低速串行总线信号的采集解码和调试

    验证低速串行总线信号需要的不仅仅是简单的电压vs时间波形的测量LeCroy示波器拥有多种对于串行总线的分析和触发能力，最大限度增加工程师对于串行总线信号验证的信心。本文将介绍一些列串行总线信号的采集，观测，解码和调试，包括的协议有：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)．
    低速串行总线
    近年来，低速串行总线在产品研发和终端产品市场中不断涌现，其中一些是在专业领域的应用如FlexRay总线常见于汽车电子工业中，另一些则较为通用，涵盖大部分市场和产品应用，例如RS232和UARTs总线。新的总线协议不断出现在市场中给广大产品设计者和最终用户提供更多新功能和更强大的产品性能，但是另一方面，也增加了验证和调试这些总线信号的挑战。是从示波器中的串行解码菜单中截取了我们所能提供的低速串行总线捕获，解码和调试的协议，覆盖相当广泛。
Figure 1：力科示波器能够测试和解码的低速串行总线协议非常广泛。
    有部分低速串行总线使用特殊的架构增加了抗共模噪声和干扰的能力，这种架构常见于一些高速串行总线协议中，如USB和PCI Express总线，由于电压幅值较低，极易收到噪声干扰。汽车电子中使用的CAN总线即是一种低速差分总线，它在发送端和接收端均使用相同比特率的差分信号线。
Figure 2：使用差分方式的串行信号差分编码的串行信号可以共立使用示波器内置的数学计算方式分离出来（使用示波器的两个通道分别采集两根差分线信号，然后做通道间相减运算，得出实际差分信号），或者使用更好得一种方式：直接使用差分探头采集。差分探头是专为采集差分信号而设计的，它提供了两路基本相同的信号采集路径，相同的信号衰减匹配，相同的频率响应和时间迟滞。两路信号接入差分探头内置的差分放大器，可以最大化探头的共模抑制比( CMRR)，分离出相应的单端信号用于示波器后面的分析工作。与差分信号串行总线相对的，一些低速串行信号，如I2C信号，使用一组双线拓扑组成信号线，SDA，和时钟线，SCL。首先，采集和调试串行总线第一步应该是验证物理信号的完整性和信号质量，之后再进行协议分析，因为物理层信号的稳定性和有效性对于整个系统的稳定至关重要。 现代数字示波器中，我们可以使用毛刺Glitch，欠幅Runt，跌落Dropout，和触发抑制等功能帮助我们捕获和触发时钟或串行数据中的错误。也可以使用如WaveScan功能，能够触发（或静态扫描）非线性的上升边沿、不符合协议规范的上升／下降时间，或不符合串行数据标准规格的其他信号特征。目前示波器行业存在两种不同的解决方案定位信号异常，大多数福禄克品牌的示波器通过增加触发速度（刷新率）和使用余辉显示发现信号异常。但是力科示波器使用智能触发模式，通过触发设置快速定位异常。原因是所谓的快刷新模式仍然有很大的示波器死区时间，在死区时间段内示波器仍有可能丢失一闪而过的错误信号，特别是非常偶发的错误。而力科示波器的智能触发能够使示波器10096时间处于触发准备状态（无死区时间），一旦有希望触发的信号出现，示波器即能够迅速捕获。另外，大多数的快速刷新模式无法与高级触发选项配合使用，而只能让用户使用简单的边沿触发模式，但是边沿触发对于调试串行总线信号毫无用处，因为每一个有效位信号都是脉冲信号。那么智能触发又是如何保证信号捕获的？智能触发扫描进入示波器的每一个状态，在满足触发条件之前，示波器的触发没有任何死区时间，直到捕获到感兴趣的异常信号。使用“Normal”采集模式配合智能触发能够增加异常信号触发几率，增加采集存储深度和更好的采集信号分析能力。许多现代德图示波器也允许将采集到的波形实时保存到示波器本地，然后迅速重置触发继续监视总线信号。但是这段保存波形的时间实际上无法控制，会比预期的时间长得多。有些示波器也使用智能采集模式，但是无法设定确切得触发条件。我们在CANBus信号中搜索Runt欠幅的条件。任何满足条件的欠幅信号都会被捕获并停止示波器采集进行进一步分析。图中左侧的表格中显示了找到的9个欠幅数据，我们点击第四个捕获的实例，示波器会自动为我们高亮出波形的位置以及放大后的波形细节。
Figure 4：欠幅触发可以用于帮助查找CANBus信号完整性问题，上面的曲线显示的是采集到的长序列原始信号，其中找到了9个欠幅问题，定位到第四个欠幅后可以在放大区域内看到波形细节。智能触发模式不仅可以检测到欠幅和非线性的上升沿，而且也可以捕获不符合规格的占空比，上升／下降时间，频率和周期变化，脉宽抖动和时间迟滞等。示波器还可以搜索异常的过冲或下冲。所有这些搜索的项目都可以配合搜索条件设置选项，，增强调试分析的能力。
Figure 5：智能触发设置可以对欠幅，脉冲宽度，频率，上升／下降时间，信号跌落等设置量化的搜索条件每种类型的串行数据协议都有自身的规格参数定义了其物理层和协议层的信息。物理层规范主要是规定了实际信号对于理想信号的容限值。理想和容限值的设定包括比特率的抖动，数据／时钟时间参数，电平阂值和波形形状等信息。示波器的模板工具也可以进行信号物理层的验证。所示，采集的是FlexRay信号，眼图模板验证中，不符合模板规范的信号位置都会被红圈标出。这种现象表示信号序列中有一些部分是不满足FlexRay协议规范的，因此对于系统是非兼容的信号。这种情况下我们必须对信号的设计进行再次验证和调试。
Figure 6：Flexray信号波形的眼图模板测试
    有时候工程师会认为进行串行总线信号的解码或调试协议层是没有必要的，因为工程师DeltaTRAK会冒险得认为芯片厂商提供的总线或器件都是符合协议规范的。但是实际情况并非如此。协议触发和解码功能通常都是示波器的选配功能。工程师可以根据需要在单台示波器上选配一种或多种协议触发解码的选件进行安装。示波器协议触发和解码可以有多种不同的方式。有些仅需要简单的边沿触发，然后解码电压vs时间信号，将解码后的信息显示给用户就可以了。相比这种简单的解码，力科示波器可以提供给用户触发特定的地址和数据位，或者是错误信息。错误信息触发能够由用户指定错误地条件进行查找，也可以长时间扫描任何出现的错误。不同示波器厂商的协议解码功能差别也很大。图7中显示的力科示波器的解码功能，显示了触发，解码值列表，和根据不同码段高亮覆盖的不同颜色的波形可以让我们更清晰得理解总线上传输的不同类型的信息。
Figure 7：设置触发条件为特定地址范围。示波器对于MIL-STD-1553总线错误信息解码。
Figure 8：触发和解码协议分析，对于总线上的错误信息触发
    总结
    串行总线调试和验证需要对总线本身和协议层有一定了解。现代示波器中有多种工具都可以使用。总线信号的质量，或者信号完整性的验证，应该是分析总线信号的第一步，我们可以使用力科示波器的智能触发和WaveScan功能进行验证。在协议层调试阶段，我们也会提供更多得技术资料和应用案例使工程师更多得了解示波器的这些功能特点。