【星火计划】ProtoBlade调试终端

ProtoBlade

先看视频：

『⚡ 全功能多协议调试工具！🛠️ 开发者必备的接口分析平台 🔍』

项目简介

ProtoBlade 是一款高集成度、面向开发者的嵌入式协议调试与接口分析平台，采用 MCU 与 FPGA 协同架构，具备协议逻辑可定制、USB 高速传输、IO 多电平支持与多协议复用等关键能力。项目以开源工具链为基础，支持通过软件动态加载协议模块，无需重新烧录固件，即可灵活切换功能，实现“即插即用”的多协议调试体验。

通过标准接口映射和模块化固件设计，ProtoBlade 能够快速适配多种数字通信协议，包括 SPI、I2C、UART、JTAG、SWD、GPIO、PWM、MIDI、I2S 等主流接口，并支持协议之间的动态切换与多任务复用。其开放的硬件设计与上位机控制界面相结合，不仅为嵌入式开发提供高效的调试通道，也为逆向分析和故障测试等复杂任务提供低门槛、高自由度的硬件支持。

项目功能

ProtoBlade 的定位为开发者手中的“协议调试军刀”，同时兼顾性能、保护与灵活性，可广泛应用于硬件调试、原型验证、通信逆向、固件烧录、数据采集、接口注入、协议转换、教学实验等多个技术场景，是嵌入式系统开发、电子设计工程和硬件安全研究的重要辅助工具。

项目参数

模块分类	元器件型号	名称/功能	作用说明	电气特性	设计备注
主控 MCU	CY7C68013A	USB 转 FIFO 控制器	提供 USB 2.0 高速通信接口，负责数据通道控制与设备枚举	支持 USB 2.0 高速（480Mbps）	内部包含 8051 内核，可烧录固件
FPGA 主芯片	iCE40HX8K	可编程逻辑器件	处理所有协议解析与自定义逻辑，支持 SPI/I2C/UART 等协议模块运行	8K LUTs，开放工具链（IceStorm）	使用 SPI Flash 加载 bitstream
电平转换	TXS0108E	8 通道电平转换器	实现任意方向、任意电压（1.2V–5V）之间的IO兼容	支持双向自动感应，支持热插拔	所有协议 IO 经过转换后再输出
电源管理	TPS62160	3.3V 降压稳压器	提供主逻辑供电（3.3V）	输入电压范围宽，效率高	可配合 LDO 提供更低电压
电源管理	AP63203	5V DC/DC 降压芯片	为高电压输入场景提供 5V 输出	3A 输出，适合外围设备供电	可实现 Vin 适配器供电场景
存储（FPGA）	W25Q32JVSIQ	SPI Flash	存储 FPGA 的 bitstream 文件	32Mbit，支持 Quad SPI	开机自动加载
存储（MCU）	W25Q16JVSIQ	SPI Flash	存储 CY7C68013A 的固件镜像	16Mbit，支持标准 SPI	用于免固件加载启动
时钟	晶振 24MHz	系统基准时钟	提供 MCU 与 FPGA 所需外部时钟源	精度常规为 ±20ppm	可替换 TCXO 以提高精度
接口保护	TPD3S014	USB 端口保护 & 电流限流	防止过压/短路，带有过流保护与ESD防护功能	集成过流检测引脚	可断开 USB 电源输出
IO ESD 保护	SP3012-06UTG	IO 端口 TVS 管	吸收瞬态高电压，防止静电打穿	工作电压 5V，响应时间快	所有 IO 输出均加保护
指示灯	0603 LED	状态指示灯	显示电源、数据状态、错误提示等	多色可选，低功耗	软件可控制开关
接口引出	PinHeader	外设接口排针	引出 FPGA 所有 IO，包括 SWD/UART/SPI/GPIO	兼容逻辑分析夹 & 焊接排线	建议标注接口编号
板间通信	GPIO/SWD/UART	调试与二次开发接口	支持连接外部 MCU 或逻辑模块	电平可控	可作为外部设备控制端
USB 接口	Type-C	通信与供电接口	提供 5V 输入与 USB 数据通道	与 PC 直接通信	Type-C 推荐为主接口

