第 15 章　通訊協定與邏輯分析儀

本章目標

學完這一章，你會：

• 說出晶片之間為什麼要「講話」，以及序列與並列傳輸的差別。
• 畫出 UART 一個字元的波形：閒置、起始位元、8 個資料位元、停止位元，並算出 9600 鮑率下每個位元有多長。
• 解釋 I2C 的 SDA/SCL、位址、主從，以及 START、ACK、STOP 在波形上長什麼樣。
• 安裝 PulseView、接上 USB 邏輯分析儀、設定取樣率、加上解碼器，把 Arduino 送出的 “Hello” 和 OLED 的位址 0x3C 從波形裡「翻譯」出來。
• 說出示波器和邏輯分析儀各自擅長什麼。

開場：Arduino 跟電腦是怎麼「講話」的？

前面幾章你一直在用 Serial.println() 把數字印到電腦畫面上。你有沒有想過，Arduino 和電腦之間只有一條 USB 線，這條線裡面到底發生了什麼事？Arduino 又不會打字，它怎麼把「Hello」這五個字母送過去？

答案是：它只會送 0 和 1。Arduino 把每一個字母拆成 8 個 0/1，用一條線、按照講好的速度、一個接一個地送出去。電腦照同樣的速度接收，再拼回字母。這種「事先講好的規則」叫做通訊協定（Protocol），就像兩個人要通電話，得先講好用什麼語言、講多快。

同樣的事情也發生在 Arduino 和 OLED 螢幕之間、和溫濕度感測器之間、ESP32 和 Wi-Fi 晶片之間。只要兩顆晶片要交換資料，就一定有一套協定。

問題是，這些 0 和 1 跑得太快了，示波器看得到波形但很難一個一個數。這一章我們要拿出新工具：邏輯分析儀。它能一次錄下好幾條線上的 0 和 1，然後自動幫你翻譯成字母和數字。你會親眼看到 “Hello” 從一堆方波裡跳出來。

核心概念

序列與並列：一條線排隊走，還是八條線一起走

要送一個 8 位元的數字（例如字母 H = 01001000），有兩種方法：

• 並列（Parallel）：用 8 條線，每條線負責一個位元，一次全部送出去。快，但線很多。
• 序列（Serial）：只用 1 條線，8 個位元排隊、一個一個送。線少，但要花 8 倍時間。

就像 8 個人要過一道門：並列是開 8 道門同時走，序列是只開 1 道門排隊走。現代的晶片幾乎都用序列，因為線少、便宜、不容易出錯，而且反正晶片跑得夠快。本章的 UART、I2C、SPI 全都是序列通訊。

UART：最老也最簡單的講話方式

UART（Universal Asynchronous Receiver-Transmitter，通用非同步收發器） 就是 Arduino 和電腦之間用的協定。它只需要兩條線：

• TX（Transmit）：送資料出去。UNO 的 TX 是 D1。
• RX（Receive）：接資料進來。UNO 的 RX 是 D0。

一方的 TX 接另一方的 RX，交叉接，而且兩邊 GND 要接在一起。

UART 沒有時脈線，所以雙方必須事先講好速度，這個速度叫鮑率（Baud Rate），單位是「每秒幾個位元」。Serial.begin(9600) 的 9600 就是鮑率：每秒送 9600 個位元，所以每個位元持續：

1 秒 ÷ 9600 = 0.000104 秒 ≈ 104µs

一個字元怎麼送？規則是這樣（最常見的「8N1」格式）：

1. 沒事的時候線上保持 HIGH（閒置）。
2. 要送字元了，先把線拉 LOW 一個位元的時間，這叫起始位元（Start Bit），通知對方「要開始了」。
3. 接著送 8 個資料位元，而且是最低位元（LSB）先送。
4. 最後把線拉 HIGH 一個位元的時間，這是停止位元（Stop Bit），然後回到閒置。

所以一個字元總共 1 + 8 + 1 = 10 個位元，在 9600 鮑率下要花 10 × 104µs ≈ 1.04ms。Serial.println("Hello") 會送 H、e、l、l、o 再加換行的 \r 和 \n，共 7 個字元，大約 7.3ms。

