引言

        今天，嵌入式系統(tǒng)幾乎遍布在人類社會(huì)的每個(gè)角落,。嵌入式系統(tǒng)可以簡(jiǎn)單定義為屬于大型系統(tǒng)或機(jī)器一部分的一種專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng),，其目的是為該系統(tǒng)或機(jī)器提供監(jiān)測(cè)和控制服務(wù)。典型的嵌入式系統(tǒng)在開機(jī)時(shí)會(huì)開始運(yùn)行某些專用應(yīng)用,，直到關(guān)閉時(shí)才會(huì)停止,。當(dāng)前設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的幾乎每個(gè)電子設(shè)備都是嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)實(shí)例包括：

• 電子鬧表
• 自動(dòng)柜員機(jī)
• 移動(dòng)電話
• 計(jì)算機(jī)打印機(jī)
• 防抱死剎車控制器
• 微波爐
• 導(dǎo)彈使用的慣性引導(dǎo)系統(tǒng)
• DVD 播放機(jī)
• 個(gè)人數(shù)字助理 (PDA)
• 工業(yè)自動(dòng)化和監(jiān)測(cè)使用的可編程邏輯控制器 (PLC)
• 便攜式音樂播放機(jī)
• 可能還包括烤面包機(jī)...

        嵌入式系統(tǒng)可能包含許多不同類型的設(shè)備,，包括微處理器,、微控制器、DSP,、RAM,、EPROM、FPGA,、模數(shù)轉(zhuǎn)換器,、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和I/O。這些設(shè)備在傳統(tǒng)上一直使用寬并行總線相互通信及與外部世界通信,。然而今天,，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用的越來越多的構(gòu)件將用串行總線代替寬并行總線，原因如下：

• 減少了要布線的信號(hào)數(shù)量,，降低了要求的電路板空間
• 降低了成本
• 降低了功率要求
• 減少了封裝上的針腳數(shù)量
• 嵌入式時(shí)鐘
• 差分信令，改善抗噪聲能力
• 采用標(biāo)準(zhǔn)串行接口的器件大量供應(yīng)

        盡管串行總線提供了大量的優(yōu)勢(shì),，但它們也給嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來了某些重大挑戰(zhàn),，因?yàn)樗源蟹绞絺魉托畔ⅲ皇且圆⑿蟹绞絺魉托畔?。本?yīng)用指南討論了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的常用挑戰(zhàn),，及怎樣使用泰克新推出的DPO4000系列示波器中提供的功能迎接這些挑戰(zhàn)。

并行與串行比較

        在并行結(jié)構(gòu)中,，總線的每個(gè)組件都有自己的信號(hào)路徑,。可能有16 條地址線,、16 條數(shù)據(jù)線,、一條時(shí)鐘線和各種其它控制信號(hào)。通過總線發(fā)送的地址或數(shù)據(jù)值會(huì)通過所有并行線路同時(shí)傳送,。因此,，使用大多數(shù)示波器和邏輯分析儀中的狀態(tài)觸發(fā)或碼型觸發(fā)功能觸發(fā)感興趣的事件相對(duì)簡(jiǎn)便。同時(shí),，可以簡(jiǎn)便地一目了然地了解在示波器或邏輯分析儀顯示屏上捕獲的數(shù)據(jù),。例如，在圖1 中，我們使用邏輯分析儀從微控制器中采集時(shí)鐘線,、地址線,、數(shù)據(jù)線和控制線。通過使用狀態(tài)觸發(fā),，我們隔離了我們查找的總線,。為“解碼”總線上發(fā)生的情況，我們需要查看每條地址線,、數(shù)據(jù)線和控制線的邏輯狀態(tài),。

        在串行總線中，所有這些信息都必須以串行方式在相同的少數(shù)導(dǎo)線 (有時(shí)是一條) 上發(fā)送,。這意味著一個(gè)信號(hào)可能包括地址信息,、控制信息、數(shù)據(jù)信息和時(shí)鐘信息,。例如,，看一下圖2 中所示的控制器區(qū)域網(wǎng) (CAN) 串行信號(hào)。