原理解析（硬件说明）

1. 电源与供电系统
   主输入：支持 USB 供电（VBUS）与外部 5V 输入，输入通过 TPD3S014（过压/过流保护芯片）和 FB1（铁氧体磁珠） 过滤噪声，确保主电源轨稳定。
   电源管理：
   +5V：USB 直供
   +3.3V：由 TLV75533PDRVR LDO 从 +5V 降压提供，供给主控逻辑与部分 IO
   +1.2V：由 TLV73312PQDRVRQ1 提供，作为 FPGA 内核工作电压
   VIO 输出（可调 IO 电压）：通过 TPS73101DBVR + DAC081C081 构成可编程电压调节电路，DAC 通过 I2C 控制调整反馈电压，实现 0.5V–3.6V IO 电压调节

2. 主控系统（FIFO + FPGA）
   CY7C68013A（USB 控制器）
   作为 USB2.0 高速设备，处理 USB 与 FPGA 之间的数据通道
   其 FIFO 接口连接 FPGA，用于大带宽数据交换
   接入外部 24MHz 晶振，支持 USB 时钟工作
   内部 8051 核心可通过 SPI Flash 启动，也支持 I2C Boot
   含若干标志信号（SLRD, SLWR, FLAGx）与同步接口，驱动外部时序
   Lattice iCE40HX8K（FPGA）
   作为主要逻辑处理平台，完成 SPI、I2C、JTAG、SWD 等协议解析与组合控制
   多个电源域：1.2V 核心、3.3V IO、PLL 独立供电
   配有 SPI Flash 存储配置文件，系统上电自动加载
   CDONE / CRESET_B 等信号连接状态检测和复位逻辑

3. 电平转换 & IO输出结构
   电平转换芯片：SN74LVC1T45DCKR
   多片组成 8 通道双向电平转换阵列，每路配合方向控制引脚（DIRx）
   支持 1.2V–5.5V 电压域转换，适配多种外设标准
   通过配置可作为输出/输入使用，实际控制由 FPGA 完成
   每路均有串联阻值（33Ω）做阻抗匹配与突波吸收
   电压控制：
   IO 电压 VIO 由 DAC + LDO 构成闭环调节系统，输出电压通过 DAC 控制反馈脚动态设定
   可实现动态切换不同逻辑电平，以适配目标设备

4. 接口保护
   USB端口保护：使用 TPD3S014 芯片，集成过压/限流控制，可在短路时自动断电
   TVS阵列（如 SP3012-06UTG）：用于静电保护与外部干扰抑制，保护 IO 接口和 LVDS 接头
   二极管 BAT54CW / SD36：在电源、ESD 敏感位置起钳位与隔离作用

5. 电源监控 & 数模控制
   INA233：I2C 总线电源监测芯片，可实时测量 VBUS 电流、电压，用于系统功耗反馈或报警控制
   DAC081C081：低功耗单通道 DAC，通过 I2C 控制可调 IO 电压
   PCA6408A：I2C IO 扩展器，用于控制状态灯、电源开关、功能模块电平等

6. 状态指示
   多颗 LED 状态灯（0603贴片，含白/红/蓝/绿），对应功能：
   CY_READY（USB主控就绪）
   FPGA_READY（FPGA配置完成）
   ERR_LED（出错指示）
   ACT_LED（活动状态）
   通过 IO 控制，反映系统工作状态，支持Cli同步显示

7. 测试点与调试接口
   TP 分布于关键信号线上，方便示波器或逻辑分析仪探测
   接口引出使用标准插针，支持 SWD / UART / GPIO 等扩展模块连接
   RESET 按钮 + 上电检测电路：实现外部手动复位、上电复位延迟、电源掉电检测功能，增强稳定性

8. 扩展 & 高速接口模块
   LVDS IO阵列：用于高速串行信号交互（如 JTAG、I2S、MIPI 等），具备对称差分设计
   LVDS 接头带屏蔽设计，并附 ESD 保护与终端匹配说明
   可根据 FPGA Bitstream 更换协议支持（如用于逻辑分析、时序捕获、ADC前端等）
   后续可能会出扩展模块 OwO..此处先留坑

