使用混合信号示波器调试串行总线系统－应用指南

利用混合信号示波器调试串行总线

本应用指南面向的读者是数字系统设计师，他们在研发过程中会用到模拟和数字元器件，包括采用串行总线的微控制器和DSP系统。本文讨论调试串行总线设计所面临的挑战和新的解决方案，这些串行总线包括控制器局域网(CAN)、集成电路间总线(I2C)、串行外设接口(SPI)或通用串行总线(USB)。

串行总线协议简介

多年来，并行总线一直是基于微控制器和DSP的设计与外设器件通信的主要方法。微控制器和DSP广泛用于各式各样的应用，例如蜂窝电话这样的消费类产品，汽车中的电气系统控制，以及工业应用中的各种嵌入式系统。在这些应用中，总线速度通常为数十兆赫兹或更低。但这些应用的复杂程度在不断提高，而同时又要保持最低的成本，因此串行总线成为器件与外设间通信的主要方法。串行总线除了成本低之外，它还具有更低的功率，更少的引脚数，因而只需要较少的电路板空间。

串行总线只需要最少的控制线和连接，就能在串行线上传输数据。目前，许可制造商都按串行协议接口设计种类繁多的器件。这些总线广泛应用于微控制器和DSP与EEPROM、模数转换器、传感器、激励源和各种其他外设的接口。在电视设备、蜂窝电话、汽车和许多其他工业应用中，其内部的控制总线和网络常常采用串行总线通信协议。

串行总线的主要优点是只需要较少的信号，缺点是难以兼顾速度。微控制器的I/O端口与串行器件的通信要花相当多的时间。在混合的模拟和数字设计中，采用串行端口的另一个缺点是系统的调试问题。目前，要想从长长的串行数据流中提取协议自身的信息并确定器件间的交互作用还是相当困难。

使用混合信号示波器调试串行总线系统

在调试混合模拟和数字串行总线设计时，会遇到不同类型的测量问题。设计师可能需要调试串行总线协议本身的行为，也可能要用某种现成的串行协议实现子系统或器件间的通信和协调工作，以完成整个设计。对于前者，用户往往会使用示波器调试协议的物理层，测量上升和下降时间、建立和保持时间等参数，分析系统中时钟和数据线上的信号电平。对于后者，设计师可能会查找系统中功能和集成方面的问题，也许还要分析相关时序和总线上的数据内容。

使用传统方法调试目前的串行总线设计是一个非常大的挑战。调试这些系统的一般方法是使用逻辑分析仪和示波器。不过，由于数据是逐位读出的，并非所有数据都有时间参考，因此在所关注的串行总线上进行触发可能很困难。而过去用逻辑分析仪调试并行总线时，可通过设置码型触发或状态触发直接找到所关注的互动。

但是，要根据长串行数据流中的内容设置逻辑分析仪触发则是另一个话题。要在串行协议中的码型上触发逻辑分析仪，就需要创建一个状态机在协议中寻找您关注的码流和帧信号。但大多数逻辑分析仪的状态仅有 16 级，不能满足查找长数据流问题的级数要求。

该解决方案需要进繁琐的测量设置，这可能使用户受到极大的困扰。如果用户需要在系统上执行参数测量，那么将逻辑分析仪与示波器相关联将更加耗时。而且这将要求两种仪器上都有深存储器，以观察长串行数据流。由于设计具有严格的进度计划和项目完成日期，多数设计师都认为在调试串行总线相关设计时，需要有更好的技术和测量仪器。

为应对这些挑战，是德科技在 1996 年推出了混合信号示波器(MSO)来作为调试串行总线接口的一个有效方法。混合信号示波器拥有专门针对串行协议的触发和解码能力。这些特性解决了在特定协议条件下使用逻辑分析仪和示波器进行触发的难题。Keysight MSO 能在长串行数据流中自动找到要求的码型，而无需在逻辑分析仪中建立复杂的状态机。MSO 是带宽高达1GHz，具有16个数字定时通道和2个或 4 个模拟示波器通道的仪器。此外，MSO 还使用 Keysight MegaZoom III 技术，拥有非常深的存储器采集记录。这些触发特性很容易设置，能缩短采用串行总线通信的嵌入式系统的调试时间。

MSO 的串行总线应用特性使其能够对带有同步时钟的串行总线(例如I2C)、带有分立时钟和数据线的 SPI 总线以及带异步时钟 (如 RS232 和其他 UART 协议) 的总线进行触发和解码。此外，Keysight MSO还能建立触发，并对数据流中具有嵌入式时钟的串行总线(例如CAN和USB)进行解码。

这些强大的触发和解码特性使它更容易关联串行数据和长数据流上的定时。Keysight MSO具有高达8M的MegaZoomI I I 深存储器，能轻松、快速地捕获和分析长串行数据流。在这样一台拥有MegaZoom III 深存储器和仪器上，您能够观察快速的数字信号，并将这些信号和长串行数据数据流中的慢模拟信号建立关联。另外，MSO 的 16 个数字通道和 2 个或 4 个模拟通道采集可自动进行时间关联。MegaZoom III深存储器解决了需要触发两次来获得长时间捕获信号观察信号细节的两难问题。

图 1 显示了一个基于微控制器设计的实例，使用微控制器控制和监测家庭中的各种电气设备。微控制器通过SPI总线与射频收发信机、RS232桥接器、EEPROM、小键盘和显示器通信。MSO是调试这一设计的理想工具。通过将其模拟通道和数字通道结合使用，用户可以建立串行总线活动与系统其他部分发生事件的关系。从而更容易找到串行总线问题的原因，例如丢失确认信息、信息交换不符合规范或包数据的无意丢失。此外，触发和解码特性还提供了实时观察问题的能力，以代替过去先捕获数据，然后通过后期处理观察数据记录的方法。这样，用户就能确保所观察的信号是系统中当前定时关系的精确表示。

许多设计中都使用一种以上的串行通信接口。例如，设计中可能用 I2C 总线与本地EEPROM 通信，而另一器件可能用 SPI 总线与其他外设通信。整个设计也许会通过 USB 或 CAN 连接到外部网络。用一台仪器调试系统的多个部分可缩短调试时间、降低成本和减少挫折。

使用具有 MegaZoom III 深存储器及特定协议触发和解码能力的 Keysight MSO 应对新挑战，就能在目前采用串行总线的嵌入式设计中找到和观察长串行数据流中的问题。这篇应用指南为您介绍Keysight MSO 串行协议，包括I2C、SPI、CAN 和 USB 协议的触发和解码特性，以及这些特性如何比过去更容易和更有效地调试基于微控制器和DSP的设计。

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