混和信號數字示波器在通用串行總線開發中的應用

張國躍

在嵌入式系統的開發過程中，串行總線的協議分析一直是一件令工程師頭疼的工作。在有邏輯分析儀的情況下，工程師需要進行復雜的觸發條件設定，才能捕獲到需要的數據，這樣既需要昂貴的設備投資也要花費大量的時間進行儀器設置；隨著示波器技術的不斷發展，串行總線觸發和分析功能在一些高端示波器中出現，并受到嵌入式工程師的歡迎。但不同廠家的示波器在串行總線分析方面的功能和性能是有很大區別的。

使用示波器進行串行總線觸發

使用普通示波器只能進行一般的邊沿觸發和脈寬觸發，很難捕捉到復雜的串行總線波形。而使用帶有串行總線觸發功能的示波器可以方便地捕獲到需要的串行數據。橫河公司的DLM2000系列數字示波器支持多種常用串行總線的觸發，包括CAN/LIN/I²C/SPI/UART，甚至可以對用戶自己定義的非標準串行總線進行觸發。根據每種總線結構的不同，可以設置多種觸發模式。觸發模式越多，捕獲數據的能力就越強。

在嵌入式系統中，往往同時存在兩種甚至兩種以上的串行總線結構，例如汽車電子中CAN和LIN總線經常同時被使用，也經常需要分析兩種總線的通訊配合是否出現問題。而多數帶串行總線觸發功能的示波器同時只能觸發一種總線，要實現CAN和LIN總線同時觸發，只能使用兩臺示波器、而兩臺示波器的同步問題也很難解決。DLM2000系列示波器的雙總線觸發功能則可以輕松實現任意兩種串行總線的組合觸發。

使用示波器進行串行總線解碼分析

觸發到需要的串行數據后，工程師面對的仍然是數據的原始波形，要想進行高效的總線分析，需要對波形進行解碼。目前，數字示波器中所用的解碼技術包括軟件解碼和硬件解碼。軟件解碼是將波形數據通過示波器中的軟件進行運算獲得解碼結果，雖然可以降低硬件成本，但對CPU的運算速度要求很高。在實際應用中，采用軟件解碼的示波器解碼一次需要幾秒甚至十幾秒的時間。這樣的解碼速度已經失去了實時分析的意義，因為大多數數據已經在等待解碼中丟失了。少數高端示波器采用了硬件解碼技術解決了這一問題，使實時解碼分析成為可能。

在顯示解碼結果的同時，還可以顯示所有捕獲幀的解碼列表，非常便于波形與解碼結果的對應觀測。

要獲得正確的解碼結果，需要根據不同的總線參數對示波器進行設置。以CAN總線分析為例，需要指定總線類型為CAN，設置CAN信號對應的通道，通過調節觸發電平和時間軸對CAN總線進行觸發，然后調節比特率，設置隱形電平等，如果是SPI總線，還要指定3線制或4線制，指定時鐘信號，片選信號。這個設置過程需要非常仔細，其中任何一項設置得不合適，解碼結果都有可能出不來。尤其是比特率設置，稍有誤差，得到的解碼結果有可能就是錯的。

復雜的設置過程浪費了一部分調試時間，沒有充分發揮示波器提高開發效率的作用。而DLM2000示波器實現了串行總線觸發和解碼分析的自動設置，用戶只需要設置好總線類型和信號源通道，系統便可以自動調整比特率，觸發電平，隱形電平等其他設置，在短短兩秒鐘內就可以將觸發波形和解碼結果同步顯示出來。這一功能使繁瑣的串行總線設置變得非常方便，大大提高了工程師的開發效率。

下面就幾種常用的串行總線介紹一下使用示波器進行串行總線分析的技巧。

CAN總線控制過程的記錄和分析

在進行CAN總線分析時，工程師通常希望示波器能夠捕獲某個完整的控制過程，比如車窗的開啟或關閉過程。這些過程通常會持續幾秒鐘或十幾秒鐘時間，記錄這么長時間的數據要求示波器有很大的存儲深度。而目前200MHz～500MHz帶寬的示波器一般每個通道的存儲深度只有10Mpoints以下，想記錄幾秒鐘的CAN總線波形是很難做到的。DLM2000可以擴充到單通道125Mpoints，這樣就可以完整地記錄一個十幾秒甚至更長的控制過程。

