[Arduino] 使用示波器來看Arduino的UART, Inverted Software serial及RS-232訊號並對其進行解碼
主題: 使用示波器來看Arduino的UART訊號及Inverted Software Serial的波形，及這些訊號轉換成RS-232訊號後的波形，並對其進行ASCII code解碼。
本次測試使用器材為
- Arduino MEGA 2560 Rev3 (可參考Po文: [Arduino] 欣賞官方版Arduino MEGA 2560 Rev3 )
- TTL to RS-232模組。(這個市面上有N種，本次使用MAX3232 ESE+DN20晶片。)
- Keysight 2002A示波器 (關於如何學習該款示波器，可參考Po文: [儀器學習] Keysight DSOX2002A Oscilloscope 示波器 )
PS1: 其他Arduino開發版也可適用此案例，例如: Arduino UNO Rev3, Arduino UNO SMD
UART and RS-232基本認知
兩者的邏輯訊號的電壓不同，請見下表。
其中UART採用正邏輯，而RS-232採用負邏輯，因此兩者的波形相反(當然電壓也不同)。
序列通訊(Serial Communication)傳輸速度與傳輸封包結構
不管是UART或是RS-232的序列通訊，在此測試中都使用相同的傳輸速度與傳輸封包結構。
關於傳輸速度與傳輸封包結構，由於已行之有年，業界通常都講得非常簡略，也成為了一種默契。
業界行話:
- Baud rate 2400 bps。
- 8N1 (詳細請見參考資料)。
這個行話，簡單來說:
- 每秒會傳送2400個Bit。表示資料傳輸速度。
- 會看到訊號長成10個格子的樣子，如下圖所示。
其中Start (第1個Bit)會用Logic 0表示，Stop (第10個Bit)會用Logic 1表示，這兩個都是固定不變。
D0~D7這8個Bit就是存放資料的地方(灰色區域)，Logic可以是0或1，看你放什麼資料。
當封包結構解開後(10碼結構)，解碼主要就是解這塊(8碼灰色區域)。
Arduino UART
獻慶寫了一個Arduino的code，請Arduino每秒從第16 pin輸出訊號 (Tx2，第3組Serial channel)。
示波器的探棒兩端則對Arduino的第16 pin及GND偵測。
調整示波器至可看到訊號波形( [儀器學習] Keysight DSOX2002A Oscilloscope 示波器 )，會看到一堆凹凸的方塊波，長度不一。
第一次看到，會慌，不用擔心，我們一步一步做下去。
 |
| UART訊號波型。 |
先檢查訊號電壓。低電壓為10 mV，表示邏輯0，高電壓為4.91 V，表示邏輯1。電壓差為4.9 V。
這點與Arduino規格上的Vcc=5V有接近，差值可能來自於線損。
 |
| 檢查訊號電壓。 |
請看出訊號中"最窄的凹凸"，"最窄的凹凸"的寬度表示1個Bit的傳輸時間。這裡寬度量得為416.60 μs (μs通常顯示為us，因為μ這個希臘字不容易顯示)，倒數後換算成傳輸速度(Bit Rate)則是2400.4 bps (圖中顯示2.4004 kbps)。此數值與訊號傳輸的Baud rate設定值幾乎吻合，表示找對的訊號來計算。
PS1:
傳輸速度(Bit Rate)計算方式，就是用"頻率(f)=1/週期(period)"這個耳熟能詳的式子來計算，傳輸速度就是頻率值。
其中，週期period量得為416.60 μs = 416.60 × 10−6 s
傳輸速度 = 1/週期period = 1 / (416.60 × 10−6 s) = 0.0024004 × 106 = 2400.4 (bps)
PS2: 若找錯訊號計算，則計算值可能會低於設定值幾倍。而如果在這個錯誤下硬去解碼，則是會產生很多解碼問題。例如: 訊號實際波形與傳輸封包結構不匹配。
PS3: 老手可跳過這步。反正只要猜到哪個是1個Bit的寬度(最窄的凹凸)，就可以開始解碼了。另外，新式的示波器，也可把自動量測Bit Rate的選項打開，直接看到數值。
 |
| 計算Bit rate。 |
根據serial communication的封包結構，可先用10 bit的寬度將原始訊號切開。
訊號切開的起始點，其實很好判斷。沒訊號時，會看到訊號基本上維持同一個電壓，一旦電壓開始改變，就是訊號進來了。另外一種說法，長時間都是Logic 1的訊號，一旦開始變成Logic 0，表示訊號進來了。
原始訊號切開後，可切得4個區塊。
每個區塊中，由左側數過來，第1個Bit為Logic 0，表示Start，第10個Bit為Logic 1，表示Stop，這兩個都是固定不變。
