邏輯分析儀為I2C信號量測提供完整方案

I2C 匯流排在電子產品中，很常見的一種匯流排，它的好處就是只需要兩條線，就可以并聯很多 IC 進行控制。但因為多裝置(Device) 及開路集極(Open drain)的架構，常使I2C 匯流排除錯工作變得困難. 本文將提出一些實際的應用案例，并使用邏輯分析儀(Logic Analyzer)之各項功能，來協助排除問題。

使用轉態儲存進行長時間資料紀錄

在 I2C匯流排訊號發生異常時，常無法明確的知道是哪個裝置出錯。因此，無法用設定觸發的方式來做問題點的定位。使用者多半會考慮先把所有的波形都擷取回來再慢慢分析。但邏輯分析儀基本是以采樣的方式擷取訊號，不管訊號有沒有改變，都會隨著采樣擷取動作的進行，而不斷地消耗記憶體。而轉態儲存(Transitional Storage)功能是一種波形資料的儲存模式，只在波形轉態(Transition)的時候才將波形資料儲存起來，這樣當資料不轉態時，邏輯分析儀就可以持續的等候且不存任何資料到記憶體內。相對于每個采樣點都存一次資料的作法，轉態儲存將可以記下更多的資料。由于I2C 的傳輸速度如下表一，整體來看速度都不會很快。 因此會非常地適合使用轉態儲存，來拉長可儲存的時間。

表一I2C 個模式傳輸速度。

利用I2C觸發來定位問題點

舉例來說，電路板上I2C 匯流排連接了裝置 A 與裝置 B，但在長時間燒機測試(Burn-In Test)的過程中，I2C 匯流排發生錯誤的問題。已知的現象是當發生錯誤時，I2C 匯流排上會出現無效的位址(Address)，并且燒機的過程中會出現數次。 如何能利用邏輯分析儀來做做問題厘清? 這樣的問題，若想把所有的波形資料都抓下來，其實是有困難的。 因為出現問題的時間點及次數都很不一定，且長達好幾天的燒機測試也使得把所有的資料都 Log 下來顯得不切實際，又必須在大量的資料中尋找問題點。也是相當費時費力的工作。

因此，可采用邏輯分析儀中的I2C 觸發功能來進行定位。首先，先把裝置 A(Addr:12h) 與裝置 B (Addr:34h)的有效位址輸入。 然后讓邏輯分析儀找出不符合上述兩個條件的地址。實際設定如圖一所示。

圖一 利用I2C 觸發功能進行無效位址定位。

然后再搭配邏輯分析儀擷取波形后自動儲存功能，就很在燒機的過程中，每次觸發成功就存檔，之后再檢視存檔波形之觸發點即可。善用I2C 觸發功能可以快速的協助波形定位，會比資料抓得多來的有意義很多。同樣的，善用整個使用I2C 參數來做為觸發條件，例如地址符合或資料符合或多階式的觸發來指定更精準的觸發，這些都是單純使用邊緣觸發(Edge Trigger)所無法做到的功能。

I2C 觸發檢查時間違反(Timing violation)的問題點

I2C 匯流排會規范 SCL與 SDA 必須按規定時間送出，不然整個匯流排的行為將會發生錯誤，導致通訊失敗。有時候實際波形的時間已經超出規格，但卻無法在開發及驗證被挑出來，因為有時候時間誤差都不大，使得產品仍可正常使用。 但常常問題會流到量產時才爆發出來，造成量產不良率攀升。甚至到使用者手上才出現問題。這都是產品開發所不樂于見到的結果。

以圖二所示，可啟用邏輯分析儀之時間違反檢查當作觸發條件,設定所需檢查的時間值，再讓邏輯分析儀協助挑出時間違反的地方。邏輯分析儀系統采用 200MHz 采樣率來進行采樣。 因此，可檢查之最小時間寬度為 5ns。這樣，就可以輔助使用者，利用觸發來做時間違反檢查。非常適合于燒機測試時，用這個方式檢測I2C 匯流排的訊號時間。

圖二 時間違反觸發功能之設定畫面。

采用舒密特觸發電路架構擷取品質良好的I2C 訊號

使用邏輯分析儀進行量測時，常會看到一些雜訊。但使用示波器看的時候似乎又沒有，是甚么原因? 要如何排除? 這是因為I2C 匯流排是開路集極架構，匯流排上又同時接了很多裝置，還有一些靜電防護零件等等。可能使得I2C波形不見得會是很好的方波。 常見的I2C 波形如圖三、四所示。但這樣的波形在I2C 規范里面，是正常可接受的，并沒有問題。

圖三 常見的I2C 匯流排訊號(一), 上方為 SCL, 下方為 SDA。

圖四 常見的I2C 匯流排訊號(二), SDA 訊號。

也因為這樣，一般I2C晶片，都會規范在訊號輸入腳位必須要有舒密特觸發(Schmitt trigger)電路，以便于完善的解決訊號輸入后能正確的處理邏輯訊號。為此，邏輯分析儀也可循此法做較完善的訊號解擷取動作。圖五為一般邏輯分析儀，此用單一個觸發準位的方式來做邏輯0與邏輯1 的區分。這樣的作法，很容易在待測訊號經過觸發準位(Threshold)附近時，產生很多不可預期的邏輯變化。 使得擷取出來的訊號像是雜訊或彈跳的現象。

圖五 邏輯分析儀采單一觸發準位模式示意圖。

若采用低通濾波(Low-pass filter)的做法，是可以濾除雜訊，但又使得可能造成線路問題的高頻雜訊也同時被濾掉了。無論如何，這都不是適當的解決方案。