Отладка последовательных протоколов с помощью осциллографа

Сравнение осциллографа и логического анализатора

В целях декодирования протоколов можно использовать осциллограф, логический анализатор или специальный анализатор протоколов. Однако какой из приборов наиболее эффективен? Давайте сравним эти три прибора.

Каналы логического анализатора по своей сути являются цифровыми компараторами. Они способны различать только высокий и низкий уровень сигнала. Типичные логические анализаторы имеют как минимум восемь каналов, а некоторые модели — 32 канала или более. Анализаторы протоколов похожи на логические анализаторы, однако они оснащены специальным аппаратным и программным обеспечением для конкретного протокола и способны декодировать последовательную линию передачи.

Несмотря на свое высокое разрешение, осциллографы, как правило, ограничиваются двумя или четырьмя каналами. Повышенная разрядность позволяет определять аналоговые характеристики сигналов.

К счастью, с современными осциллографами не приходится делать выбор в пользу одного из трех вариантов. Многие осциллографы, в том числе все модели Rohde & Schwarz, имеют аналоговые и цифровые логические каналы. Такие модели известны как осциллографы для смешанных сигналов.

Некоторые осциллографы даже оснащены функциями декодирования протоколов для последовательных шин. Например, модели R&S®RTB2000, R&S®MXO 4 или R&S®RTO 6 имеют встроенные функции декодирования и запуска для основных последовательных протоколов.

Осциллограф с блеском проявляет себя при обнаружении ошибок в протоколе. Аналоговый канал (или каналы), в котором ведется дискретизация шины, может показать наличие аналоговой проблемы в момент до или после ошибки протокола. Это фактически невозможно при использовании логического анализатора.

Ввиду того, что существует множество разнообразных последовательных протоколов и их поддержка зависит от модели осциллографа, далее приводятся советы по отладке для наиболее широко применяемых шин.

UART

Универсальный асинхронный приемопередатчик (UART, Universal Asynchronous Receiver-Transmitter) также иногда называется последовательным интерфейсом. Передаваемый и принимаемый сигнал представляют собой провода без дискретной синхронизации. Соединение устанавливается по схеме «точка-точка», т. е. обычно подключаются только два устройства.

В некоторых случаях отладка UART проводится предельно просто, т. к. требуется проверить только один сигнал: TX или RX. Однако на практике для анализа связи обычно рассматриваются оба направления.

В протоколе UART применяется универсальный формат кадра. Имеется переменное количество стартовых и стоповых битов и дополнительный бит четности. Для передачи данных, как правило, используются 8 битов данных. Асинхронность UART означает, что ведущее и ведомое устройства должны заранее согласовать эти параметры и скорость передачи в бодах. Такие же требования применяются к осциллографу во время отладки.

Совет: декодеры обычно позволяют изменять скорость передачи после захвата. При неудовлетворительных результатах декодирования следует изменить это значение. В противном случае правильное выполнение декодирования (или запуска) будет невозможно.

SPI и QSPI

SPI (Serial Peripheral Interface) — последовательный периферийный интерфейс. Он работает как регистр сдвига. Все устройства используют общий тактовый сигнал, а также сигналы MOSI (выход ведущего, вход ведомого) и MISO (вход ведущего, выход ведомого). Это соответствует сигналам TX и RX в протоколе UART. Однако здесь явным образом задается направление передачи данных. Например, через MOSI данные передаются от ведущего устройства к ведомому, а через MISO — в обратном направлении. Это снижает риск захвата неверного сигнала пробником.

Протокол SPI поддерживает несколько устройств в одной шине. Устройства различаются между собой посредством сигнала выбора кристалла (CS). В схемах с одним устройством SPI сигнал CS можно опустить (или постоянно включить). Соответственно, при передаче данных только в одном направлении требуется лишь подключение соответствующего сигнала MOSI или MISO.

Отладка на осциллографе проводится по аналогичному принципу. Если в шине имеется только одно устройство, захват сигнала CS не требуется. И если данные передаются только в одном направлении, большинство декодеров могут работать с одним захваченным сигналом. При этом всегда требуется тактовый сигнал.

