混和信號(hào)數(shù)字示波器在通用串行總線開發(fā)中的應(yīng)用

張國(guó)躍

在嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過(guò)程中，串行總線的協(xié)議分析一直是一件令工程師頭疼的工作。在有邏輯分析儀的情況下，工程師需要進(jìn)行復(fù)雜的觸發(fā)條件設(shè)定，才能捕獲到需要的數(shù)據(jù)，這樣既需要昂貴的設(shè)備投資也要花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行儀器設(shè)置；隨著示波器技術(shù)的不斷發(fā)展，串行總線觸發(fā)和分析功能在一些高端示波器中出現(xiàn)，并受到嵌入式工程師的歡迎。但不同廠家的示波器在串行總線分析方面的功能和性能是有很大區(qū)別的。

使用示波器進(jìn)行串行總線觸發(fā)

使用普通示波器只能進(jìn)行一般的邊沿觸發(fā)和脈寬觸發(fā)，很難捕捉到復(fù)雜的串行總線波形。而使用帶有串行總線觸發(fā)功能的示波器可以方便地捕獲到需要的串行數(shù)據(jù)。橫河公司的DLM2000系列數(shù)字示波器支持多種常用串行總線的觸發(fā)，包括CAN/LIN/I²C/SPI/UART，甚至可以對(duì)用戶自己定義的非標(biāo)準(zhǔn)串行總線進(jìn)行觸發(fā)。根據(jù)每種總線結(jié)構(gòu)的不同，可以設(shè)置多種觸發(fā)模式。觸發(fā)模式越多，捕獲數(shù)據(jù)的能力就越強(qiáng)。

在嵌入式系統(tǒng)中，往往同時(shí)存在兩種甚至兩種以上的串行總線結(jié)構(gòu)，例如汽車電子中CAN和LIN總線經(jīng)常同時(shí)被使用，也經(jīng)常需要分析兩種總線的通訊配合是否出現(xiàn)問(wèn)題。而多數(shù)帶串行總線觸發(fā)功能的示波器同時(shí)只能觸發(fā)一種總線，要實(shí)現(xiàn)CAN和LIN總線同時(shí)觸發(fā)，只能使用兩臺(tái)示波器、而兩臺(tái)示波器的同步問(wèn)題也很難解決。DLM2000系列示波器的雙總線觸發(fā)功能則可以輕松實(shí)現(xiàn)任意兩種串行總線的組合觸發(fā)。

使用示波器進(jìn)行串行總線解碼分析

觸發(fā)到需要的串行數(shù)據(jù)后，工程師面對(duì)的仍然是數(shù)據(jù)的原始波形，要想進(jìn)行高效的總線分析，需要對(duì)波形進(jìn)行解碼。目前，數(shù)字示波器中所用的解碼技術(shù)包括軟件解碼和硬件解碼。軟件解碼是將波形數(shù)據(jù)通過(guò)示波器中的軟件進(jìn)行運(yùn)算獲得解碼結(jié)果，雖然可以降低硬件成本，但對(duì)CPU的運(yùn)算速度要求很高。在實(shí)際應(yīng)用中，采用軟件解碼的示波器解碼一次需要幾秒甚至十幾秒的時(shí)間。這樣的解碼速度已經(jīng)失去了實(shí)時(shí)分析的意義，因?yàn)榇蠖鄶?shù)數(shù)據(jù)已經(jīng)在等待解碼中丟失了。少數(shù)高端示波器采用了硬件解碼技術(shù)解決了這一問(wèn)題，使實(shí)時(shí)解碼分析成為可能。