D0~D7這8個Bit就是存放資料的地方(灰色區域)，Logic可以是0或1，看你放什麼資料。
先將Logic根據實際訊號狀況分析出來，也就是把圖中的黃字填上。記得在UART Serial communication中，低電壓表示Logic 0，高電壓表示Logic 1。
 |
| UART分析訊號並解碼。 |
封包結構分析完畢後，接著就是要解碼了。
解碼其實是要有密碼對照表或演算法。但這裡獻慶很單純的就是用ASCII code來解碼。下表列出本次用到的code。
使用該對照表可解碼，其中原始訊號中的第1個區塊解碼為R，第2個區塊解碼為V，第3個區塊解碼為V，第4個區塊解碼為\r。
得到訊號為 RVA\r
本文中的測試訊號就是預設為這個，從頭到尾不變，方便各位進行波形比對。
PS: 這裡Binary code的順序為D7~D0，得左右顛倒唸，才比較方便比對。例如: 表上的"00001101"，左右顛倒後為"10110000"，可對到原始訊號中的區塊4的信號。
完整對照表請參考資料: ASCII Table
Arduino UART to RS-232
先請Arduino每秒從第16 pin輸出序列訊號 (Tx2，第3組serial channel)，透過"TTL to RS-232模組"，將UART的訊號轉成RS-232的訊號。
示波器則對轉換後的Tx訊號進行偵測。
調整示波器至可看到訊號波形，會看到一堆凹凸的方塊波，長度不一。
我們一步一步做下去。
 |
| RS-232訊號波型。 |
先檢查訊號電壓。低電壓為-8.8 V，表示邏輯1，高電壓為8.9 V，表示邏輯0。電壓差為17.7 V。
PS: 從這個檢查中，得知電壓差為17.7 V，若此訊號直接接到Arduino上，可能會造成Arduino燒毀，因此為了避免燒毀，需要電壓轉換模組，也就是本次使用的"TTL to RS-232模組。
 |
| 檢查訊號電壓。 |
請看出訊號中"最窄的凹凸"，"最窄的凹凸"的寬度表示1個Bit的傳輸時間。這裡寬度量得為416.96 μs (μs通常顯示為us，因為μ這個希臘字不容易顯示)，倒數後換算成傳輸速度(Bit Rate)則是2398.3 bps (圖中顯示2.3983 kbps)。此數值與訊號傳輸的Baud rate設定值幾乎吻合，表示找對訊號來計算。
 |
| 計算Bit rate。 |
根據serial communication的封包結構，可先用10 bit的寬度將原始訊號切開。
訊號切開的起始點，其實很好判斷。沒訊號時，會看到訊號基本上維持同一個電壓，一旦電壓開始改變，就是訊號進來了。另外一種說法，長時間都是Logic 1的訊號，一旦開始變成Logic 0，表示訊號進來了。
原始訊號切開後，可切得4個區塊。
每個區塊中，由左側數過來，第1個Bit為Logic 0，表示Start，第10個Bit為Logic 1，表示Stop，這兩個都是固定不變。
D0~D7這8個Bit就是存放資料的地方(灰色區域)，Logic可以是0或1，看你放什麼資料。
先將Logic根據實際訊號狀況分析出來，也就是把圖中的黃字填上。記得在RS-232 Serial communication中，高電壓表示Logic 0，低電壓表示Logic 1 (請注意，RS-232跟UART的電壓邏輯顛倒)。
 |
| RS-232分析訊號並解碼。 |
封包結構分析完畢後，接著就是要解碼了。
解碼其實是要有密碼對照表或演算法。但這裡獻慶很單純的就是用ASCII code來解碼。下表列出本次用到的code。
使用該對照表可解碼，其中原始訊號中的第1個區塊解碼為R，第2個區塊解碼為V，第3個區塊解碼為V，第4個區塊解碼為\r。
得到訊號為 RVA\r
PS: 這裡Binary code的順序為D7~D0，得左右顛倒唸，才比較方便比對。例如: 表上的"00001101"，左右顛倒後為"10110000"，可對到原始訊號中的區塊4的信號。
完整對照表請參考資料: ASCII Table
獻慶這裡將UART與RS-232輸出的訊號放在一起，方便各位比較。
(由於手上只有一根探棒，無法同時取得並顯兩組訊號，此圖是分別取得訊號後，在後製拼圖)
|
| Arduino的UART與RS-232輸出的訊號比較與分析。 |
Arduino Inverted Software Serial
以下會帶一下何謂Software serial，何謂Inverted software serial，還有案例的示波器訊號。
關於Software Serial
Arduino除了部分pin提供硬體序列功能外，也在其他特定pin提供軟體序列功能(Software serial)。這樣可以提供更多的序列通訊通道，補強Arduino序列通道不足的問題。