Что такое QSPI?

Протокол QSPI (Quad SPI) обеспечивает четырехкратную скорость передачи данных и является преобладающим интерфейсом в чипах флеш-памяти. По аналогии с SPI здесь используются тактовый сигнал, сигнал выбора кристалла и сигналы передачи данных.

I2C (Inter-Integrated Circuit)

Протокол I²C (Inter-Integrated Circuit) был разработан компанией Philips, которая сегодня входит в состав концерна NXP. Иногда для устройств с поддержкой I²C применяют термин «двухпроводный» во избежание проблем с товарным знаком или лицензией.

Все устройства в шине используют общий тактовый сигнал и общую линию данных, при этом каждое устройство должно иметь уникальный адрес. В общем случае датчики или устройства с поддержкой I²C должны иметь базовый адрес, который включает в себя несколько младших битов. С их помощью можно подключать к шине множество одинаковых датчиков, используя минимальное количество выводов.

Для отладки I²C на осциллографе требуются два канала. Тактовый сигнал передается только во время связи ведущего устройства с ведомым устройством, поэтому осциллограф должен захватывать тактовый сигнал и сигнал передачи данных.

I²C: 7- или 8-битная адресация (либо 10-битная адресация)

В протоколе I²C применяются два способа адресации: 7-битная и 10-битная адресация. Наиболее распространена 7-битная адресация, однако здесь иногда возникает путаница, когда адрес рассматривается как 8-битный.

Путаница возникает из-за бита R/W (Read/Write), который следует за адресом. В операциях чтения это значение устанавливается на «1», а в операциях записи — на «0». Поэтому, если при отладке I2C не происходит запуск по ожидаемому адресу, попробуйте сместить адрес на один бит влево и включить значение R/W.

Шина CAN

Шина CAN (Controller Area Network) была разработана для автомобилей и сегодня широко применяется в транспортной отрасли. Дифференциальная передача повышает устойчивость к электрическим помехам, что особенно важно для промышленного применения.

Несмотря на дифференциальную передачу, дифференциальный пробник для осциллографа в большинстве случаев не требуется. Для декодирования шины в осциллографе достаточно подключить несимметричный пробник к сигналу CANH или CANL.

Существуют две версии CAN 2.0: базовая (11-битная адресация) и расширенная (29-битная адресация). Их форматы кадров слегка различаются в полях арбитража и контроля, однако в остальном пакеты имеют одинаковую структуру.

В шине CAN используются только два сигнальных провода, ни один из которых не является тактовым сигналом. В случае неправильного декодирования попробуйте изменить точку выборки данных декодером.

Сравнение декодирования и запуска

Декодирование — это метод последующей обработки, при котором проводится анализ полученной осциллограммы, а протокол декодируется в удобный для восприятия человеком формат. Как правило, декодированные данные накладываются на осциллограмму или выводятся в виде таблицы. (Некоторые осциллографы, например R&S RTE, RTO6 и RTP, также содержат дополнительные средства анализа, такие как функция анализа использования шины). Осциллографы с глубокой памятью могут захватывать сигналы в течение длительного времени и затем выполнять поиск в целях выявления определенных событий (или частоты этих событий). Это реализуется в первую очередь на программном уровне.

В отличие от этого, запуск осуществляется в системе запуска осциллографа. Запуск по протоколу непрерывно контролирует последовательную шину и срабатывает при обнаружении определенного события. Например, двумя общепринятыми условиями запуска являются адрес I2C и состояние ошибки (ошибка четности или отсутствие подтверждения). Как правило, условия запуска ограничиваются несколькими операциями для конкретного протокола и разрядностью адреса, данных или полезной нагрузки. Это реализуется в первую очередь на аппаратном уровне.

В некоторых осциллографах комбинируются оба варианта: система запуска может автоматически срабатывать, если декодер протокола обнаруживает представляющее интерес событие, а затем помещает это событие в центр экрана. Если ваш осциллограф пропускает определенные события, проверьте в руководстве пользователя, какие условия запуска реализованы на аппаратном уровне, а какие — на программном уровне.