<h1>第11届立创电子设计大赛 — 项目提交文档</h1> <p>> 项目名：万用总线调试分析仪（Universal Bus Debug Analyzer） > 主控：CH32H417 > 赛道：自主创新赛道</p> <hr> <h2>1、项目功能介绍</h2> <h3>1.1 问题背景</h3> <p>在嵌入式开发、硬件调试、工业自动化及电子DIY过程中，工程师和开发者需要频繁与各类通信总线打交道：USART串口、IIC、SPI、CAN、以太网、Modbus等。当前市场现状存在以下痛点：</p> <ul> <li><strong>工具分散</strong>：SPI调试器、CAN分析仪、IIC主机、串口助手、示波器、Modbus模拟工具等各自独立，每次调试需要携带多种设备和多条USB线；</li> <li><strong>软件割裂</strong>：不同协议对应不同上位机软件，界面风格不一、操作逻辑各异，学习成本高；</li> <li><strong>验证缓慢</strong>：传统调试流程需要反复烧录固件、修改代码、观察现象，缺乏快速验证外设功能和总线通信的手段；</li> <li><strong>便携性不足</strong>：传统调试工具体积大、依赖电脑USB供电，现场调试不便。</li> </ul> <p>本项目旨在<strong>用一套硬件 + 一款上位机，解决所有常见总线调试与分析需求</strong>，实现"一机在手，总线无忧"。</p> <h3>1.2 核心功能</h3> <p>本项目以沁恒 CH32H417（RISC-V 架构，480MHz 主频）为核心，设计了一款高度集成的多协议调试分析仪。硬件对外引出丰富的数字接口与模拟采样通道，所有数据通过 <strong>USB 3.0 高速接口</strong> 实时传输至手机或电脑端上位机，由上位机统一完成数据解析、波形显示、协议解码与逻辑分析。</p> <h4>硬件接口（数字与模拟通道）</h4> <table> <tr> <th>接口</th> <th>数量</th> <th>功能说明</th> </tr> <tr> <td>USART</td> <td>4路</td> <td>全双工串口，支持多种波特率，可独立工作</td> </tr> <tr> <td>IIC</td> <td>1路</td> <td>主/从模式可配置，支持标准/快速模式（100K/400K）</td> </tr> <tr> <td>SPI</td> <td>1路</td> <td>主/从模式，支持4种时钟相位极性配置</td> </tr> <tr> <td>QSPI</td> <td>1路</td> <td>用于高速Flash/显示屏等外设调试，支持四线模式</td> </tr> <tr> <td>CAN</td> <td>1路</td> <td>支持CAN 2.0B，可配置波特率125K\~1Mbps</td> </tr> <tr> <td>以太网</td> <td>1路</td> <td>10/100M自适应，用于网络协议调试与Modbus TCP</td> </tr> <tr> <td>低速ADC</td> <td>2路</td> <td>12位分辨率，采样速率5Msps，支持双ADC同步转换模式，用于双通道示波器与传感器测量</td> </tr> <tr> <td>高速ADC</td> <td>1路</td> <td>10位分辨率，采样速率20Msps，用于高速瞬态信号捕获与单通道高带宽分析</td> </tr> <tr> <td>DAC</td> <td>2路</td> <td>12位分辨率，支持任意波形输出与固定电平生成，用于信号源模拟与闭环验证</td> </tr> <tr> <td>GPIO</td> <td>8路</td> <td>上位机可独立配置每路高低电平输出或输入状态，支持电平触发中断上报；4路支持PWM输出，用于外设驱动快速验证</td> </tr> <tr> <td>PWM</td> <td>4路</td> <td>上位机可配置频率（1Hz\~10MHz）与占空比（0\~100%），支持互补输出与死区控制</td> </tr> <tr> <td>USB 3.0</td> <td>1路</td> <td>高速数据上行通道，实时传输所有数字与模拟数据</td> </tr> <tr> <td>UHSIF</td> <td>16路</td> <td>沁恒H417专用高速接口，支持1.2V-5V逻辑电平自适应，最高200MHz连续采样，用于高速逻辑分析仪与数字信号捕获</td> </tr> <tr> <td>USB PD</td> <td>1路</td> <td>CH32H417内置PD PHY，支持Type-C PD 3.0供电协议，设备可接受最高120W