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使用泰克混合信号示波器调试混合信号嵌入式设计应用指南

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当前的嵌入式设计工程师面临着系统复杂程度日益提高的挑战。典型的嵌入式设计可能会包括各种模拟信号、高速和低速串行数字通信、微处理器总线等等。I 2 C 和 SPI 等串行协议通常用于芯片间通信,但不能在所有应用中代替并行总线。

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使用泰克混合信号示波器调试混合 信号嵌入式设计 应用指南 应用指南 传感器 SPI A/D 传感器 图 1. 混合信号嵌入式系统。 微型控制器 I2C LCD 控制器 I2C 显示器 FPGA 状态LED指示灯 Counter Flash Memory 引言 当前的嵌入式设计工程师面临着系统复杂程度日益提 高的挑战。典型的嵌入式设计可能会包括各种模拟信 号、高速和低速串行数字通信、微处理器总线等等。 I2C 和 SPI 等串行协议通常用于芯片间通信,但不能 在所有应用中代替并行总线。 微处理器、FPGA、模数转换器 (ADC) 和数模转换器 (DAC) 等集成电路给当前嵌入式设计带来了独特的测 量挑战。工程师可能需要解码两个 IC 之间的 SPI 总线, 同时在同一块系统电路板上观察 ADC 的输入和输出。 图 1 是混合信号系统实例。 对配备 4 通道示波器的工程师来说,调试图 1 所示 的硬件是一件困难而又让人畏缩的任务。许多工程 师 用 惯 了 示 波 器, 同 时 为 了 节 约 时 间, 可 能 会 选 择 购 买 三 四 台 示 波 器, 以 便 一 次 探 测 多 个 信 号。 逻 辑 分析仪可以探测多个数字信号,但调试任务非常复 杂,使用逻辑分析仪所带来的设置和学习过程有些不 值 得。 幸 运 的 是, 对 面 临 这 一 任 务 的 工 程 师, 泰 克 MSO5000、MSO4000、MSO3000 和 MSO2000 系 列混合信号示波器 (MSO) 及 MDO4000C 系列混合域 示波器 (MDO) 可以满足他们的需求。泰克 MSO 系 列把 16 通道逻辑分析仪的基本功能与泰克 4 通道示 波器倍受信任的性能结合在一起。泰克 MDO 系列在 MSO 系列平台中增加了一个专用 RF 输入,提供了 内置频谱分析仪。本应用指南介绍了混合信号嵌入式 设计的调试,演示了泰克 MSO5000、MDO4000C、 MSO4000、MSO3000 和 MSO2000 系列提供的业内 领先的性能。 使用 MSO/MDO 系列同时调试多个串行协议 嵌 入 式 设 计 工 程 师 通 常 使 用 串 行 协 议, 如 I2C 和 S P I, 以 简 化 电 路 板 上 系 统 模 块 之 间 的 通 信。 这 些 串 行协议可以降低布线的复杂性,但传统示波器一直很 难调试其实现方案。设计人员一般会被迫手动解码采 集的串行数据,或从示波器导出数据,以进行后期处 理和解码。使用示波器解码串行数据可以为嵌入式设 计工程师节约无数个小时的调试时间,允许工程师实 时查看硬件和软件的影响。 2 http://cn.tek.com/oscilloscope 使用泰克混合信号示波器调试混合信号嵌入式设计 微型控制器 SPI 1 2 I2C I2C LCD 控制器 4 A/D 图 2. 带有探测点的采集子系统。 FPGA 3 计数器 尽管 DPO 系列示波器可以使用最多四条通道探测串 行数据,但许多常用串行协议要求三条或三条以上的 线。工程师通常需要同时解码和显示多条串行总线, 观测其时间相关性。泰克 MSO/MDO 系列把 DPO 系 列的串行触发和解码功能与 16 条新增数字通道结合 在一起。除 I2C、SPI、CAN、LIN、RS-232 和其它 串行总线标准外,MSO/MDO 系列还支持触发和解码 RS-232 和并行总线。通过 MSO/MDO 系列示波器, 工程师可以同时探测和解码多条串行总线及自定义并 行总线。下面的实例使用 MSO/MDO 系列,调试图 1 所示的嵌入式设计中复杂的多芯片通信错误。 在系统最初调试过程中 ( 如图 1 所示 ),系统偶尔遇到 电路板上状态 LED 指示灯表明发生故障的情况。