注意事项

• 下单推荐勾选阻抗100Ω工艺
• 虽然各个接口都增加了相关防护措施，但仍然禁止上电时热插拔和手动触摸引脚
• 严禁短路使用（这里我指的是IO配置短路）我当然知道你们不会用它点燃烟花电路玩啦(#^.^#)
• 带有 (Preview) 尾缀的功能属于预览版测试阶段，可能存在严重的不稳定性。请勿在真实硬件上轻易使用这些功能，否则可能会造成硬件永久损坏。 使用这些功能所带来的风险，完全由使用者自行承担。
• 再次强调：VIO接口支持电平最高为5V 不要超压使用（使用不支持5V电平的操作 如：操作RS232协议的功能，必须额外添加电平转换电路） 错误使用这些功能所带来的后果，完全由使用者自行承担。
• 想到什么再补充吧

组装流程

如按复刻成本中的3D打印方案需要下单前先手动编辑文件给壳盖打几个透光孔

我找了一圈实在是找不到这种紧凑的立式导光柱 so.透明探索版外壳YYDS (#^.^#)

我贴片时选的按键按钮有点长，按键部分按需选择（过长会导致装配时出现小麻烦）

欢迎大佬评论区交流装配经验

板子收到后实物是这样的：↓（人工掰去工艺边即可）不要大力出奇迹

由于创子的铝壳找不到合适的公模壳子，这次的外壳采用透明打印＋亚克力面板的组合方式：↓

将面板对齐外壳顶盖直接粘上去就行了（我选的防水背胶款，透明度有点不透明）

装入PCB的时候需要注意：先装按键和Type-C部分，然后按下去就好了（不要大力出奇迹）

另外的另外：四个固定脚如果不能严丝合缝需要手工剪去俩（推荐剪去靠近Type-C的那俩）不要一次性剪到位，最后还要对角拧螺丝

成品颜值棒棒哒：

软件说明

：当前此软件运行方式仅为Windows端Cli（上手会有一定使用难度）
同时，如果想得到更深入使用体验需要学习一下oss-cad-suite这套工具和MSYS2的Gtkwave软件
软件会分发两个版本，小尺寸适合run，文件小，速度快；大尺寸为全功能程序，里面打包了FPGA工具链相关内容，可以执行build命令（具体玩法大家可以自行挖掘）

软件下载链接

目前的使用流程

0. 大前提： 电脑中需要配置好oss-cad-suite环境，系统变量中这两个环境置顶：（lib先bin后）：oss-cad-suite\lib、oss-cad-suite\bin。（路径为本地真实路径即可）
1. 新建环境变量ProtoBlade_TOOLCHAIN为system
2. 在上方链接中下载编译好的exe文件和附件的bin固件包（具体引脚定义参考各功能帮助菜单中的说明）
3. 将exe文件放入电脑系统环境变量中（后续将使用命令行工具进行操作）
4. 推荐在使用的电脑中安装完整MSYS2环境
5. 通过MSYS2安装Gtkwave软件（Windows下FPGA辅助开发利器）后续所有VCD操作可以使用它来进行
6. OSS自带的几款工具可以完美适配ProtoBlade硬件，用来当Windows下完整开源FPGA工具链的各种实用开发工具使用

初次使用的驱动安装和固件烧录

在 Windows 电脑上，第一次使用 ProtoBlade（或类似 FX2/ProtoBlade 设备）时，通常需要用 Zadig 工具安装/替换 USB 驱动，以便烧录和通信工具能正常识别设备。下面是详细步骤和常见问题解答：

驱动安装（每台电脑首次必须操作）如果更换了电脑，需要在新电脑上重复以下 Zadig 配置流程。

1. 附件中下载 Zadig 软件，也可以去官网
2. 管理员模式运行 Zadig
3. 插入板卡（进入 bootloader 或正常模式均可）

• 建议首次插入时让板卡处于 Cypress bootloader 状态（lsusb -d 04b4:8613 会显示对应的设备）。

4. 在 Zadig 界面顶部的下拉菜单中，选择你的设备。如果没看到设备，点击“Options”菜单，勾选“List All Devices”。

• 一般显示为：Cypress FX2LP，VID:PID 为 04b4:8613

5. 右侧下拉框选择驱动类型，推荐选择 libusb-win32 或 WinUSB 驱动（一般建议 WinUSB，兼容性好）。
6. 点击“Replace Driver”或“Install Driver”。等待进度条完成，出现“成功”提示即可。