Software serial有提升A序列通訊數量的優點，但也有些缺點，例如: (1) 每提供1個通道的軟體序列通訊，則會少掉2個pin供其他輸出入應用。(2) 軟體序列通訊的最高傳輸速率遠低於硬體序列通訊的最高傳輸速率。如果有高速通訊的需求，就得考慮這點。
詳細內容，請見參考資料:
關於Inverted Software serial
既然都已經使用Software serial，怎麼前面還要加一個"Inverted"?
Inverted 表示反向
在Arduino的SoftwareSerial語法中，可透過inverse_logic來更改邏輯方向。
SoftwareSerial(rxPin, txPin, inverse_logic)
inverse_logic: 預設是0，或者就不要寫這個選項。設為1時，就會反向，也就是可以處理邏輯反向的訊號。
只是邏輯電壓顛倒，這個看似多餘的功能，卻意外地在實際應用時幫得上忙。
PS:
但為何一開始有學software serial的人，卻不知道有開啟反向邏輯設定?
因為很多Arduino的software serial程式範例是長這樣
SoftwareSerial(rxPin, txPin)
所以很多人不知道後面還有開啟反向邏輯設定
要另外去完整的語法介紹頁面，才會看到
SoftwareSerial(rxPin, txPin, inverse_logic)
參考資料:
示波器Data
以下是從示波器量測Inverted software serial獲得的訊號，各位可以使用"Arduino UART"這節提供的方法來進行分析。
要注意，電壓有上下顛倒。
 |
| Inverted software serial, 原始波型。 |
 |
| Inverted software serial, 檢查高低電壓用。 |
 |
| Inverted software serial, 計算傳輸速率。 |
Arduino Inverted Software Serial to RS-232
以下是從示波器量測Inverted software serial轉成RS-232後獲得的訊號，各位可以使用"Arduino UART to RS-232"這節提供的方法來進行分析。
要注意，電壓有上下顛倒。
 |
| Inverted software serial to RS-232, 原始波型。 |
 |
| Inverted software serial to RS-232, 檢查高低電壓用。 |
 |
| Inverted software serial to RS-232, 計算傳輸速率。 |
Hardware vs Software Serial
既然有示波器，那我們可以來看看硬體跟軟體序列通訊的差異性。
在通訊速度Bit rate 2400 bps的狀態下，兩者基本上看不太出差異。
不管是大致上的波形(下圖(a)及(b))，由低電壓至高電壓的波形放大圖(下圖(c)及(d))，由高電壓至低電壓的波形放大圖(下圖(e)及(f))，都大致相同。
 |
| Hardware vs software serial. (a) Hardware, total signal, (b) Software, total signal, (c) Hardware, low-to-high signal, (d) Software, low-to-high signal, (e) Hardware, high-to-low signal, and (f) Software, high-to-low signal. |
眼尖的朋友會注意到，訊號變換時，電壓的變化並不是穩定的，而是看起來有衝過頭的狀況。此現象在電路學中有個名詞，叫overshooting。發生的時間很短，解析度高的示波器比較可捕捉到。在本案例中，每次電壓轉都會出現overshooting的現象，但在上圖(a)及(b)中，卻只看到其僅出現在某些轉換。這台示波器提供了"Peak Detect"的功能，能保留一定時間內波型的最大最小值，使我們在示波器訊號解析度不足的狀況下，也能看到每個電壓轉換時出現的overshooting現象，如下圖所示。
 |
| 示波器的"Peak Detect"功能，使得每個電壓轉換時出現的overshooting現象，得以顯現。訊號源: Inverted software serial。 |
在Arduino官方對Software serial的介紹中 (Arduino - SoftwareSerial Library)，有提到
It is possible to have multiple software serial ports with speeds up to 115200 bps.
