如何使用帶有I2C和SPI解碼的示波器排查系統(tǒng)問題

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大多數(shù)基于微控制器的設(shè)計(jì)都使用I²C或SPI，或兩者兼用，來實(shí)現(xiàn)控制器之間以及控制器與外圍芯片之間的通信。當(dāng)芯片發(fā)送特定的I²C或SPI數(shù)據(jù)包時(shí)，能夠看到嵌入式系統(tǒng)內(nèi)部的操作對(duì)于排除故障至關(guān)重要。許多管理相對(duì)較慢參數(shù)的芯片，如溫度傳感器、電機(jī)控制器、人機(jī)界面或電源管理等，都將這些總線作為與系統(tǒng)其他部分通信的主要手段。其他高速芯片，如通信集成電路、時(shí)鐘和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，通常也通過這些總線進(jìn)行配置。例如，在電源啟動(dòng)后排查冷卻風(fēng)扇問題時(shí)，查看發(fā)送到風(fēng)扇控制器集成電路的SPI命令的時(shí)序和結(jié)構(gòu)，以及風(fēng)扇的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和電源，可能會(huì)有所幫助。

I2C和SPI總線定義明確且相對(duì)穩(wěn)健，但仍然可能受到噪聲、板級(jí)布局、復(fù)位問題以及實(shí)現(xiàn)上的微妙差異的影響。這些問題有時(shí)可能導(dǎo)致總線錯(cuò)誤和鎖定。配備解碼功能的示波器能夠同時(shí)顯示總線數(shù)據(jù)和總線信號(hào)的狀態(tài)。

I²C

I²C，或“Inter-IntegratedCircuit”（集成電路間通信），最初是在1980年代初由飛利浦（Philips）開發(fā)的，旨在提供一種低成本的方式連接控制器和外圍芯片。自那以后，它已經(jīng)發(fā)展成為嵌入式系統(tǒng)中設(shè)備間通信的全球標(biāo)準(zhǔn)。這種簡單的雙線設(shè)計(jì)被廣泛應(yīng)用于各種芯片中，如輸入/輸出模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器、數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器、溫度傳感器、微控制器和微處理器，包括眾多領(lǐng)先芯片制造商的產(chǎn)品，如ADI、Atmel、Infineon、Cypress、Intel、Maxim、NXP、SiliconLabs、ST、TI等。

I2C的物理雙線接口由雙向串行時(shí)鐘線（SCL）和數(shù)據(jù)線（SDA）組成。I2C支持總線上多個(gè)主設(shè)備和從設(shè)備，但任一時(shí)間內(nèi)只能有一個(gè)主設(shè)備處于活動(dòng)狀態(tài)。任何I²C設(shè)備都可以連接到總線上，允許任何主設(shè)備與從設(shè)備交換信息。每個(gè)設(shè)備通過唯一的地址進(jìn)行識(shí)別。設(shè)備根據(jù)其功能可以作為發(fā)送器或接收器。支持三種比特率：100kb/s（標(biāo)準(zhǔn)模式）、400kb/s（快速模式）和3.4Mb/s（高速模式）。設(shè)備的最大數(shù)量由最大電容400pF決定，大約為20-30個(gè)設(shè)備。

有兩種方法可以對(duì)I2C地址進(jìn)行分組以進(jìn)行解碼：一種是7位加上一個(gè)讀寫（R/W）位方案，另一種是8位（一個(gè)字節(jié)），其中R/W位作為地址的一部分。7位地址方案是固件和軟件設(shè)計(jì)工程師遵循的指定I2C標(biāo)準(zhǔn)。但許多其他工程師使用8位地址方案。Tektronix示波器可以解碼這兩種方案中的數(shù)據(jù)。

設(shè)置I²C總線解碼

在Tektronix示波器上，按下面板上的總線按鈕，可以定義輸入到示波器的信號(hào)作為一個(gè)總線。通過簡單地定義哪些通道上有時(shí)鐘和數(shù)據(jù)，以及用于確定邏輯一和零的數(shù)字閾值，您可以使示波器理解跨總線傳輸?shù)膮f(xié)議。