状态 LED 指示灯报告的错误不明确,导致系统工程师不能 确定问题是由硬件导致的还是由软件导致的。以前, 类似错误一直源于模拟复用器输入上的信号质量差, 但工程师已经成功更换了导致信号保真度问题的硬件。 由于系统工程师怀疑错误可能源于复用器输入之外的 其它来源,他决定探测到复用器的模拟输入及多条数 字总线,以全面查看系统状况。MSO/MDO 系列为调 试提供了 4 条模拟通道和 16 条数字通道,它连接到图 2 中标为 1-4 的信号上。 http://cn.tek.com/oscilloscope 3 应用指南 图 3. MSO4000C 显示了 I2C、SPI 和并行总线及 CH1 模拟 信号。 图 3 显示了 MSO 系列同时探测 SPI 总线 (1)、I2C 总 线 (2)、3 位 并 行 总 线 (3) 和 模 拟 输 入 (4) 的 屏 幕 快 照。由于错误可以被隔离到某个子例程,因此示波器 配置成单次采集,触发特定的 I2C 活动。把记录长度 设置成 1M 点保证了可以准确地捕获 I2C 总线上事件 周围的所有有用信息。工程师运行子例程,迅速查看 MSO/MDO 系列,了解系统中发生的情况。CH1 上显 示的 MUX 输入上清楚的模拟波形确认了工程师的疑 问,表明硬件问题已经得到解决,错误发生在其它地 方。示波器触发和解码从微控制器中写入的 I2C 数据。 工程师注意到 SPI 上的活动及在传输 I2C 数据后很快 显示了标有 D1 和 D2 的信号。工程师怀疑这些总线 上的活动,因为他认为执行的功能主要涉及 LCD 控 制器。由于示波器已经解码 I2C 数据值,因此工程师 可以看到微控制器已经把 I2C 数据写入地址 0x77。地 址 0x77 是 FPGA 的地址,但工程师认为子例程把数 据写入地址 0x76,这是 LCD 控制器的地址。 图 4. Wave Inspector 用来放大和显示分组细节。 图 4 显示了同一采集,其中使用 Wave Inspector® 导 航和搜索功能放大 SPI 和并行总线的细节。SPI 数据 在屏幕上解码成从主设备 (FPGA) 到从设备 (MUX) 的 写入,数据值为 0x15。这一 SPI 命令指示 LWTYMUX 改变信号路径使用的输入。输入信号中这种意想不到 的变化导致 FPGA 向并行总线上的状态 LED 指示灯 发送一个错误代码。在图 4 中也可以观察到这些并行 总线的错误代码和解码。嵌入式设计工程师可以迅速 确定是软件漏洞导致了系统问题,因为 MSO/MDO 系 列示波器能够同时查看和解码所有相关信号。软件编 程人员错误地从微控制器到 FPGA 写入 I2C 数据,而 分组的预计目标是 LCD 控制器。 4 http://cn.tek.com/oscilloscope 使用泰克混合信号示波器调试混合信号嵌入式设计 图 5. MUX_OUT 上的白色边沿表明提供了更详细的信息。 下一代数字波形显示帮您揭示问题 在改动系统软件,校正上一节中介绍的地址漏洞后, 嵌入式设计工程师继续测试更多的系统功能。在进行 测试时,他注意到状态 LED 指示灯偶尔指明错误。与 上一节中描述的错误不同,工程师不确定怎样重建看 到的错误。错误似乎具有随机特点,不能隔离到系统 的某个功能或子例程。 嵌入式设计工程师对错误的随机特点感到很迷惑,不 确定从哪儿入手查找来源。查找错误来源的一个选项 是使用示波器随机探测系统,以期捕获随机事件。尽 管工程师过去一直使用这种方法,但他知道,连接到 所有相关信号、正确配置的 MSO/MDO 系列示波器可 以用少得多的时间找到错误。上一节中大多数探测点 仍连接到示波器上。CH1 探头移动到活动的 MUX 输 入上,这是来自传感器 3 的数字信号。除这 4 个探测 点外,工程师使用一条数字通道探测 MUX 输出。 FPGA 通过 3 位并行总线传送值 0x7,表明已经发生 错误。为隔离问题,MSO/MDO 系列配置成捕获单次 采集,它把触发事件设置成并行总线值 0x7。图 5 显 示了采集结果。在这种情况下,并行总线解码和触发 节约了时间,减少了混淆,因为可以简便地隔离错误 条件。这一采集过程中使用的 1M 记录长度允许工程 师观察触发事件前和触发事件后信号的关键细节。 乍一看,图 5 所示的信号似乎行为正常,但系统工程 师很快确定 MUX_OUT 信号上出现了独特的两个边沿 转换。图 5 所示的 MUX_OUT 信号上的白色转换向用 户表明这些信号部分存在着更多的信息。