge Count, None) für welchen Kanal angezeigt werden soll (Bild 5). Für Bild 2 wurde beispielsweise für Signal 1 und Signal 2 die Frequenz als rechts oben anzuzeigende Größe gewählt.
Bild 6: Menü „Trigger“
Bild 6: Menü „Trigger“
Bild 9 zeigt rechts oben weitere Möglichkeiten. Im „Trigger“-Menü (Bild 6) können Triggerevents (fallende/steigende Flanke usw.) und Kombinationen von Triggerbedingungen und zeitlicher Versatz zum Triggerevent definiert werden. Auf dem Hauptschirm (Bild 2) kann man den Triggerpunkt mit dem Finger nach links oder rechts verschieben.
Bild 7: Menü „Decode“
Bild 7: Menü „Decode“
Im Menü „Decode“ (Bild 7) wird die Analyse digitaler Übertragungsprotokolle (UART, SPI, I2C, Parallel) aktiviert und protokollspezifisch konfiguriert.
Bild 8: Menü „Settings“
Bild 8: Menü „Settings“
Im Menü „Settings“ (Bild 8) lassen sich Parameter wie Linien-, Punkte- oder Netzdarstellung der Signallinien bzw. des Hintergrundes einstellen. Ein Screenshot der Signaldarstellung lässt sich über „Screenshot“ oder über die normale iOS-Tastenkombination (Home-Taste + Einschalt-Taste) als Bilddatei speichern oder als E-Mail versenden. Hier lassen sich auch die Einstellungen für bis zu drei Szenarien zur späteren Verwendung speichern (SAVE) und später wieder abrufen (LOAD).
Der Doppelpfeil (>>) links unten auf dem Hauptbildschirm (Bild 2) dient dazu, durch Schieben nach rechts auf einen zweiten Bildschirm (Bild 9) zu gelangen. Dieser zweite Bildschirm bietet die Möglichkeit, durch zwei Linien („Cursors“) Signale im Detail zu vermessen. Im Bild 9 wurde die Periode des gelb dargestellten Signals 2 (von fallender Flanke bis zur nächsten fallenden Flanke) mit 6,41 ms vermessen (Anzeige unten rechts im Display). Derselbe Wert ist auch (aufgrund von „Measure“) oben rechts in Gelb zu sehen. Durch Verschieben der zwei senkrechten Linien lassen sich die Signale nach Belieben vermessen. Durch Schieben des Doppelpfeils rechts unten (<<) gelangt man zurück zum Hauptbildschirm mit den Menüs.
Bild 9: Bildschirm 2 mit Cursor
Bild 9: Bildschirm 2 mit Cursor

UART-Signal

Bild 11: UART-Settings
Bild 11: UART-Settings
Zu Testzwecken wurde ein kleines Mikrocontroller-Programm geschrieben, welches über die serielle Schnittstelle einen Text ausgibt. Das violette Kabel (Kanal D0) des Logikanalysators wird an den Tx-Pin des Mikrocontrollers angeschlossen. Das schwarze Gnd-Kabel des Logikanalysators wird mit Gnd des Mikrocontrollers verbunden (vgl. Bild 1). Nach dem Starten der App sieht man das empfangene digitale Signal (violett in Bild 10) und nach Aktivierung der UART-Protokollanalyse (Menüpunkt „Decode“) und Einstellen der Übertragungsparameter (9600 Baud 8N1, Bild 11) zeigt die App das decodierte serielle Signal an (blau in Bild 10). Bei decodierten Signalen lässt sich für die Anzeige der decodierten Zeichen die Zeichendarstellung (binär, hexadezimal, ASCII …) wählen.
Bild 10: UART-Signal
Bild 10: UART-Signal

GPS-Signal

Bild 12: GPS-Anschluss
Bild 12: GPS-Anschluss
Ein Beispiel für ein serielles Signal ist ein NMEA-Datenstrom von einem GPS-Modul wie dem NL-552ETTL. Ein GPS-Modul empfängt die Signale der GPS-Satelliten und gibt die GPS-Daten als seriellen Datenstrom aus (vgl. „Elektronikwissen“). Man kann den Oscium-Logikanalysator direkt an ein TTL- oder 3,3-V-GPS-Modul gemäß Bild 12 anschließen.
Die Oscium- Hardware nimmt die Logikpegel des digitalen Signals auf und auf dem angeschlossenen iOS-Gerät werden mit Hilfe der LogiScope-App das digitale Signal und die decodierten Zeichen angezeigt (Bild 13). So lässt sich die Funktionsfähigkeit des GPS-Moduls (oder anderer Sensoren/Geräte) durch schnelle Analyse mit dem Logikanalysator überprüfen.
Bild 13: GPS-Signal
Bild 13: GPS-Signal

I2C

Ein Beispiel für ein zu untersuchendes I2C-Modul ist der beliebte ELV-Bewegungssensor 3D-BS ELV (CD-09 15 21 bzw. CD-10 48 93), der gemäß Bild 14 mit einem Mikrocontroller verbunden wird. Der Logikanalysator wird mit zwei Signalleitungen für die zwei I2C-Leitungen (SDA und SCL) zwischen Mikrocontroller und Sensor-Modul angeklemmt. Außerdem muss die Gnd-Leitung mit dem Testobjekt verbunden werden.
Bild 14: I2C-Anschluss 3D-BS
Bild 14: I2C-Anschluss 3D-BS
Mit Hilfe der Oscium-App können nun die I2C-Signale auf dem iOS-Gerät sichtbar gemacht und analysiert werden (Bild 15). Oben in Bild 15 sieht man (als dritte Linie) die binäre Darstellung der decodierten Zeichen, während man in der Darstellung unten die Schreibadresse 70 („70 Master“) und den Wert 02 für die Konfigurationssequenz des Bewegungssensors sowie danach die Leseadresse („70 Slave“) und die Datenbytes vom Modul sehen kann. Der Logikanalysator stellt die I2C-Schreibrichtung in blauer Farbe und die Leserichtung in grüner Farbe dar. Erkannt wird die Datenrichtung anhand des Schreib-/Lesebits in der I2C-Adresse (70 bzw. 71). Vgl. Seite 34 im Datenblatt des Sensors [5].
Bild 15: I2C-Kommunikation mit Bewegungssensor-Modul 3D-BS
Bild 15: I2C-Kommunikation mit Bewegungssensor-Modul 3D-BS