出厂化

1. 附件下载protoblade.ihex文件，放到ProtoBlade.exe同路径下
2. 插上USB
3. 进入 Cypress bootloader 状态（全新芯片一般插上即可）
4. 运行lsusb -d 04b4:8613查看状态
5. 运行ProtoBlade factory
6. 程序会自动重启，此处建议手动重启（拔线重插）
7. 使用flash命令烧录固件（此步见下方操作）
8. 如果一切正常无报错就可以愉快使用了(#^.^#)

烧录固件

下载最新版本的固件，然后运行ProtoBlade flash --firmware protoblade.ihex即可。

运行Cli：命令解释

根据运行环境自行参考启动命令：ProtoBlade、.\ProtoBlade.exe
输入：-h命令可以查看帮助文档
输入：test [协议]可以启动本地虚拟协议测试功能，会在exe同路径下生成测试VCD文件（通常测试结果都是OK，VCD文件中的波形使用Gtkwave查看都是0，直线）（这步可以用来验证MSYS2和Gtkwave的安装结果）
输入：run [协议]可以写入固件到硬件，需要执行什么样的协议就run什么固件即可（支持添加--upload或--load附加参数，前者会写入Flash内部，后者只是临时加载）
可以使用flash --remove-bitstream命令对Flash中已有的小程序做彻底清理功能（Reset后自动恢复出厂状态）
输入：run --help查看当前硬件支持的所有测试协议（目前支持62种测试功能，相关bin文件在固件压缩包中完整显示）
使用全功能程序支持自定义固件生成，可以凭心情随意改变引脚定义（相应的环境必须配齐）

功能验证相关示例

成功经受住了上述操作的“摧残”后，那么恭喜你，现在离成功只有一步之遥了，接下来我们还需要对硬件进行自检以及对相关功能进行检测。（此处只列举几个简单的例程，完整功能见下方表格）

硬件自检

功能框图

硬件自检一共分为三项

1. 点灯，验证板子上的12个灯是否工作正常
2. I/O回环测试，利用A/B信号的特性来检测所有IO是否正常工作
3. 板载功能电路检测，主要是检测设备的ADC、DAC、LDO工作状态

点灯

命令： ProtoBlade run selftest leds

效果： 12个灯呈现流水灯效果即正常

系统引脚回环测试

命令： ProtoBlade run selftest pins-loop

• A0-A7与B0-B7连接

效果： 如上图，显示PASS即正常

板载功能电路检测

命令： ProtoBlade run selftest voltage

• A-VS与A-VIO连接、B-VS与B-VIO连接

效果： 如上图，显示PASS即正常

GPIO点灯

功能框图

命令：
ProtoBlade run control-gpio --pins A0 -V 3.3 A0=1 开启LED
ProtoBlade run control-gpio --pins A0 -V 3.3 A0=0 关闭LED
ProtoBlade run control-gpio --pins A0 -V 3.3 A0 引脚电平检测

此处必须接电阻

效果： 如上图，LED实现命令控制开启关闭以及引脚采集电平显示正确即正常

GPIO模拟PWM波形输出

功能框图

命令：
python .\gpio_pwm_repl.py

#!/usr/bin/env python3
## -*- coding: utf-8 -*-
"""
Direct PWM Generator for ProtoBlade
Uses direct GPIO control for maximum efficiency
"""

import asyncio
import time


class DirectPWMController:
    """Direct PWM controller using minimal overhead"""
    
    def __init__(self, iface, pin=0):
        self.iface = iface
        self.pin = pin
        self.running = False
        
    async def setup(self):
        """Setup pin as output"""
        await self.iface.output(self.pin, False)
        print(f"Pin {self.pin} configured as output")
        
    async def generate_direct_pwm(self, freq, duty, duration=None, cycles=None):
        """
        Generate PWM with direct control
        
        Args:
            freq: Target frequency in Hz
            duty: Duty cycle (0.0-1.0)
            duration: Duration in seconds (None for infinite)
            cycles: Number of cycles (None for infinite)
        """
        if not 0.0 <= duty <= 1.0:
            raise ValueError("Duty cycle must be 0.0-1.0")
        if freq <= 0:
            raise ValueError("Frequency must be positive")
            