解讀I²C總線

時(shí)間相關(guān)的波形和總線解碼顯示對(duì)許多硬件工程師來說是一個(gè)熟悉且有用的格式。解碼后的總線波形顯示了一個(gè)I2C消息的元素。

對(duì)于固件工程師來說，結(jié)果表格（ResultsTable）格式可能更有用。這種帶時(shí)間戳的總線活動(dòng)顯示可以輕松地與軟件列表進(jìn)行比較，并且允許輕松計(jì)算執(zhí)行速度。

結(jié)果表還提供了回到波形顯示的鏈接。您可以在表格顯示中點(diǎn)擊一行，示波器會(huì)自動(dòng)放大對(duì)應(yīng)的總線信號(hào)，并在屏幕的下半部分顯示結(jié)果解碼的總線波形。

在I²C總線上觸發(fā)

在基于一個(gè)或多個(gè)串行總線的系統(tǒng)調(diào)試中，示波器的一個(gè)關(guān)鍵能力是能夠隔離并捕獲特定事件的總線觸發(fā)。當(dāng)總線觸發(fā)被正確設(shè)置后，示波器將捕獲所有輸入信號(hào)，并且一個(gè)指定的總線事件將被定位在觸發(fā)點(diǎn)。這個(gè)例子展示了在地址0x50和數(shù)據(jù)0x00上觸發(fā)。

在I²C總線上搜索

在Tektronix示波器上，您可以使用自動(dòng)化的Wave Inspector搜索功能找到所有符合搜索條件的總線事件，并確定它們發(fā)生的次數(shù)。設(shè)置類似于總線觸發(fā)設(shè)置，允許示波器找到并標(biāo)記所有指定的總線事件。在這個(gè)例子中，自動(dòng)搜索正在尋找數(shù)據(jù)值0x16。這個(gè)數(shù)據(jù)值在獲取的波形中只出現(xiàn)一次，串行數(shù)據(jù)包的位置用粉紅色括號(hào)圖標(biāo)顯示。

SPI

串行外設(shè)接口總線（SPI）最初由摩托羅拉在1980年代末為其68000系列微控制器開發(fā)。由于該總線的簡單性和受歡迎程度，多年來許多其他制造商也采用了這一標(biāo)準(zhǔn)。它現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中常用的各種組件中。SPI主要用于微控制器及其直接外圍設(shè)備之間。它在手機(jī)和其他移動(dòng)設(shè)備中很常見，用于CPU、鍵盤、顯示屏和內(nèi)存芯片之間的數(shù)據(jù)通信。

工作原理

SPI總線是一個(gè)主/從四線串行通信總線。這四個(gè)信號(hào)是時(shí)鐘（SCLK）、主輸出/從輸入（MOSI）、主輸入/從輸出（MISO）和從選擇（SS）。每當(dāng)兩個(gè)設(shè)備通信時(shí)，一個(gè)被稱為“主設(shè)備”，另一個(gè)被稱為“從設(shè)備”。主設(shè)備驅(qū)動(dòng)串行時(shí)鐘。數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收是同時(shí)進(jìn)行的，使其成為一個(gè)全雙工協(xié)議。

與在總線上的每個(gè)設(shè)備擁有唯一地址不同，SPI使用SS線來指定數(shù)據(jù)是傳輸給哪個(gè)設(shè)備或來自哪個(gè)設(shè)備。因此，總線上的每個(gè)獨(dú)特設(shè)備都需要從主設(shè)備獲得自己的SS信號(hào)。如果有3個(gè)從設(shè)備，就有3個(gè)SS信號(hào)從主設(shè)備到每個(gè)從設(shè)備。

SPI也可以用從設(shè)備級(jí)聯(lián)的方式接線，每個(gè)從設(shè)備依次執(zhí)行操作，然后將結(jié)果發(fā)送回主設(shè)備（這可以用來驗(yàn)證數(shù)據(jù)路徑的完整性）。

在某些情況下，如果從設(shè)備到主設(shè)備的通信不是必需的，MISO信號(hào)可能會(huì)被完全省略。在其他情況下，只有一個(gè)主設(shè)備和一個(gè)從設(shè)備，SS信號(hào)被接地。這通常被稱為2線SPI。