PD输入，实现大功率自供电</td> </tr> <tr> <td>数字可调电源</td> <td>1路</td> <td>基于PD输入+可控DCDC，输出0-20V可调电压（最大3A），支持恒压/恒流模式，用于给被测设备供电与快速验证</td> </tr> </table> <h4>上位机功能（电脑端/手机端）</h4> <ul> <li><strong>实时示波器</strong>：两路12位ADC（5Msps）同步采样数据通过USB3.0实时上传，配合1路10位高速ADC（20Msps）实现单通道高带宽捕获；上位机渲染波形，支持时基调节、触发模式、光标测量；10位高速ADC模式可捕获高达数MHz的瞬态信号；</li> <li><strong>数字滤波器</strong>：可选低通/高通/带通/陷波滤波器，对采样信号进行实时数字滤波处理，辅助分析噪声与信号质量；</li> <li><strong>串口助手</strong>：解析3路USART数据（第4路用于Modbus），支持HEX/ASCII显示、数据发送、日志保存、自动回复脚本；</li> <li><strong>IIC调试助手</strong>：支持IIC设备扫描、寄存器读写、批量数据传输、时序波形可视化；</li> <li><strong>SPI调试助手</strong>：支持SPI Flash编程、寄存器读写、数据收发、时钟极性相位配置、MOSI/MISO波形对齐显示；</li> <li><strong>CAN总线分析</strong>：支持报文实时监听、ID过滤、DBC协议解码、发送单帧/周期帧、总线负载统计；</li> <li><strong>Modbus模拟器</strong>：以太网+1路UART复用，支持 <strong>Modbus RTU（485）</strong> 和 <strong>Modbus TCP</strong> 两种模式，可配置为<strong>主站（Master）或</strong>从站（Slave），用于工业设备通信调试与协议验证；</li> <li><strong>GPIO控制与PWM输出</strong>：上位机可独立配置8路GPIO的高低电平输出或输入模式，实时读取电平状态；4路PWM支持上位机动态调节频率与占空比，可用于驱动电机、LED调光、舵机控制等外设快速验证；</li> <li><strong>UHSIF高速逻辑分析仪</strong>：16路UHSIF通道支持最高200MHz连续采样率，支持1.2V-5V逻辑电平自适应，兼容USB3.0与USB2.0模式；上位机支持波形显示、边沿触发、协议解码（UART/SPI/IIC/CAN等）、多通道对比分析、总线状态分析，可直接观察高速通信总线的真实物理层时序，验证协议正确性；USB3.0模式下16路200MHz连续采样时间仅受PC内存限制；</li> <li><strong>数字可调电源</strong>：基于CH32H417内置PD PHY和外部可控DCDC，实现0-20V数字可调电压输出（最大3A），支持恒压/恒流模式；上位机实时显示输出电压、电流、功率，支持电压/电流设定与过流/过压/短路保护；可直接为被测设备供电，无需额外携带电源适配器，特别适合现场调试与外设快速验证；</li> <li><strong>DAC信号发生器</strong>：两路12位DAC支持上位机输出任意波形（正弦、方波、三角波、锯齿波、自定义波形）或固定直流电平，可作为模拟信号源用于被测电路激励与响应测试；配合两路12位低速ADC实现信号输入-输出闭环验证；</li> <li><strong>双示波器模式</strong>：两路12位ADC（5Msps）用于常规双通道示波器，兼顾精度与带宽；1路10位高速ADC（20Msps）用于单通道高速捕获，支持数MHz信号实时分析；上位机可灵活切换"双通道12位模式"与"单通道10位高速模式"；</li> <li><strong>数据录波与回放</strong>：支持将总线通信数据、ADC波形与DAC输出波形同步录制保存，事后离线回放分析；</li> <li><strong>跨平台支持</strong>：电脑端（Windows/Linux/macOS）与手机端（Android/iOS）均提供上位机软件，USB3.0 Type-C接口即插即用。</li> </ul> <h3>1.3 技术创新点</h3> <ol> <li><strong>高度集成化</strong>：单颗CH32H417 MCU驱动10+路数字接口 + 2路12位ADC（5Msps）+ 1路10位高速ADC（20Msps）+ 2路12位DAC + USB3.0，通过精细的DMA调度与中断优先级管理，实现多总线、多模拟通道并发工作不丢包；三通道ADC总采样数据率达30Msps，总上行带宽约320Mbps，USB3.0提供充足余量；</li> <li><strong>USB3.0实时数据流</strong>：突破传统USB2.0串口桥的带宽瓶颈，所有通道数据以自定义协议帧打包上行，支持高带宽ADC采样流、DAC波形数据下发与多路串口数据并发传输；</li> <li><strong>协议解析上移</strong>：硬件仅负责信号采集与原始数据打包，所有协议解码、波形渲染、滤波算法、Modbus状态机、DAC波形生成均运行在上位机端，充分利用电脑/手机的算力，降低硬件成本；</li> <li><strong>Modbus双模式模拟</strong>：同时具备Modbus RTU（485）和Modbus TCP主/从站模拟能力，一台设备即可替代传统Modbus Poll/Slave软件 + 485转换器 + 以太网调试工具的组合；</li> <li><strong>AI外设智能调试</strong>：上位机预留AI接入接口，用户可通过自然语言指令（如"设置SPI时钟为8MHz，读取0x00寄存器"、"生成1KHz 50%占空比PWM"、"DAC输出2V正弦波"）直接调用设备的全部外设进行实时调试。