來畫字母 H 的波形。H 的 ASCII 碼是 0x48，二進位是 0100 1000（從高位 b7 寫到低位 b0）。LSB 先送，所以送出的順序是 b0 到 b7：0、0、0、1、0、0、1、0。

HIGH ────┐               ┌───┐       ┌───┐   ┌─────────
         │               │   │       │   │   │
LOW      └───┴───┴───┴───┘   └───┴───┘   └───┘
   閒置  起始 b0  b1  b2  b3  b4  b5  b6  b7 停止  閒置
          0   0   0   0   1   0   0   1   0   1
         ◄──►
        104µs（9600 鮑率）
         ◄───────────────────────────────────►
                   10 個位元 ≈ 1.04ms

讀的那一方看到線從 HIGH 掉到 LOW，就知道起始位元來了，然後每隔 104µs 偷看一次線的狀態，連看 8 次，就得到 8 個位元，再倒過來排就是 0x48 = H。

如果兩邊鮑率不同會怎樣？送的人每 104µs 送一個位元，收的人卻每 8.7µs 看一次（115200 鮑率），看到的全是錯的，畫面上就會出現一堆亂碼。這就是為什麼序列埠監控視窗右下角的速度一定要和程式一樣。

I2C：兩條線接一堆裝置

UART 只能兩個人講話。如果 Arduino 要同時跟 OLED、溫度感測器、時鐘晶片講話，每個都要兩條線，腳位很快就不夠用。I2C（Inter-Integrated Circuit） 解決這個問題：只用兩條線，就可以接很多裝置。

• SDA（Serial Data）：資料線。UNO 是 A4。
• SCL（Serial Clock）：時脈線。UNO 是 A5。

I2C 有時脈線，所以不需要事先講好速度，SCL 每跳一下，SDA 上就是一個位元。Arduino 的 Wire 函式庫預設 SCL 是 100kHz（每個位元 10µs），很多函式庫會加快到 400kHz。

這麼多裝置共用兩條線，怎麼知道在跟誰講？每個裝置有一個 7 位元的位址（Address），像門牌號碼。我們的 0.96 吋 OLED（SSD1306）位址是 0x3C。發話的那一方叫主機（Master），通常是 Arduino；被叫到的叫從機（Slave），例如 OLED。只有主機可以主動開口。

一次完整的 I2C 對話長這樣：

1. START：SCL 是 HIGH 的時候，SDA 從 HIGH 掉到 LOW。這個組合平常不會出現，所以大家一看就知道「有人要講話了」。
2. 主機送 7 位元位址 + 1 個讀寫位元（0 = 寫，1 = 讀），高位元先送（和 UART 相反）。
3. ACK（Acknowledge）：第 9 個時脈時，被叫到的從機把 SDA 拉 LOW，表示「有，我在」。沒人回應的話 SDA 保持 HIGH，叫 NACK。
4. 主機送一個或多個資料位元組，每個後面都有一個 ACK。
5. STOP：SCL 是 HIGH 的時候，SDA 從 LOW 升回 HIGH，結束對話。

          START   A6  A5  A4  A3  A2  A1  A0  W   ACK     STOP
SCL  ──────────┐   ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐    ┌─────
               └───┘ └─┘ └─┘ └─┘ └─┘ └─┘ └─┘ └─┘ └─┘ └────┘
SDA  ────────┐          ┌───────────────┐                  ┌───
             └──────────┘               └──────────────────┘
               ↑        0   1   1   1   1   0   0   0  (從機拉低)  ↑
            SCL 高時     ◄──────── 0x3C ────────►  寫        SCL 高時
            SDA 下降                                       SDA 上升

位址 0x3C 的二進位是 011 1100（7 位元），後面接一個 0（寫），所以 SDA 上依序是 0、1、1、1、1、0、0、0。有個小陷阱：有些工具會把這 8 個位元當成一個位元組來顯示，變成 0111 1000 = 0x78。看到 0x78 不要慌，它就是 0x3C 往左移一位加上寫入位元。