在顯示解碼結(jié)果的同時(shí)，還可以顯示所有捕獲幀的解碼列表，非常便于波形與解碼結(jié)果的對(duì)應(yīng)觀測(cè)。

要獲得正確的解碼結(jié)果，需要根據(jù)不同的總線參數(shù)對(duì)示波器進(jìn)行設(shè)置。以CAN總線分析為例，需要指定總線類型為CAN，設(shè)置CAN信號(hào)對(duì)應(yīng)的通道，通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)電平和時(shí)間軸對(duì)CAN總線進(jìn)行觸發(fā)，然后調(diào)節(jié)比特率，設(shè)置隱形電平等，如果是SPI總線，還要指定3線制或4線制，指定時(shí)鐘信號(hào)，片選信號(hào)。這個(gè)設(shè)置過(guò)程需要非常仔細(xì)，其中任何一項(xiàng)設(shè)置得不合適，解碼結(jié)果都有可能出不來(lái)。尤其是比特率設(shè)置，稍有誤差，得到的解碼結(jié)果有可能就是錯(cuò)的。

復(fù)雜的設(shè)置過(guò)程浪費(fèi)了一部分調(diào)試時(shí)間，沒(méi)有充分發(fā)揮示波器提高開發(fā)效率的作用。而DLM2000示波器實(shí)現(xiàn)了串行總線觸發(fā)和解碼分析的自動(dòng)設(shè)置，用戶只需要設(shè)置好總線類型和信號(hào)源通道，系統(tǒng)便可以自動(dòng)調(diào)整比特率，觸發(fā)電平，隱形電平等其他設(shè)置，在短短兩秒鐘內(nèi)就可以將觸發(fā)波形和解碼結(jié)果同步顯示出來(lái)。這一功能使繁瑣的串行總線設(shè)置變得非常方便，大大提高了工程師的開發(fā)效率。

下面就幾種常用的串行總線介紹一下使用示波器進(jìn)行串行總線分析的技巧。

CAN總線控制過(guò)程的記錄和分析

在進(jìn)行CAN總線分析時(shí)，工程師通常希望示波器能夠捕獲某個(gè)完整的控制過(guò)程，比如車窗的開啟或關(guān)閉過(guò)程。這些過(guò)程通常會(huì)持續(xù)幾秒鐘或十幾秒鐘時(shí)間，記錄這么長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)要求示波器有很大的存儲(chǔ)深度。而目前200MHz～500MHz帶寬的示波器一般每個(gè)通道的存儲(chǔ)深度只有10Mpoints以下，想記錄幾秒鐘的CAN總線波形是很難做到的。DLM2000可以擴(kuò)充到單通道125Mpoints，這樣就可以完整地記錄一個(gè)十幾秒甚至更長(zhǎng)的控制過(guò)程。

對(duì)于一個(gè)過(guò)程的分析，最重要的就是這個(gè)過(guò)程的開始階段和結(jié)束階段。當(dāng)捕獲到一個(gè)控制過(guò)程之后，用戶可以打開一個(gè)放大窗口，移動(dòng)到過(guò)程的起始點(diǎn)，觀測(cè)起始點(diǎn)的細(xì)節(jié)情況。如果想同時(shí)觀測(cè)結(jié)束點(diǎn)的細(xì)節(jié)，一般示波器就無(wú)能為力了，而DLM2000繼承了橫河DL系列示波器的雙窗口放大的獨(dú)特功能，可以同時(shí)觀測(cè)兩個(gè)位置的波形細(xì)節(jié)，并獨(dú)立調(diào)節(jié)縮放比例。

偶發(fā)異常信號(hào)的捕獲

在將時(shí)基Time/Divi調(diào)節(jié)到比較小用來(lái)觀測(cè)波形細(xì)節(jié)時(shí)，有可能會(huì)有一些偶發(fā)的異常信號(hào)或者錯(cuò)誤幀，當(dāng)用戶想抓住這些波形時(shí)已經(jīng)來(lái)不及了，如果使用歷史存儲(chǔ)功能(也被稱為分段存儲(chǔ)技術(shù))就可以解決這一問(wèn)題。DLM2000可以將大內(nèi)存平均分割成若干塊，捕獲到的一屏屏波形沒(méi)有被馬上覆蓋掉，而被存入了歷史內(nèi)存中。這樣的話，即使發(fā)現(xiàn)異常信號(hào)沒(méi)有被鎖定在屏幕上，只要用戶及時(shí)按下了采集停止鍵，異常信號(hào)很容易在歷史內(nèi)存中被檢索出來(lái)。