圖1. 邏輯分析儀采集的微控制器的時(shí)鐘,、地址總線,、數(shù)據(jù)總線和控制線。

圖2. CAN總線中采集的一條消息,。

圖3. I2C總線中采集的一條消息,。

圖4. I2C消息結(jié)構(gòu),。

• Start - 表明設(shè)備控制總線，一條消息將開始傳送
• Address -7 位或10 位數(shù)字,，表示將要讀取或?qū)懭氲脑O(shè)備地址
• R/W Bit - 1 位,，表明是否將從設(shè)備中讀取數(shù)據(jù)或向設(shè)備寫入數(shù)據(jù)
• Ack - 1 位，來自從設(shè)備,，確認(rèn)主設(shè)備的操作,。通常每個(gè)地址和數(shù)據(jù)字節(jié)有一個(gè)確認(rèn)位，但不總是有確認(rèn)位
• Data - 從設(shè)備中讀取或?qū)懭朐O(shè)備的字節(jié)的整數(shù)
• Stop - 表明消息結(jié)束,，主設(shè)備已經(jīng)釋放總線

圖5. I2C總線設(shè)置菜單,。

圖6. I2C總線實(shí)例。

圖7. I2C地址和數(shù)據(jù)總線波形解碼。

表1.總線條件。

• Start - 在SDA 變低,、SCL 為高時(shí)觸發(fā),。
• Repeated Start - 在沒有上一個(gè)停止條件下發(fā)生開始條件時(shí)觸發(fā)。這通常是主設(shè)備發(fā)送多條消息,、而沒有釋放總線時(shí)發(fā)生的情況,。
• Stop - SDA 為高、SCL 為高時(shí)觸發(fā),。
• Missing Ack - 從設(shè)備通常配置成在每個(gè)地址和數(shù)據(jù)字節(jié)后發(fā)送確認(rèn),。在從設(shè)備沒有生成確認(rèn)位的情況下示波器可以觸發(fā)采集。
• Address - 觸發(fā)用戶指定的地址或任何預(yù)先編程的專用地址,，包括全呼,、開始字節(jié)、HS模式,、EEPROM或CBUS,。地址可以是7 位或10 位地址，以二進(jìn)制或十六進(jìn)制輸入,。
• 數(shù)據(jù) - 觸發(fā)二進(jìn)制或十六進(jìn)制輸入的最多12 字節(jié)的用戶指定數(shù)據(jù)值
• 地址和數(shù)據(jù) - 可以輸入地址數(shù)據(jù)值及讀寫,，捕獲確切的感興趣的事件

圖8. 常用的SPI 配置,。

圖9. 串聯(lián)SPI 配置,。

圖10. SPI 總線設(shè)置菜單。

圖11. 通過SPI 控制的合成器,。

        通道1 (黃色) 是SCLK,，通道2 (青色) 是MOSI，通道3(洋紅色) 是SS,。為確定我們是否對(duì)設(shè)備正確編程,，我們看一下合成器的產(chǎn)品資料?？偩€上的前三個(gè)消息假設(shè)是初始化合成器,、加載分路器比率、鎖存數(shù)據(jù),。根據(jù)技術(shù)數(shù)據(jù),，前三個(gè)傳送中最后半個(gè)字節(jié) (一個(gè)十六進(jìn)制字符) 應(yīng)該分別是3, 0 和1，但我們看到的是0, 0 和0,。在消息末尾全是0 時(shí),，我們認(rèn)識(shí)到，我們?cè)赟PI 中犯了一個(gè)最常見的錯(cuò)誤,，即在軟件中以相反的順序在每個(gè)24位字中對(duì)各個(gè)位編程,。在迅速改變軟件配置后，得到下
面的采集,，VCO 正確鎖定在2.5 GHz,，如圖13 所示。在上面的實(shí)例中,，我們使用簡(jiǎn)單的SS Active 觸發(fā),。DPO4000 系列中完整的SPI 觸發(fā)功能包括下述類型：

• SS Active - 在從設(shè)備選擇行對(duì)從設(shè)備變真時(shí)觸發(fā)。
• MOSI - 在從主設(shè)備到從設(shè)備用戶指定最多16 個(gè)字節(jié)時(shí)觸發(fā),。
• MISO - 在從設(shè)備到主設(shè)備用戶指定最多16 個(gè)字節(jié)時(shí)觸發(fā),。
• MOSI/MISO - 在主設(shè)備到從設(shè)備及從設(shè)備到主設(shè)備用戶指定最多16 個(gè)字節(jié)時(shí)觸發(fā)。