為什麼 SDA 和 SCL 要上拉電阻（Pull-up Resistor）？因為 I2C 的裝置只會「把線拉 LOW」或「放手」，沒有人會主動把線推 HIGH；放手的時候要靠上拉電阻把線拉回 HIGH。通常用 4.7kΩ 接到 5V。好消息是大部分 OLED 模組板上已經焊好上拉電阻，直接接就能用。

SPI：更快，但線更多

SPI（Serial Peripheral Interface） 是第三種常見協定，用 4 條線：MOSI（主機送出）、MISO（主機接收）、SCK（時脈）、CS（選擇哪個裝置）。它比 I2C 快很多（幾 MHz 到幾十 MHz），SD 卡、很多大螢幕都用它，但每多一個裝置就要多一條 CS 線。本書不做 SPI 實驗，知道有這東西就好。

邏輯分析儀：只看 0 和 1 的多通道錄音機

邏輯分析儀（Logic Analyzer） 和示波器一樣是用來看訊號的，但它們的想法完全不同：

一句話：示波器告訴你訊號「長得怎樣」，邏輯分析儀告訴你訊號「在說什麼」。看 PWM、電容充放電用示波器；看 UART、I2C 用邏輯分析儀。

我們用的 USB 邏輯分析儀有 8 個通道（CH0–CH7）加 GND，最高取樣率 24MHz，搭配免費軟體 PulseView。它只能接 0–5V 的訊號，Arduino 的 5V 和 ESP32 的 3.3V 都可以。

取樣率（Sample Rate） 是邏輯分析儀每秒看幾次訊號。取樣率至少要是訊號速度的 10 倍以上，不然位元的邊界會不準：

• UART 9600 鮑率 → 用 1MHz（是 9600 的 100 倍，綽綽有餘）。
• I2C 100kHz → 用 4MHz 以上；Adafruit 的 OLED 函式庫會把 I2C 加快到 400kHz，所以保險起見用 8MHz。

動手做

實驗 15-1：錄下 “Hello”，用邏輯分析儀解碼

材料

• Arduino UNO 與 USB 線
• USB 邏輯分析儀（8 通道）與它附的杜邦線（母母）
• 電腦（已安裝 Arduino IDE）

接線

 邏輯分析儀 CH0 ──── Arduino D1（TX）
 邏輯分析儀 GND ──── Arduino GND

• 邏輯分析儀 CH0 → Arduino D1（印著 TX→ 的那隻腳）
• 邏輯分析儀 GND → Arduino GND（一定要接，不接的話完全錄不到東西）
• 邏輯分析儀的 USB 接電腦；Arduino 的 USB 也接電腦，兩條都要插。

步驟（安裝 PulseView）

1. 到 sigrok.org 的 Downloads 頁面下載 PulseView，Windows 選 .exe 安裝檔，Mac 選 .dmg。
2. Windows 第一次接邏輯分析儀要裝驅動：安裝程式會附一個叫 Zadig 的小工具，打開它，從裝置清單選你的邏輯分析儀（通常叫「USB Logic」或「Unknown Device」），右邊驅動選 WinUSB，按 Install。Mac 不用這一步。
3. 打開 PulseView，上方工具列按「選擇裝置」（看起來像一個插頭的按鈕，或寫著 No Device）→ Connect to Device → 驅動選 fx2lafw（這是這類便宜分析儀共用的驅動）→ 介面選 USB → Scan for devices → 清單出現你的分析儀 → 選它 → OK。
4. 畫面左邊會出現 D0 到 D7 八條通道。右上角有兩個下拉選單：**取樣數（samples）**設 1 M samples，取樣率設 1 MHz。這樣會錄 1 秒鐘。

步驟（錄訊號） 5. 上傳這個程式到 Arduino：

void setup() {
  Serial.begin(9600);          // 鮑率 9600，每個位元 104µs
}

void loop() {
  Serial.println("Hello");     // 送 H e l l o 加上 \r \n，共 7 個字元
  delay(500);                  // 每 0.5 秒送一次
}