當(dāng)發(fā)生SPI數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，一個(gè)8位數(shù)據(jù)字在MOSI上移出，同時(shí)在MISO上移入另一個(gè)8位數(shù)據(jù)字。這可以被視為一個(gè)16位的循環(huán)移位寄存器。當(dāng)傳輸發(fā)生時(shí)，這個(gè)16位移位寄存器移動(dòng)8個(gè)位置，因此交換了主從設(shè)備之間的8位數(shù)據(jù)。一對(duì)寄存器，時(shí)鐘極性（CPOL）和時(shí)鐘相位（CPHA），決定了數(shù)據(jù)在哪個(gè)時(shí)鐘邊沿上被驅(qū)動(dòng)。每個(gè)寄存器有兩個(gè)可能的狀態(tài)，這允許四種可能的組合，所有這些組合彼此不兼容。因此，主/從設(shè)備對(duì)必須使用相同的參數(shù)值進(jìn)行通信。如果使用了不同配置的多個(gè)從設(shè)備，主設(shè)備每次需要與不同的從設(shè)備通信時(shí)都必須重新配置自己。

設(shè)置SPI總線解碼

在這個(gè)例子中，SPI信號(hào)通過示波器上的模擬通道（通道1、通道2和通道3）上的無源探頭被捕獲。數(shù)字通道也可以用于總線解碼。使用總線配置菜單，您可以通過指定連接到時(shí)鐘、數(shù)據(jù)和從選擇信號(hào)的通道、閾值、極性和字大小來定義SPI總線。

解讀SPI總線

通過將顯示模式設(shè)置為“總線和波形”，可以快速驗(yàn)證每個(gè)輸入信號(hào)的數(shù)字解釋（模擬信號(hào)與相應(yīng)閾值電壓的比較）。這些數(shù)字信號(hào)（綠色表示高電平，藍(lán)色表示低電平）然后根據(jù)SPI協(xié)議進(jìn)行解釋。當(dāng)正確設(shè)置時(shí)，示波器可以顯示解碼結(jié)果。

通過對(duì)SPI總線上的通信事件進(jìn)行解碼，可以輕松識(shí)別數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始和結(jié)束，以及傳輸?shù)木唧w數(shù)據(jù)內(nèi)容。這對(duì)于調(diào)試SPI通信、驗(yàn)證數(shù)據(jù)完整性及識(shí)別潛在的通信問題至關(guān)重要。

考慮一個(gè)使用級(jí)聯(lián)SPI架構(gòu)的示例系統(tǒng)。這個(gè)子系統(tǒng)控制一個(gè)電壓控制振蕩器（VCO），為系統(tǒng)的其余部分提供射頻時(shí)鐘。VCO通過主CPU寫入六個(gè)24位字來初始化。信號(hào)似乎滿足SPI的電氣規(guī)范，但VCO沒有產(chǎn)生正確的頻率。

結(jié)果表視圖可以用來檢查VCO的初始化。示波器可以設(shè)置為在SPI從選擇信號(hào)變?yōu)榛顒?dòng)狀態(tài)時(shí)觸發(fā)。當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，示波器將捕獲并顯示初始化序列。

在SPI總線上觸發(fā)

在上面的例子中，我們使用了一個(gè)簡單的SS活動(dòng)觸發(fā)。Tektronix示波器中的完整SPI觸發(fā)能力包括以下類型：

這些觸發(fā)器允許您隔離并捕獲您感興趣的特定總線流量，而解碼功能使您能夠立即看到傳輸過總線的每條消息的內(nèi)容。

在SPI總線上搜索

為了找到符合特定搜索條件的所有總線事件，可以使用自動(dòng)化的Wave Inspector搜索功能。設(shè)置類似于總線觸發(fā)設(shè)置，并將找到并標(biāo)記所有指定的總線事件。在這個(gè)例子中，自動(dòng)搜索正在尋找24位數(shù)據(jù)值0x00002X。這個(gè)數(shù)據(jù)值在獲取的波形中出現(xiàn)了23次。前面板的導(dǎo)航箭頭按鈕可以輕松在標(biāo)記的事件之間導(dǎo)航。顯示底部附近的粉紅色括號(hào)圖標(biāo)顯示了指定的一個(gè)串行數(shù)據(jù)包的位置。