那我們就來看看實際波形到底會如何。
在經過許多不同傳輸速度的測試後，獻慶發現，訊號不穩定的狀況，主要來自延遲輸出，造成訊號錯誤。儘管不是每個訊號都延遲輸出，但出現的頻率越高，表示訊號越不穩定，也越容易造成讀寫錯誤的狀況發生。
為了捕捉這個延遲輸出，開啟示波器的波形保留功能，來捕捉這個狀況。比較亮的波形就是實際訊號波型，而有點暗的波形(或稱殘影)就是有延遲輸出的波形(波形保留的測試時間大概2分鐘左右)。如下圖所示。
 |
| 開啟示波器的波形保留功能，來捕捉輸出延遲的狀況。 |
在Inverted software serial的訊號中，隨著設定傳輸速度越來越大，殘影的狀況越來越嚴重，在19200 bps時就有明顯的感覺。而9600 bps則是看起來不明顯，難怪業界都喜歡選這個數值。
另外，隨著設定傳輸速度越來越大，實際輸出的傳輸速度與設定值的落差會增大。例如: 設定傳輸速度為1500000 bps時，實際傳輸速度只有842100 bps (如圖(w)所示，842.1 kbps)。
不管是訊號延遲或是速度落差都會造成通訊失效。
 |
| Inverted software serial訊號在各個設定傳輸速度下的實際波形。 |
接下來看看硬體輸出的UART訊號，9600 bps當然沒問題，然後就一路沒問題，到512000 bps也都沒問題，只是傳輸速度有些許落差。與軟體序列傳輸比起來，這個狀況好太多了，難怪大家說"有硬體的一定要用硬體的"。
設定傳輸速度1024000 bps時，開始出現殘影(傳輸延遲)。設定傳輸速度越高，殘影狀況越嚴重。
有趣的是，設定傳輸速度1500000 bps及3000000 bps時，實際傳輸速度都是2000000 bps (2.000 Mbps)。
 |
| UART訊號在各個設定傳輸速度下的實際波形。 |
TTL to RS-232模組的轉換效果
由下圖可看出，原本的UART訊號(圖(a))轉換為RS-232訊號後，overshooting的現象消失了(圖(b))。看起來是個優點。
但轉換時間變長了，從6 ns (圖(c)及(e))到350 ns (圖(d)及(f))。看起來是個問題。這樣會造成轉換後的RS-232訊號，沒辦法支援很高的傳輸速度。
 |
| "Original UART" vs "TTL to RS-232". (a) Original UART, total signal, (b) TTL to RS-232, total signal, (c) Original UART, low-to-high signal, (d) TTL to RS-232, low-to-high signal, (e) Original UART, high-to-low signal, and (f) TTL to RS-232, high-to-low signal. |
如下圖所示，
設定傳輸速度為9600 bps時(圖(a)~(d))。每個bit的凹凸形狀都非常銳利，呈現90度變化，實際傳輸速度與設定速度也幾乎吻合(圖(b)及(c))。沒有看到殘影發生(圖(d))。
設定傳輸速度為115200 bps時(圖(e)~(h))。每個bit的凹凸形狀就沒那麼銳利，有些歪斜，實際傳輸速度與設定速度仍吻合(圖(f)及(g))。沒有看到殘影發生(圖(h))。
設定傳輸速度為256000 bps時(圖(i)~(l))。每個bit的凹凸形狀就更不銳利，歪斜加重，實際傳輸速度與設定速度已不吻合(圖(j)及(k))。沒有看到殘影發生(圖(l))。