6. 在 PulseView 按左上角的 Run。等它跑完（約 1 秒），畫面上 D0 會出現幾團密密麻麻的方波，每團相隔 0.5 秒。
7. 用滑鼠滾輪放大其中一團，你會看到 7 個字元、每個 10 個位元的方波。再放大，單一個位元的寬度大約是 104µs，PulseView 上方的時間尺會顯示。
8. 加解碼器：按工具列上「Add protocol decoder」（一個黃綠色標籤的按鈕）→ 在搜尋框打 UART → 雙擊它。畫面下方會多一列叫 UART 的軌道。
9. 點那一列最左邊的「UART」標籤，會跳出設定：RX 選 D0（我們接在 CH0），Baud rate 填 9600，Data bits 8、Parity none、Stop bits 1，Data format 選 ascii。關掉設定視窗。
10. 再看那一團方波，解碼軌道上會依序出現 H、e、l、l、o，然後是 \r（顯示 CR 或 0x0D）和 \n（LF 或 0x0A）。

步驟（改鮑率看變化） 11. 把程式的 9600 改成 115200，重新上傳，再按一次 Run。 12. 這時解碼器還設在 9600，你會看到它解出一堆亂七八糟的符號，甚至出現「frame error」。這就是鮑率不合的樣子。 13. 把解碼器的 Baud rate 改成 115200，字母又回來了。用滑鼠放大比較：每個位元只剩約 8.7µs，整個 “Hello” 縮短到不到 1ms。

你應該看到 9600 鮑率時，每個字元約 1.04ms，7 個字元約 7.3ms，解碼軌道顯示 Hello。115200 鮑率時波形密了 12 倍，用錯的鮑率解碼會是亂碼。

觀察與記錄

實驗 15-2：偷聽 Arduino 跟 OLED 講話，找到 0x3C

材料

• Arduino UNO 與 USB 線
• 0.96 吋 OLED（SSD1306，I2C 介面，4 腳：GND、VCC、SCL、SDA）
• USB 邏輯分析儀與杜邦線
• 麵包板、杜邦線（公母）

接線

 Arduino 5V  ──── OLED VCC
 Arduino GND ──── OLED GND
 Arduino A4  ──┬─ OLED SDA
               └─ 邏輯分析儀 CH0
 Arduino A5  ──┬─ OLED SCL
               └─ 邏輯分析儀 CH1
 Arduino GND ──── 邏輯分析儀 GND

• OLED VCC → Arduino 5V（大部分模組 3.3–5V 都可以，看模組印刷）
• OLED GND → Arduino GND
• OLED SDA → Arduino A4；同一條線再分一條到邏輯分析儀 CH0
• OLED SCL → Arduino A5；同一條線再分一條到邏輯分析儀 CH1
• 邏輯分析儀 GND → Arduino GND
• 用麵包板最方便：把 A4 拉到麵包板某一列，OLED 的 SDA 和分析儀 CH0 都插同一列；A5 同理。

步驟

1. 安裝函式庫：函式庫管理員搜尋 Adafruit SSD1306 安裝，它會問要不要一起裝 Adafruit GFX Library 和 Adafruit BusIO，選「全部安裝」。
2. 上傳這個程式：

#include <Wire.h>                 // I2C 函式庫
#include <Adafruit_GFX.h>         // 畫圖函式庫
#include <Adafruit_SSD1306.h>     // OLED 驅動

#define SCREEN_WIDTH 128          // OLED 寬 128 點
#define SCREEN_HEIGHT 64          // OLED 高 64 點
#define OLED_ADDRESS 0x3C         // I2C 位址，等一下要在分析儀上找到它

Adafruit_SSD1306 display(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT, &Wire, -1);

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  if (!display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, OLED_ADDRESS)) {
    Serial.println("找不到 OLED，檢查接線與位址");
    while (true);                 // 停在這裡
  }
  display.clearDisplay();         // 清空畫面
  display.setTextSize(2);         // 字放大 2 倍
  display.setTextColor(SSD1306_WHITE);
  display.setCursor(0, 0);
  display.println("Hello");       // 寫字到記憶體
  display.display();              // 真的送到螢幕（這裡會有一大串 I2C）
}

void loop() {
  delay(1000);
  display.invertDisplay(true);    // 反白：只送一個很短的 I2C 命令
  delay(1000);
  display.invertDisplay(false);   // 恢復：再送一個短命令
}