對于一個過程的分析，最重要的就是這個過程的開始階段和結束階段。當捕獲到一個控制過程之后，用戶可以打開一個放大窗口，移動到過程的起始點，觀測起始點的細節情況。如果想同時觀測結束點的細節，一般示波器就無能為力了，而DLM2000繼承了橫河DL系列示波器的雙窗口放大的獨特功能，可以同時觀測兩個位置的波形細節，并獨立調節縮放比例。

偶發異常信號的捕獲

在將時基Time/Divi調節到比較小用來觀測波形細節時，有可能會有一些偶發的異常信號或者錯誤幀，當用戶想抓住這些波形時已經來不及了，如果使用歷史存儲功能(也被稱為分段存儲技術)就可以解決這一問題。DLM2000可以將大內存平均分割成若干塊，捕獲到的一屏屏波形沒有被馬上覆蓋掉，而被存入了歷史內存中。這樣的話，即使發現異常信號沒有被鎖定在屏幕上，只要用戶及時按下了采集停止鍵，異常信號很容易在歷史內存中被檢索出來。

CAN/LIN兩種總線同時觸發分析

在汽車電子應用中，CAN總線總是與LIN總線配合使用，所以經常會需要同時分析CAN總線和LIN總線。前面已經介紹過，DLM2000具有雙總線觸發功能，可以同時進行CAN和LIN總線的組合觸發。不但如此，兩種總線的解碼分析也可以同步進行。如圖3所示，兩種總線的解碼結果列表可以同時顯示在屏幕上，利用雙窗口放大功能可以分別觀測兩種總線的波形細節。當在列表中選擇不同的解碼項時，放大窗口的波形會自動切換到所對應的波形，非常便于觀測。

CAN總線比特率設置

CAN總線的標準速率一般是250kbit/s或500kbit/s。但是在研發階段，出于開發測試需要，工程師經常會將比特率調低或者調高，這樣如果示波器的總線參數只能設定為250kbit/s或s00kbit/s，則不能對非標準速率的CAN總線進行解碼。DLM2000可以靈活設置總線比特率，CAN總線速率可以在10.0kbit/s至1.000Mbit/s的范圍內以0.1kbit/s的步進值任意設定。

靈活使用濾波功能

在汽車電子實驗室的實際測試中，CAN總線信號會受到馬達點火等因素的干擾，使捕獲的波形帶有很多噪聲。如果想獲得清晰的總線信號需要將噪聲濾除。而一般示波器最低只有200MHz和20MHz兩種低通濾波器，對于20MHz以下的噪聲就無能為力了。而DLM2000標準配置中帶有200MHz至8kHz的14種濾波器，可有效濾除各種高頻噪聲。

如果使用內置的運算濾波功能，可以實現0.01Hz至滿帶寬的高通及低通濾波，既可以濾掉高頻噪聲，也可以濾掉基本信號來觀測高頻噪聲。另外、通過設置合適的截止頻率可以很容易獲得調制信號的基波。

串行總線應用越來越廣泛，出現了專門的串行總線協議分析工具，一般包括數據采集硬件和PC端軟件。這種設備可在PC端對串行總線協議進行詳細的解析和分析，但是其價格一股非常昂貴，功能局限于總現協議分析。另外，這類設備的硬件部分的采樣率比較有限，對于波形的細節分析，無法和示波器相比，由外部噪聲干擾產生的總線錯誤將很難檢測出來。而帶有強大濾波功能的示波器既可以觀測真實的物理波形，又可以通過濾波功能獲得清晰的總線信號。

隨著科技的飛速發展，串行總線技術也在不斷更新，應用越來越廣泛。在嵌入式開發非常普遍的今天，使用一款功能強大的示波器進行串行總線分析可以達到事半功倍的效果，簡化調試方式，提高開發效率。