M S O / M D O 系 列 的 多 边 沿 检 测 功 能 突 出 显 示 了 波 形 区 域, 通 过 缩放可以揭示频率较高的数字脉冲。在使用 Wave Inspector® 放大波形细节时,图 6 揭示了第一个白色 转换背后的细节。图 5 中画出的白色转换的信号部分 实际上是 MUX_OUT 信号上的一个毛刺。 http://cn.tek.com/oscilloscope 5 应用指南 图 6. Wave Inspector® 揭示了 MUX_OUT 信号上的毛刺。 图 7. CH2 显示 MUX_OUT 的更多细节。 图 8. CH1 显示了 MUX_OUT 信号中的串扰来源。 图 9. 在改动 PCB 后,串扰消失了。 图 6 显示了 MSO/MDO 系列中模拟通道和数字通道之 间的时间相关性。CH1(SENSOR_3) 上显示了到 MUX 的输入,数字通道 D14(MUX_OUT) 上则可以观察到 MUX 输出。工程师注意到,尽管 MUX 输出有一个毛刺, 但到 MUX 的输入似乎没有毛刺。在使用数字通道识 别毛刺后,工程师决定把 CH2 连接到 MUX 输出上, 更仔细地进行考察。图 7 显示了采集结果,其中示波 器仍配置成触发并行总线值 0x7。图 7 关闭了 SPI 和 I2C 总线的波形,把重点放在相关的主要信号上。在 MUX 输入和输出上使用模拟探头,发现输出上存在的 毛刺在输入信号上并不存在。图 7 显示,MUX_OUT 信号上的毛刺出现了很短的时间,然后 FPGA 发送错 误代码。这两个信号之间的时间关系表明,毛刺可能 是工程师看到的问题。工程师使用同一配置重复采集 几次,看到每次的行为都与图 7 类似。 6 http://cn.tek.com/oscilloscope 使用泰克混合信号示波器调试混合信号嵌入式设计 在分析 MSO 系列的屏幕快照后,嵌入式设计工程师 怀疑串扰可能是 MUX_OUT 信号上的毛刺来源。在检 查图 5 中监测的所有信号后,没有任何信号是串扰来 源。在更详细地检查电路板布局时,工程师找到印刷 电路板 (PCB) 上 MUX_OUT 轨迹旁边有一个通路。工 程师使用 CH1 探测 PCB 上的通路,等待并行总线的 另一个触发。得到的屏幕快照如图 8 所示。图 8 显示, CH1 上捕获的信号从低到高转换在时间上与 MUX_ OUT 信号的正毛刺直接相关。相应地,从高到低转换 直接与 MUX_OUT 信号的负毛刺直接相关。 在用一段时间在电路板上对干扰信号重选路由后,工 程师把 MSO/MDO 系列示波器配置成触发 CH1。图 9 显示 MSO/MDO 系列触发 CH1 转换,但在 MUX_ OUT 信号上没有显示毛刺。由于 MUX_OUT 信号不 存在毛刺,因此并行总线没有生成错误条件。在改动 电路板之后,串扰消失了,允许嵌入式设计工程师完 成系统评估。 小结 如 本 应 用 指 南 所 示,MSO 系 列 - MSO5000、 MSO4000、MSO3000 和 MSO2000 及 MDO 系 列 MDO4000C 为开发和调试嵌入式设计的工程师提供了 一个异常强大的工具。MSO 把 16 条时间相关的数字 通道与泰克 4 通道示波器倍受信任的性能和直观的界 面结合在一起。MDO 系列在 MSO 系列基础上,增加 了一个专用 RF 输入,可以使用一台仪器捕获时间相关 的模拟信号、数字信号和 RF 信号采集。工程师现在可 以使用 MSO 或 MDO 系列,而不用找多台示波器或学 习怎样操作逻辑分析仪或频谱分析仪。 MSO 和 MDO 系列能够同时触发和解码并行总线和串 行标准,如 I2C、SPI、USB、以太网、CAN、LIN、 FlexRay、RS-232/422/485/UART、MIL-STD-1553 和其它串行标准,对评估当前嵌入式设计中硬件和软 件复杂交互的工程师提供了宝贵的工具。 