3. OLED 上應該出現大大的 Hello，而且每秒反白一次。如果沒有，先看序列埠監控視窗有沒有印「找不到 OLED」。
4. PulseView：取樣率改成 8 MHz，取樣數 10 M samples（大約錄 1.25 秒）。按 Run。
5. 畫面上 D0（SDA）和 D1（SCL）每隔 1 秒會出現一小團方波，那就是 invertDisplay() 送出的命令。放大其中一團。
6. 加解碼器：Add protocol decoder → 搜尋 I2C → 雙擊。點 I2C 標籤設定：SCL 選 D1，SDA 選 D0。
7. 解碼軌道會依序顯示：Start → Address write: 3C → ACK → Data write: 00 → ACK → Data write: A7（反白）或 A6（恢復）→ ACK → Stop。
8. 把游標放在 SCL 的兩個上升緣之間，量一個時脈週期，算算看 I2C 跑多快。
9. 想看更長的對話：按 Arduino 的 Reset 鍵同時按 Run，錄到開機時 display.begin() 和 display.display() 送出的一長串初始化命令和 1024 個位元組的畫面資料。

你應該看到 每一次 I2C 對話都是先 Start、位址 3C、寫入，從機 ACK，接著是 00（意思是「後面是命令」），然後是命令本身，最後 Stop。SCL 的週期約 2.5µs（400kHz）。如果你的解碼器把位址顯示成 78，去 I2C 解碼器設定裡把 Address format 改成 unshifted（未位移）就會變成 3C。

觀察與記錄

用儀器看看

用示波器看 UART，和邏輯分析儀比一比

同一個 “Hello” 訊號，我們也用示波器看一次，體會兩種儀器的差別。

• 接線：CH1 探棒鉤在 Arduino D1（TX），接地夾夾 GND，探棒 10×。上傳實驗 15-1 的 9600 程式。
• 設定：耦合 DC；垂直 2V/div；水平 100µs/div，這樣 10 個位元（1.04ms）剛好橫跨 10 格；觸發選 CH1、下降緣（Falling）、準位 2.5V；模式選 單次（Single），因為訊號 0.5 秒才來一次，用單次才能把它凍結在畫面上。
• 按 Single，等 Arduino 送出下一個 Hello，畫面就會停住。

你應該看到：閒置時線在 5V，從左邊第一格開始掉到 0V（起始位元），接著每一格一個位元，最右邊回到 5V。對照本章的 H 波形圖，你應該能自己數出 0、0、0、1、0、0、1、0。但你會發現：方波的角落不是完全直角，電壓也不是剛好 5V 和 0V，可能是 4.9V 和 0.1V，還有一點點小抖動。這些細節邏輯分析儀全部看不到，它只告訴你 0 和 1。

反過來，示波器一次只能看兩條線、畫面只有 10 格，要看完 7 個字元、解出每個字母，你得自己一格一格數。這就是邏輯分析儀的價值：8 條線、錄好幾秒、自動解碼。

用示波器看 I2C 的 SDA 和 SCL

CH1 鉤 SDA（A4）、CH2 鉤 SCL（A5），兩個通道都 2V/div，水平 5µs/div，觸發 CH1 下降緣、單次。你會抓到一次對話的開頭：先看到 CH1（SDA）在 CH2（SCL）還是 HIGH 時掉下來，這就是 START；接著 SCL 開始規律地跳動，SDA 在每個時脈之間切換。用游標量 SCL 兩個上升緣的距離，約 2.5µs，也就是 400kHz。你也會看到 SDA 和 SCL 的上升緣比下降緣「圓」一點，那是因為 HIGH 是靠上拉電阻慢慢拉上去的，而 LOW 是晶片直接拉下來的，這個細節也只有示波器看得到。