CAN/LIN兩種總線同時(shí)觸發(fā)分析

在汽車電子應(yīng)用中，CAN總線總是與LIN總線配合使用，所以經(jīng)常會(huì)需要同時(shí)分析CAN總線和LIN總線。前面已經(jīng)介紹過(guò)，DLM2000具有雙總線觸發(fā)功能，可以同時(shí)進(jìn)行CAN和LIN總線的組合觸發(fā)。不但如此，兩種總線的解碼分析也可以同步進(jìn)行。如圖3所示，兩種總線的解碼結(jié)果列表可以同時(shí)顯示在屏幕上，利用雙窗口放大功能可以分別觀測(cè)兩種總線的波形細(xì)節(jié)。當(dāng)在列表中選擇不同的解碼項(xiàng)時(shí)，放大窗口的波形會(huì)自動(dòng)切換到所對(duì)應(yīng)的波形，非常便于觀測(cè)。

CAN總線比特率設(shè)置

CAN總線的標(biāo)準(zhǔn)速率一般是250kbit/s或500kbit/s。但是在研發(fā)階段，出于開發(fā)測(cè)試需要，工程師經(jīng)常會(huì)將比特率調(diào)低或者調(diào)高，這樣如果示波器的總線參數(shù)只能設(shè)定為250kbit/s或s00kbit/s，則不能對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)速率的CAN總線進(jìn)行解碼。DLM2000可以靈活設(shè)置總線比特率，CAN總線速率可以在10.0kbit/s至1.000Mbit/s的范圍內(nèi)以0.1kbit/s的步進(jìn)值任意設(shè)定。

靈活使用濾波功能

在汽車電子實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際測(cè)試中，CAN總線信號(hào)會(huì)受到馬達(dá)點(diǎn)火等因素的干擾，使捕獲的波形帶有很多噪聲。如果想獲得清晰的總線信號(hào)需要將噪聲濾除。而一般示波器最低只有200MHz和20MHz兩種低通濾波器，對(duì)于20MHz以下的噪聲就無(wú)能為力了。而DLM2000標(biāo)準(zhǔn)配置中帶有200MHz至8kHz的14種濾波器，可有效濾除各種高頻噪聲。

如果使用內(nèi)置的運(yùn)算濾波功能，可以實(shí)現(xiàn)0.01Hz至滿帶寬的高通及低通濾波，既可以濾掉高頻噪聲，也可以濾掉基本信號(hào)來(lái)觀測(cè)高頻噪聲。另外、通過(guò)設(shè)置合適的截止頻率可以很容易獲得調(diào)制信號(hào)的基波。

串行總線應(yīng)用越來(lái)越廣泛，出現(xiàn)了專門的串行總線協(xié)議分析工具，一般包括數(shù)據(jù)采集硬件和PC端軟件。這種設(shè)備可在PC端對(duì)串行總線協(xié)議進(jìn)行詳細(xì)的解析和分析，但是其價(jià)格一股非常昂貴，功能局限于總現(xiàn)協(xié)議分析。另外，這類設(shè)備的硬件部分的采樣率比較有限，對(duì)于波形的細(xì)節(jié)分析，無(wú)法和示波器相比，由外部噪聲干擾產(chǎn)生的總線錯(cuò)誤將很難檢測(cè)出來(lái)。而帶有強(qiáng)大濾波功能的示波器既可以觀測(cè)真實(shí)的物理波形，又可以通過(guò)濾波功能獲得清晰的總線信號(hào)。

隨著科技的飛速發(fā)展，串行總線技術(shù)也在不斷更新，應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在嵌入式開發(fā)非常普遍的今天，使用一款功能強(qiáng)大的示波器進(jìn)行串行總線分析可以達(dá)到事半功倍的效果，簡(jiǎn)化調(diào)試方式，提高開發(fā)效率。