        # Calculate timing
        period = 1.0 / freq
        high_time = period * duty
        low_time = period * (1 - duty)
        
        print(f"Target: {freq}Hz, {duty:.1%} duty")
        print(f"Period: {period*1000:.3f}ms, High: {high_time*1000:.3f}ms, Low: {low_time*1000:.3f}ms")
        
        self.running = True
        start_time = time.time()
        cycle_count = 0
        
        try:
            while self.running:
                if duration and (time.time() - start_time) >= duration:
                    break
                if cycles and cycle_count >= cycles:
                    break
                    
                # High level
                await self.iface.set(self.pin, True)
                await asyncio.sleep(high_time)
                
                # Low level
                await self.iface.set(self.pin, False)
                await asyncio.sleep(low_time)
                
                cycle_count += 1
                
        except KeyboardInterrupt:
            print("\nInterrupted by user")
        finally:
            self.running = False
            await self.iface.set(self.pin, False)
            duration = time.time() - start_time
            actual_freq = cycle_count / duration if duration > 0 else 0
            print(f"Generated {cycle_count} cycles in {duration:.2f}s")
            print(f"Actual frequency: {actual_freq:.1f}Hz")
            print(f"Error: {abs(actual_freq - freq) / freq * 100:.1f}%")


## Global controller
direct_pwm = None


async def init_direct_pwm(iface, pin=0):
    """Initialize direct PWM controller"""
    global direct_pwm
    direct_pwm = DirectPWMController(iface, pin)
    await direct_pwm.setup()
    return direct_pwm


async def direct_1khz(duty=0.5, duration=10):
    """Generate 1kHz PWM using direct method"""
    if not direct_pwm:
        print("PWM not initialized. Run init_direct_pwm(gpio_iface) first")
        return
    await direct_pwm.generate_direct_pwm(1000, duty, duration)


async def direct_custom(freq, duty=0.5, duration=10):
    """Generate custom frequency PWM using direct method"""
    if not direct_pwm:
        print("PWM not initialized. Run init_direct_pwm(gpio_iface) first")
        return
    await direct_pwm.generate_direct_pwm(freq, duty, duration)


## Test different frequencies to find the limit
async def test_frequency_limits():
    """Test different frequencies to find the practical limit"""
    if not direct_pwm:
        await init_direct_pwm(gpio_iface)
    
    test_frequencies = [20]
    duty = 0.5
    test_duration = 3  # 3 seconds per test
    
    print("=== Frequency Limit Test ===")
    print("Testing different frequencies to find practical limit...")
    
    for freq in test_frequencies:
        print(f"\nTesting {freq}Hz...")
        start_time = time.time()
        
        await direct_pwm.generate_direct_pwm(freq, duty, test_duration)
        
        duration = time.time() - start_time
        print(f"Test completed in {duration:.2f}s")


## Quick test
async def quick_direct_test():
    """Quick test with direct method"""
    print("=== Quick Direct PWM Test ===")
    
    await init_direct_pwm(gpio_iface)
    await direct_1khz(0.5, 5)


if __name__ == "__main__":
    print("Direct PWM Generator for ProtoBlade")
    print("Usage:")
    print("1. Initialize: await init_direct_pwm(gpio_iface)")
    print("2. 1kHz test: await direct_1khz()")
    print("3. Custom freq: await direct_custom(500, 0.25, 5)")
    print("4. Frequency test: await test_frequency_limits()")
    print("5. Quick test: await quick_direct_test()") 

效果： 此示例图片整合了，效果和相关测试结果如上四图，运行无报错且PWM显示当前输出的频率即正常

GPIO回环测试

功能框图

命令：
ProtoBlade run control-gpio A0=0 A1=0 A1 --pins A0,A1 -V 3.3 A1=0，A0检测A1
ProtoBlade run control-gpio A0=0 A1=1 A1 --pins A0,A1 -V 3.3 A1=1，A0检测A1

（A0与A1短接）

效果： 如上图，回调显示对应高低电平即正常

UART回环测试

功能框图

命令：
ProtoBlade run uart --tx A1 --rx A0 -V 3.3 -b 115200 tty

（A0与A1短接）

效果： 如上图，输入内容=相应内容即正常

I2C回环测试

功能框图

命令：
protoblade run i2c-initiator --scl A0 --sda A1 --pulls -b 100 -V 3.3 scan

（A0与A1短接）

效果： 如上图，无报错即正常（此处如果有I2C设备可以继续深入实现双机效果）

SPI回环测试

功能框图

命令：
protoblade run spi-controller --sck A0 --cs A3 --copi A1 --cipo A2 -f 100 -V 3.3 01 02 03 04