Schieberegister

Mit drei Leitungen des Logikanalysators zwischen einem Mikrocontroller und einem Schieberegister (Bild 16) kann man sehr schön die Signalabläufe für ein Schieberegister sichtbar machen (Bild 17).
Bild 16: Schieberegister-Anschluss
Bild 16: Schieberegister-Anschluss
Man sieht in Bild 17 in Violett das regelmäßige Taktsignal, als gelbe Linie das Datensignal und in Blau den Übernahmepuls. So ist es sehr einfach, Szenarien aus dem Datenblatt des Schieberegisters oder aus Tutorials am „lebenden Objekt“ nachzustellen bzw. eigene Schaltungen zu überprüfen. Man kann damit sehr schnell analysieren, ob die Signale den Erwartungen entsprechen, und damit ggf. Fehler in der Software oder der Hardware einkreisen. Die Signale lassen sich auch wie oben beschrieben genau vermessen.
Bild 17: Schieberegister mit 8 Takten, Datenbits und Übernahme
Bild 17: Schieberegister mit 8 Takten, Datenbits und Übernahme

SPI

Der ELV-3-Achsen-Beschleunigungssensor 3D-BS (CD-09 15 21 bzw. CD-10 48 93) kann auch per SPI betrieben werden. Dabei erfolgt der Anschluss gemäß Bild 18. Die Prüfklemmen des Logikanalysators werden an die SPI-Leitungen und Gnd zwischen Mikrocontroller und 3D-BS-Modul geklemmt (Bild 18).
Bild 18: SPI-Anschluss 3D-BS
Bild 18: SPI-Anschluss 3D-BS
Bild 19 zeigt die Darstellung der SPI-Signale inklusive der decodierten Zeichen für den Fall der Konfiguration des Sensors. Zur Konfiguration wird gemäß Datenblatt des 3D-BS (Bild 1 und Tabelle 3 in [5]) hexadezimal vierzehn und null (x14 x00) an den Sensor übertragen. Vom Slave zum Master (MISO) werden gleichzeitig zwei Hexadezimalzahlen xFF zurückgegeben.
Bild 19: SPI-Konfiguration des 3D-BS (x14 x00 vom Master zum Slave)
Bild 19: SPI-Konfiguration des 3D-BS (x14 x00 vom Master zum Slave)
Im laufenden Betrieb (Bild 20) wird per SPI hexadezimal x82 vom Master an den Slave (MOSI) übertragen. Gleichzeitig kommt vom Slave zum Master (MISO) ein xFF zurück. Danach werden vom Slave zum Master die Daten (sechs Zahlen) empfangen, während gleichzeitig Nullen vom Master zum Slave übertragen werden. Der gesamte Ablauf ist in Bild 20 sehr gut zu erkennen. Die SPI-Kommunikation kann auf diese Weise mit dem Logikanalysator sehr gut analysiert und verstanden bzw. geprüft werden.
Bild 20: SPI-Datenempfang 3D-BS (x82 zum Slave, dann Daten-Bytes zum Master)
Bild 20: SPI-Datenempfang 3D-BS (x82 zum Slave, dann Daten-Bytes zum Master)

Fazit

Fazit Mit dem Oscium-Logikanalysator ist es sehr einfach, digitale Signalverläufe von bis zu 16 Kanälen sichtbar zu machen und zu analysieren. Gängige Übertragungsprotokolle werden vom Oscium-Logikanalysator decodiert. Dadurch hat man eine kleine und kostengünstige Möglichkeit, während der Entwicklung oder bei der Fehleranalyse Messungen an Systemen vorzunehmen. Mit dem gleichen Prinzip (Vorschaltgerät für iOS-Gerät plus kostenlose App) und sehr ähnlicher App bietet Oscium auch das Mixed-Signal-Oszilloskop iMSO-204L an, welches 2 Analogkanäle und 4 Digitalkanäle bietet – allerdings keine Protokolldecodierung ermöglicht (CD-11 53 41). Außerdem gibt es von Oscium einen Echtzeit-Spektrumanalysator WiPry- Pro-Spectrum (CD-11 53 43), welcher ein iOS-Gerät zu einem mobilen, leistungsfähigen Echtzeit-Spektrum- Analysator für das 2,4-GHz-ISM-Band (WLAN, Bluetooth, Video, Fernsteuerungen etc.) macht.

Weitere Infos

[1] www.oscium.com
[2] Deutsche Anleitung Oscium-Logikanalysator LogiScope (von ELV): Webcode #1402
[3] Deutsche Anleitung Oscium-Mixed-Signal-Oszilloskop (von ELV): Webcode #1403
[4] Deutsche Anleitung Oscium-Spektrumanalysator (von ELV) Webcode #1404
[5] Datenblatt Bewegungssensor des 3D-BS: Webcode #1405

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