低速串行總線信號的采集解碼和調試

驗證低速串行總線信號需要的不僅僅是簡單的電壓vs時間波形的測量LeCroy示波器擁有多種對于串行總線的分析和觸發能力，最大限度增加工程師對于串行總線信號驗證的信心。本文將介紹一些列串行總線信號的采集，觀測，解碼和調試，包括的協議有：RS232, generic UARTs, 12C, CAN,Flexray, LIN, ARINC 429, MIL-STD-1553, MIPI D-PHY, DigRF 3G, DigRFv4 and Audio applications (12S, LJ, RJand TDM)．
低速串行總線
近年來，低速串行總線在產品研發和終端產品市場中不斷涌現，其中一些是在專業領域的應用如FlexRay總線常見于汽車電子工業中，另一些則較為通用，涵蓋大部分市場和產品應用，例如RS232和UARTs總線。新的總線協議不斷出現在市場中給廣大產品設計者和最終用戶提供更多新功能和更強大的產品性能，但是另一方面，也增加了驗證和調試這些總線信號的挑戰。是從示波器中的串行解碼菜單中截取了我們所能提供的低速串行總線捕獲，解碼和調試的協議，覆蓋相當廣泛。
Figure 1：力科示波器能夠測試和解碼的低速串行總線協議非常廣泛。
有部分低速串行總線使用特殊的架構增加了抗共模噪聲和干擾的能力，這種架構常見于一些高速串行總線協議中，如USB和PCI Express總線，由于電壓幅值較低，極易收到噪聲干擾。汽車電子中使用的CAN總線即是一種低速差分總線，它在發送端和接收端均使用相同比特率的差分信號線。
Figure 2：使用差分方式的串行信號差分編碼的串行信號可以共立使用示波器內置的數學計算方式分離出來（使用示波器的兩個通道分別采集兩根差分線信號，然后做通道間相減運算，得出實際差分信號），或者使用更好得一種方式：直接使用差分探頭采集。差分探頭是專為采集差分信號而設計的，它提供了兩路基本相同的信號采集路徑，相同的信號衰減匹配，相同的頻率響應和時間遲滯。兩路信號接入差分探頭內置的差分放大器，可以最大化探頭的共模抑制比( CMRR)，分離出相應的單端信號用于示波器后面的分析工作。與差分信號串行總線相對的，一些低速串行信號，如I2C信號，使用一組雙線拓撲組成信號線，SDA，和時鐘線，SCL。首先，采集和調試串行總線第一步應該是驗證物理信號的完整性和信號質量，之后再進行協議分析，因為物理層信號的穩定性和有效性對于整個系統的穩定至關重要。 現代數字示波器中，我們可以使用毛刺Glitch，欠幅Runt，跌落Dropout，和觸發抑制等功能幫助我們捕獲和觸發時鐘或串行數據中的錯誤。也可以使用如WaveScan功能，能夠觸發（或靜態掃描）非線性的上升邊沿、不符合協議規范的上升／下降時間，或不符合串行數據標準規格的其他信號特征。目前示波器行業存在兩種不同的解決方案定位信號異常，大多數福祿克品牌的示波器通過增加觸發速度（刷新率）和使用余輝顯示發現信號異常。但是力科示波器使用智能觸發模式，通過觸發設置快速定位異常。原因是所謂的快刷新模式仍然有很大的示波器死區時間，在死區時間段內示波器仍有可能丟失一閃而過的錯誤信號，特別是非常偶發的錯誤。而力科示波器的智能觸發能夠使示波器10096時間處于觸發準備狀態（無死區時間），一旦有希望觸發的信號出現，示波器即能夠迅速捕獲。另外，大多數的快速刷新模式無法與高級觸發選項配合使用，而只能讓用戶使用簡單的邊沿觸發模式，但是邊沿觸發對于調試串行總線信號毫無用處，因為每一個有效位信號都是脈沖信號。那么智能觸發又是如何保證信號捕獲的？