（A1与A2短接）

效果： 如上图，输出与命令内容一样即正常

Analyzer数字采样逻辑分析仪

功能框图

命令：
protoblade run analyzer --i A0 -V 3.3 --stream-vcd wave.vcd

（A0与对应GND接入函数发生器）

注意： 此处函数发生器波形最大电压3.3V

此处实验方案：方波1500Hz 占空比50% 幅值2.6V

此工具只能采集方波、脉冲、时钟、数字通信信号（如SPI、I2C、UART等）

模拟信号采集目前的方案更偏向于启用LVDS接口+外置模块

效果： 如上图，Ctrl+C结束采集，用GTKWave查看波形结果为方波即正常

舵机控制

功能框图

命令：
protoblade repl control-servo --out A0 -V 3.3 进入舵机REPL控制模式
await servo_iface.enable(True) 信号开启使能
await servo_iface.disable() 信号关闭使能
await servo_iface.set_value(1500) 停止转动
await servo_iface.set_value(1300)
await servo_iface.set_value(1700)
最后两个命令是改变舵机旋转方向的命令（数值不同方向和速度都会不同）

（A0接入舵机脉冲信号，舵机单独外部5V供电，此环境下供电、舵机负、设备负共地操作）

注意： 舵机5V需要外部单独供电，并且硬件需完全共地

效果： 如上图，命令返回None且舵机跟随相应命令转动即正常

DAC播放音频

功能框图

命令： 此处以使用sox命令进行文件转换

1. 使用MSYS2安装sox工具pacman -S mingw-w64-x86_64-sox
2. 使用SOX进行转换sox output.wav -c 1 -r 48000 -b 16 -e signed-integer output.s16 vol 0.9

• 使用FFmpeg进行转换（没试过，自行测试）
• 使用Python进行转换（没试过，自行测试）

注意： ① 音频信号必须接RC电路后再接入功放 ② 功放供电要足够充足 ③ 功放声音调到最小在启动命令，慢慢调大 ④ProtoBlade的VIO和VS引脚必须相连，运行时这步未连接也会提示报错

！！！时刻保持I/O端口电压不超过3.3V！！！

此处留坑（应该就差外放了）我这没有额外运放模块，最后的增益没法做，导致波形只有0.2vpp；结果就是能看到，听不到。

手动扫描s16文件的数据

示波器抓取的音频波形（此处没Auto，只是为了展示频率）

其他玩法自行探索：

使用单声道输出
protoblade run audio-dac --o A0 -r 48000 -w 2 -s play output.s16
使用立体声输出
protoblade run audio-dac --o A0,A1 -r 48000 -w 2 -s play output.s16

效果： 如上图，运行命令不报错，使用示波器能看到实时音频波形且喇叭正常出声即正常（需要单独加运放电路）

FPGA综合（进阶功能）

功能框图

命令： 此处以UART为例
protoblade build -t rtlil -f uart.il uart
yosys -p "synth_ice40 -json uart.json" uart.il
nextpnr-ice40 --hx8k --package bg121 --json uart.json --pcf top.pcf --asc top.asc
nextpnr-ice40 --gui --hx8k --package bg121 --json uart.json --pcf top.pcf --asc top.asc

效果： 如上图，使用nextpnr能查看到综合结果即正常

分发固件（功能）汇总

以下为功能更新内容

1. 优化analyzer数字采样逻辑分析仪支持连续采集与实时监测
2. 新增lvds-signal-generator功能；同步新增lvds-signal-generator差分缓冲模块项目（开始鸽了）
3. 新增GPIB设备通信功能
4. 新增CAN控制器功能
5. 新增开环FOC控制功能
6. 新增RS232/RS422/RS485通信功能
7. 新增Modbus协议通信功能
8. 新增曼彻斯特编码通信功能
9. 新增SRAM内存读取功能
10. 新增FIR-IIR滤波器功能
11. 新增上位机（开发成本有点高，要往后鸽了）已经不知道这是鸽的第几个内容了 o(╥﹏╥)o