AI将指令解析为USB协议帧下发至硬件执行，并返回结果，实现"一句话调试"，大幅加速验证流程；</li> <li><strong>UHSIF高速逻辑分析仪</strong>：利用CH32H417专用UHSIF接口实现16通道200MHz连续采样，支持1.2V-5V逻辑电平自适应，无需FPGA即可达到传统FPGA逻辑分析仪的性能水平。配合USB3.0 5Gbps带宽，连续采样时间仅受PC内存限制，实现"纯MCU方案，极致性价比"；上位机支持边沿触发、协议时序解码、总线状态分析，直接观察高速通信总线的物理层时序；</li> <li><strong>数字可调电源集成</strong>：基于CH32H417内置USB PD PHY，设备支持Type-C PD 120W输入自供电，同时通过可控DCDC对外输出0-20V数字可调电压（最大3A）。上位机实时控制电压/电流设定，支持恒压/恒流模式与多重保护，为被测设备提供一站式供电解决方案，无需额外携带电源适配器，极大提升现场调试便携性；</li> <li><strong>软件定义仪器</strong>：硬件是统一的"信号前端"，功能由上位机软件定义。用户可在同一界面切换串口/示波器/逻辑分析仪/CAN/Modbus/GPIO/PWM/DAC信号源/数字可调电源等不同模式，体验一致、无需换设备。</li> </ol> <h3>1.4 应用场景</h3> <ul> <li>嵌入式开发工程师调试MCU外设（串口、IIC、SPI、CAN）；</li> <li>工业自动化工程师调试PLC、传感器、变频器（Modbus RTU/TCP）；</li> <li>汽车电子工程师分析CAN总线报文；</li> <li>电子爱好者/学生学习总线协议、观察信号波形；</li> <li>产线测试人员快速验证通信模块功能；</li> <li>高校实验室作为教学实验仪器，替代昂贵的专用设备。</li> </ul> <hr> <h2>2、项目属性</h2> <ul> <li><strong>首次公开</strong>：是，本项目为首次公开发布；</li> <li><strong>原创声明</strong>：本项目硬件电路、单片机固件架构、USB数据协议帧格式、上位机软件界面与功能逻辑均为团队原创设计；</li> <li><strong>是否获奖</strong>：否，本项目未曾在任何其他比赛中获奖；</li> <li><strong>学校答辩</strong>：否，本项目未在学校参加过答辩；</li> <li><strong>核心与辅助功能界定</strong>： <ul> <li><strong>核心功能</strong>：硬件电路（原理图、PCB）、单片机固件（多总线调度、DMA管理、USB3.0协议栈、ADC采样驱动）。若删除这些，项目无法完成任何总线调试与信号采集，失去存在意义；</li> <li><strong>辅助功能</strong>：上位机软件（电脑端/手机端APP）。上位机负责数据解析与界面展示，删除后硬件仍可独立采集数据，只是缺少可视化界面。根据大赛规则，上位机属于辅助功能，可不开源。</li> </ul></li> </ul> <hr> <h2>3、开源协议</h2> <p>本项目采用 <strong>GPL 3.0（GNU General Public License v3.0）</strong> 开源协议。</p> <h3>开源范围</h3> <ul> <li><strong>开源部分（核心功能）</strong>： <ul> <li>硬件原理图与PCB工程文件（嘉立创EDA格式）；</li> <li>单片机固件全部源码（基于沁恒CH32H417，RISC-V架构）；</li> <li>固件与上位机之间的USB通信协议帧格式文档；</li> <li>硬件BOM清单及焊接调试指南；</li> <li>开源比例：项目核心功能开源超过90%。</li> </ul></li> <li><strong>非开源部分（辅助功能）</strong>： <ul> <li>电脑端上位机软件（Windows/Linux/macOS）；</li> <li>手机端APP（Android/iOS）；</li> <li>上位机内部的协议解码算法、数字滤波器实现、Modbus状态机、UI界面代码。这些属于辅助功能，不影响硬件设备独立运行，未予开源。</li> </ul></li> </ul> <h3>引用说明</h3> <ul> <li>本项目单片机固件基于沁恒官方 CH32H417 标准库开发，严格遵循官方开源协议；</li> <li>未直接引用任何第三方开源项目的原电路或原代码作为核心功能实现；</li> <li>所有外部参考（如Modbus协议规范、CAN总线标准）均已在文档中标注来源。</li> </ul> <h3>二次开发要求</h3> <p>任何个人或团队基于本项目进行二次修改或分发，须沿用 GPL 3.0 协议保持开源，并明确标注原项目出处及作者信息。如需将本项目用于闭源商业产品，请联系作者获取商业授权。</p> <hr>