設定傳輸速度為512000 bps時(圖(m)~(p))。每個bit的凹凸形狀就更不銳利，歪斜再度加重，實際傳輸速度與設定速度已不吻合(圖(n)及(o))。沒有看到殘影發生(圖(p))。
設定傳輸速度為1024000 bps時(圖(q)~(t))。每個bit的凹凸形狀就更不銳利，歪斜非常加重，實際傳輸速度與設定速度已極度不吻合(圖(r)及(s))。有看到殘影發生(圖(t))。表示繼承了UART原始波型的殘影。至於實際波形就更慘了，很多方塊波看起來都快變成三角波了。
經過測試，轉換後的RS-232訊號，沒辦法支援很高的傳輸速度，大約穩定的速度為115200 bps。而造成此結果的主因，確實來自於訊號轉換時間變長。
 |
| UART訊號轉成RS-232訊號後，在各個設定傳輸速度下的實際波形。 |
感想
1.
記得高中老師說過:
示波器的最高境界是量序列埠的訊號，也就是可以監聽序列埠訊號，分析包率、邏輯0,1、破解資料。現在跟你們講這些還太早... 我們還是先用示波器來看sine波好了...
現在可以認真回應老師: 有看到序列埠了歐! 讚! ^_^
2.
駭客入侵手段
記得之前在看駭客的攻擊手段時，除了大家印象中那種寫程式的駭客外，還有一種駭客手段就是所謂的"實體侵入"。
以這個案例來看，利用示波器配合其他分析器，就可以在序列埠的實體線路上達成監聽訊號的目的。訊號解析完畢後，還可以偽裝官方發送指令碼。看來可以做的事也不少了...
3.
在之前的Po文中( [Arduino] 解決RS-232轉TTL的邏輯反向問題 (亂碼問題) )，獻慶猜到了反向邏輯的某些解決方式。不過當時沒有辦法去看到實際訊號，來進行驗證。
這次的測試給足了驗證機會。
4.
很多時候，儀器設備是不會完美的。這次量測時，由於探棒只有一根，沒辦法同時顯示UART跟經過轉換後的RS-232兩組訊號。
沒有兩根探棒 那就分開量測，還是可以有一定的效果。
當然，有兩根會更棒，也許可以看到兩組訊號間的延遲狀況。
5.
由沒有license，無法開啟示波器的序列訊號分析功能，所以應用更多示波器的基本功，也學到更多。
這台示波器有分析UART跟RS-232的功能，只是需要license。原廠的說明如下:
To complete this lab, your scope must be licensed with the RS232/UART trigger and decode option (Option COMP).
但在沒用這些延伸功能的狀況下，仍然應用基本功量得訊號，也成功進行分析。
這樣反而對示波器的基本操作更扎實，而且對於訊號結構及解碼有更深入的理解。賺到! ^_^
 |
| 原廠示範UART跟RS-232的訊號分析功能。 |
感謝
感謝好友阿峪提供示波器，讓獻慶有機會來自己做測試，看到UART跟RS-2322的實際波型，並解決開發上的困擾。
感謝超倍能科技林榮豐董事長鼎力相挺，提供獻慶許多資源與時間去學習示波器，練習解碼，達成開發案的完成。
感謝楊孝文老師，提供許多開發上的硬體，還有點子。
感謝羅彥凱，討論研發過程。
相關Po文
RS-232反向問題
示波器學習
Arduino
相關連結
Bit Numbering
Electronic – UART in the code transmits a character, yet on the oscilloscope I find it gave me another signal
What's the difference between MSB and LSB?
SERIAL DATA TRANSMISSION
GOOD! ^_^
回覆刪除