常見錯誤與除錯

• PulseView 找不到裝置 → 驅動沒裝（Windows）或選錯驅動 → 用 Zadig 裝 WinUSB；Connect to Device 時驅動選 fx2lafw。
• 按 Run 之後全部通道都是一直線 → 邏輯分析儀的 GND 沒接 Arduino GND，或 CH0 接錯腳 → 檢查 GND 線，TX 是 D1 不是 D0。
• 看得到方波，但解碼器什麼都沒顯示 → 解碼器的通道沒選到 D0，或鮑率填錯 → 點解碼器標籤重新設定。
• 解碼出亂碼或 frame error → 鮑率不合 → 程式和解碼器要一樣（9600 對 9600）。
• 方波看起來歪歪的、位元寬度不整齊 → 取樣率太低 → UART 至少 1MHz，I2C 至少 4MHz（Adafruit 函式庫用 8MHz）。
• I2C 什麼都錄不到 → OLED 沒有回應，Arduino 卡在「找不到 OLED」 → 看序列埠訊息；SDA/SCL 是不是接反（A4 = SDA、A5 = SCL）。
• I2C 位址顯示 78 而不是 3C → 解碼器用「位移」格式顯示 → 設定改成 unshifted，或自己換算：0x78 ÷ 2 = 0x3C。
• 錄到一半 PulseView 說取樣率太高、裝置不支援 → 8 通道全開時最高取樣率會下降 → 在通道設定裡把沒用到的 D2–D7 關掉，只留 D0、D1。
• 示波器用 Auto 模式看 UART 一直閃過去抓不到 → 訊號 0.5 秒才來一次 → 改用 Single（單次）或 Normal（一般）模式，觸發下降緣。

想一想

1. 鮑率 19200 時，一個位元持續多久？一個字元（8N1，10 個位元）要多久？

2. 字母 A 的 ASCII 碼是 0x41 = 0100 0001。用 UART 送出時，起始位元之後的 8 個資料位元依序是什麼？

3. 9600 鮑率下，Serial.println("Hello") 要花約 7.3ms。如果 loop 裡把 delay(500) 拿掉，Arduino 每秒最多能送出幾個 “Hello”？

4. I2C 用 7 位元位址，一條線上最多可以接幾個不同位址的裝置？為什麼實際上接不到那麼多？

5. 為什麼 UART 不需要時脈線，而 I2C 需要？如果 I2C 也拿掉時脈線，會出什麼問題？

6. 開放挑戰：把第 13 章的 DHT11 程式和邏輯分析儀結合。DHT11 的 DATA 腳也是一種序列協定（它用脈波的「寬度」表示 0 和 1，不是 UART）。把 CH0 接到 DATA 腳，錄下一次讀取，試著不用解碼器，自己看出哪些是 0、哪些是 1。提示：DHT11 的規則是每個位元先 LOW 50µs，然後 HIGH 約 26–28µs 代表 0、HIGH 約 70µs 代表 1，總共 40 個位元。

本章小結

• 晶片之間交換資料要靠事先講好的規則，叫通訊協定；現代幾乎都用序列（一條線排隊送）而不是並列。
• UART 用 TX/RX 兩條線交叉接、GND 共地，沒有時脈，雙方要講好鮑率。9600 鮑率每個位元 104µs，一個字元（起始 + 8 資料 + 停止）約 1.04ms，資料位元 LSB 先送。
• I2C 用 SDA/SCL 兩條線接很多裝置，靠 7 位元位址認人（OLED 是 0x3C），有時脈線，SDA/SCL 需要上拉電阻（OLED 模組多半內建）。對話順序：START → 位址 + 讀寫 → ACK → 資料 + ACK → STOP。
• SPI 用 4 條線、速度更快，SD 卡和大螢幕常用。
• 邏輯分析儀只看 0 和 1，但通道多、錄得久、能自動解碼；示波器看真實電壓和波形形狀。看「說了什麼」用邏輯分析儀，看「長怎樣」用示波器。
• PulseView 流程：選裝置（fx2lafw）→ 設取樣率（訊號速度 10 倍以上：UART 用 1MHz、I2C 用 4–8MHz）→ 接 GND 與訊號線 → Run → 加解碼器 → 設通道與參數。
• 鮑率不合就是亂碼；解碼器和程式的設定一定要一樣。

名詞表