智能觸發掃描進入示波器的每一個狀態，在滿足觸發條件之前，示波器的觸發沒有任何死區時間，直到捕獲到感興趣的異常信號。使用“Normal”采集模式配合智能觸發能夠增加異常信號觸發幾率，增加采集存儲深度和更好的采集信號分析能力。許多現代德圖示波器也允許將采集到的波形實時保存到示波器本地，然后迅速重置觸發繼續監視總線信號。但是這段保存波形的時間實際上無法控制，會比預期的時間長得多。有些示波器也使用智能采集模式，但是無法設定確切得觸發條件。我們在CANBus信號中搜索Runt欠幅的條件。任何滿足條件的欠幅信號都會被捕獲并停止示波器采集進行進一步分析。圖中左側的表格中顯示了找到的9個欠幅數據，我們點擊第四個捕獲的實例，示波器會自動為我們高亮出波形的位置以及放大后的波形細節。
Figure 4：欠幅觸發可以用于幫助查找CANBus信號完整性問題，上面的曲線顯示的是采集到的長序列原始信號，其中找到了9個欠幅問題，定位到第四個欠幅后可以在放大區域內看到波形細節。智能觸發模式不僅可以檢測到欠幅和非線性的上升沿，而且也可以捕獲不符合規格的占空比，上升／下降時間，頻率和周期變化，脈寬抖動和時間遲滯等。示波器還可以搜索異常的過沖或下沖。所有這些搜索的項目都可以配合搜索條件設置選項，，增強調試分析的能力。
Figure 5：智能觸發設置可以對欠幅，脈沖寬度，頻率，上升／下降時間，信號跌落等設置量化的搜索條件每種類型的串行數據協議都有自身的規格參數定義了其物理層和協議層的信息。物理層規范主要是規定了實際信號對于理想信號的容限值。理想和容限值的設定包括比特率的抖動，數據／時鐘時間參數，電平閡值和波形形狀等信息。示波器的模板工具也可以進行信號物理層的驗證。所示，采集的是FlexRay信號，眼圖模板驗證中，不符合模板規范的信號位置都會被紅圈標出。這種現象表示信號序列中有一些部分是不滿足FlexRay協議規范的，因此對于系統是非兼容的信號。這種情況下我們必須對信號的設計進行再次驗證和調試。
Figure 6：Flexray信號波形的眼圖模板測試
有時候工程師會認為進行串行總線信號的解碼或調試協議層是沒有必要的，因為工程師DeltaTRAK會冒險得認為芯片廠商提供的總線或器件都是符合協議規范的。但是實際情況并非如此。協議觸發和解碼功能通常都是示波器的選配功能。工程師可以根據需要在單臺示波器上選配一種或多種協議觸發解碼的選件進行安裝。示波器協議觸發和解碼可以有多種不同的方式。有些僅需要簡單的邊沿觸發，然后解碼電壓vs時間信號，將解碼后的信息顯示給用戶就可以了。相比這種簡單的解碼，力科示波器可以提供給用戶觸發特定的地址和數據位，或者是錯誤信息。錯誤信息觸發能夠由用戶指定錯誤地條件進行查找，也可以長時間掃描任何出現的錯誤。不同示波器廠商的協議解碼功能差別也很大。圖7中顯示的力科示波器的解碼功能，顯示了觸發，解碼值列表，和根據不同碼段高亮覆蓋的不同顏色的波形可以讓我們更清晰得理解總線上傳輸的不同類型的信息。
Figure 7：設置觸發條件為特定地址范圍。示波器對于MIL-STD-1553總線錯誤信息解碼。
Figure 8：觸發和解碼協議分析，對于總線上的錯誤信息觸發
總結
串行總線調試和驗證需要對總線本身和協議層有一定了解?，F代示波器中有多種工具都可以使用。總線信號的質量，或者信號完整性的驗證，應該是分析總線信號的第一步，我們可以使用力科示波器的智能觸發和WaveScan功能進行驗證。在協議層調試階段，我們也會提供更多得技術資料和應用案例使工程師更多得了解示波器的這些功能特點。