        這些觸發(fā)也可以隔離感興趣的特定總線業(yè)務(wù),，解碼功能則可以立即查看采集中總線傳送的每條消息的內(nèi)容,。

圖12. 采集SPI 總線之外的合成器配置消息。

圖13. 正確的合成器配置消息,。

圖14. CAN數(shù)據(jù)/ 遠(yuǎn)程幀,。

• SOF - 幀以幀頭 (SOF) 位開始
• 仲裁 - 仲裁字段包括標(biāo)識(shí)符(地址)和遠(yuǎn)程傳輸請(qǐng)求(RTR) 位,，用來區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)幀和數(shù)據(jù)請(qǐng)求幀,，其也稱為遠(yuǎn)程幀。標(biāo)識(shí)符可以采取標(biāo)準(zhǔn)格式 (11 位 - 2.0A 版)或擴(kuò)展格式 (29 位 - 2.0B 版),。
• 控制 - 控制字段由6個(gè)位組成,，包括標(biāo)識(shí)符擴(kuò)展 (IDE)位，它區(qū)分CAN 2.0A (11 位標(biāo)識(shí)符) 標(biāo)準(zhǔn)幀和CAN2.0B (29位標(biāo)識(shí)符)擴(kuò)展幀,?？刂谱侄芜€包括數(shù)據(jù)長(zhǎng)度代碼 (DLC)。DLC長(zhǎng)4 位,，表明數(shù)據(jù)幀中數(shù)據(jù)字段的字節(jié)數(shù)或遠(yuǎn)程幀請(qǐng)求的字節(jié)數(shù),。
• 數(shù)據(jù) - 數(shù)據(jù)字段由0-8 個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)組成。
• CRC - 15 位循環(huán)冗余校驗(yàn)代碼和隱性分隔符位,。
• ACK - 確認(rèn)字段長(zhǎng)兩位,。第一個(gè)位是時(shí)隙位，作為隱性位傳輸,，但之后被成功地收到傳輸消息的任何節(jié)點(diǎn)傳送的顯性位覆蓋,。第二個(gè)位是是隱性分隔符位。
• EOF - 七個(gè)隱性位,，表明幀尾 (EOF),。

圖15. CAN總線設(shè)置菜單,。

圖16. 觸發(fā)CAN總線上的特定標(biāo)識(shí)符和數(shù)據(jù)，解碼采集中的所有消息,。

        圖中的白三角形是我們放在波形上作為參考點(diǎn)的標(biāo)記,。通過簡(jiǎn)單地按示波器前面板上Set/Clear Mark (設(shè)置/ 清除標(biāo)記)按鈕，可以在屏幕中增加或從屏幕中刪除標(biāo)記,。按前面板上的Previous和Next按鈕,，縮放窗口從一個(gè)標(biāo)記跳到另一個(gè)標(biāo)記，從而可以簡(jiǎn)便地在采集中感興趣的事件之間導(dǎo)航,。

        現(xiàn)在想象一下,，如果沒有這些功能會(huì)怎樣執(zhí)行這一任務(wù)。

        如果沒有CAN觸發(fā)功能,，您將不得不觸發(fā)開關(guān)本身,，捕獲時(shí)間窗口足夠長(zhǎng)的活動(dòng)，然后在CAN 總線上逐幀手動(dòng)解碼,，直到最終找到適當(dāng)?shù)膸?。以前需要幾十分鐘或幾個(gè)小時(shí)完成的工作，現(xiàn)在只需要一會(huì)兒就可以完成,。

DPO4000 強(qiáng)大的CAN 觸發(fā)功能包括下述類型：

• 幀頭- 觸發(fā)SOF 字段,。
• 幀類型- 選項(xiàng)包括數(shù)據(jù)幀, 遠(yuǎn)程幀, 錯(cuò)幀和過載幀
• 標(biāo)識(shí)符- 使用讀/ 寫判定觸發(fā)特定的11 位或29 位標(biāo)識(shí)符
• 數(shù)據(jù)- 觸發(fā)1-8 字節(jié)用戶指定的數(shù)據(jù)
• Missing Ack- 在接收設(shè)備沒有提供確認(rèn)時(shí)觸發(fā)
• 幀尾- 觸發(fā)EOF 字段

        這些觸發(fā)類型可以輕松隔離CAN 總線上查找的幾乎任何項(xiàng)目。但觸發(fā)只是開始,。調(diào)試通常要求檢查觸發(fā)前和觸發(fā)后的消息內(nèi)容,。可以通過DPO4000 系列的事件表簡(jiǎn)單地查看一次采集中的多個(gè)消息的內(nèi)容，如圖17 所示,。

圖17. CAN事件表,。

圖18. 在CAN總線采集中搜索指定的標(biāo)識(shí)符的數(shù)據(jù)。