MSO 和 MDO 系列提供了多种型号,可以满足您的需求和预算: 带宽 通道数量 记录长度 ( 所有通道 ) 采样率 ( 模拟 ) 采样率 ( 数字 ) 彩色显示器 并行总线分析 串行总线触发 和分析应用模块 串行总线触发 和分析应用模块 其它应用支持 MSO5000 系列 MDO4000C 系列 MSO4000B 系列 MSO3000 系列 MSO2000B 系列 2 GHz, 1 GHz, 1 GHz, 500 MHz, 1 GHz, 500 MHz, 500 MHz, 300 MHz, 100 200 MHz, 100 MHz, 70 500 MHz, 350 MHz 350 MHz, 100 MHz 350 MHz, 100 MHz MHz MHz 4 条模拟通道 , 4 条模拟通道 2 条或 4 条模拟通道 2 条或 4 条模拟通道 2 条或 4 条模拟通道 16 条数字通道 16 条数字通道 16 条数字通道 16 条数字通道 16 条数字通道 1 条 RF 通道 标配 12.5 M, 20 M 最高 20 M 5M 1M 选配 125 M 最高 10 GS/s 5 GS/s, 2.5 GS/s 最高 5 GS/s 2.5 GS/s 1 GS/s 500 MS/s ( 全 部 记 录 500 MS/s ( 全部记录长度 ), 500 MS/s ( 全部记录长度 ), 500 MS/s ( 全 部 记 录 长 1 GS/s ( 使 用 任 意 通 道 : 长 度 ) 16.5 GS/s ( 触 16.5 GS/s ( 触发点周围 10 16.5 GS/s ( 触发点周围 10 k 度 ), 8.25 GS/s ( 触发点 D7 - D0) 发中心周围 10 k 点 ) k 点 ) 点) 周围 10 k 点 ) 500 MS/s ( 使用任意通道 : D15 - D8) 10.4 英寸 XGA 10.4 英寸 XGA 10.4 英寸 XGA 9 英寸 XGA 7 英寸 WQVGA 是 是 是 是 是 SR-EMBD: I2C, SPI DPO4EMBD: I2C, SPI DPO4EMBD: I2C, SPI DPO3EMBD: I2C, SPI DPO2EMBD: I2C, SPI S R - C O M P : R S - DPO4USB: USB DPO4USB: USB DPO3COMP: RS- DPO2COMP: RS- 232/422/485/UART DPO4ENET:10BASE-T, DPO4ENET: 10BASE-T, 232/422/485/UART 232/422/485/UART SR-USB: USB 2.0 100BASE-TX 100BASE-TX DPO3AUTO: DPO2AUTO: CAN, LIN SR-AUTO: DPO4COMP: DPO4COMP: CAN, LIN CAN, LIN, FlexRay RS-232/422/485/UART RS-232/422/485/UART DPO3FLEX: FlexRay SR-AERO: MIL-STD-1553 DPO4AUTO: CAN, LIN DPO4AUTOMAX: DPO4AUTO: CAN, LIN DPO3AUDIO: DPO4AUTOMAX: CAN, LIN, I2S/LJ/RJ/TDM SR-810B: CAN, LIN, FlexRay FlexRay DPO3AERO: 8b/10b 分析 DPO4AERO: DPO4AERO: MIL-STD-1553 SR-DPHY: MIL-STD-1553 MIL-STD-1553 MIPI D-PHY 分析 DPO4AUDIO: VNM: CAN, LIN 解码 I2S/LJ/RJ/TDM DPO4AUDIO: I2S/LJ/RJ/TDM 功率分析 极限和模板测试 , 电源分 极限和模板测试 , 电源分析 , 电源分析 , HDTV 和自定 极限和模板测试 析 , 高级 RF 功率电平触发 , HDTV 和自定义视频 义视频 抖动和定时 HDTV 和自定义视频 USB 2.0 一致性测试 以太网一致性测试 MOST 一致性测试 可视触发 http://cn.tek.com/oscilloscope 7 泰克官方微信 如需所有最新配套资料 , 请立即与泰克本地代表联系 ! 或登录泰克公司中文网站 : cn.tek.com 泰克中国客户服务中心全国热线 : 400-820-5835 CN.TEK.COM 为您提供更多宝贵资源。 © 泰克科技公司版权所有,侵权必究。泰克产品受到已经签发及正在申请的美国专利和国外专利保护。本文中的信息代替所有以前出版的材料中的信息。技术数据和价 格如有变更,恕不另行通告。TEKTRONIX 和泰克徽标是泰克公司的注册商标。本文提到的所有其他商号均为各自公司的服务标志、商标或注册商标。 10/12 EA/WWW 3GC-20215-6

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