泰克技术专栏：使用泰克ＭＳＯ４０００系列混合信号示波器调试混合信号嵌入式设计（一）

泰克科技(中国)有限公司

引言

当前的嵌入式设计工程师面临着系统复杂程度日益提高的挑战。典型的嵌入式设计可能会包括各种模拟信号、高速和低速串行数字通信、微处理器总线等。I²C和SPI等串行协议通常用于芯片间通信，但不能在所有应用中代替并行总线。微处理器、FPGA、模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)等集成电路给当前嵌入式设计带来了独特的测量挑战。工程师可能需要解码两个IC之间的SPI总线，同时在同一块系统电路板上观察ADC的输入和输出。图1是混合信号系统实例。

对配备4通道示波器的工程师来说，调试图1所示的硬件是一件困难而又让人畏缩的任务。许多工程师用惯了示波器，同时为了节约时间，可能会选择购买三四台示波器，以便一次探测多个信号。逻辑分析仪可以探测多个数字信号，但调试任务非常复杂，使用逻辑分析仪所带来的设置和学习过程有些不值得。幸运的是，对面临这一任务的工程师，泰克提供了一种新型仪器，称为混合信号示波器(MSO)，有效地满足了他们的需求。泰克MSO4000系列把16通道逻辑分析仪的基本功能与泰克4通道示波器倍受信任的性能结合在一起。本文介绍了混合信号嵌入式设计的调试，演示了泰克MSO4000提供的业内领先的性能。

使用MSO4000同时调试多个串行协议

嵌入式设计工程师通常使用串行协议，如I²C和SPI，以简化电路板上系统模块之间的通信。这些串行协议可以降低布线的复杂性，但传统示波器一直很难调试其实现方案。设计人员一般会被迫手动解码采集的串行数据，或从示波器导出数据，以进行后期处理和解码。使用示波器解码串行数据可以为嵌入式设计工程师节约无数小时的调试时间，允许工程师实时查看硬件和软件的影响。

尽管DPO4000系列示波器可以使用最多4条通道探测串行数据，但许多常用串行协议要求3条或3条以上的线。工程师通常需要同时解码和显示多条串行总线，观测其时间相关性。泰克MSO4000系列把DPO4000系列的串行触发和解码功能与l 6条新增数字通道结合在一起。除I²C、SPI和CAN外，MSO4000还支持触发和解码RS-232和并行总线。通过MSO4000，工程师可以同时探测和解码多条串行总线及自定义并行总线。下面的实例使用MSO4000，调试图1所示的嵌入式设计中复杂的多芯片通信错误。

在系统最初调试过程中(如图1所示)，系统偶尔遇到电路板上状态LED指示灯表明发生故障的情况。状态LED指示灯报告的错误不明确，导致系统工程师不能确定问题是由硬件导致的还是由软件导致的。以前，类似错误一直源于模拟复用器输入上的信号质量差，但工程师已经成功更换了导致信号保真度问题的硬件。由于系统工程师怀疑错误可能源于复用器输入之外的其他来源，他决定探测到复用器的模拟输入及多条数字总线，以全面查看系统状况。MS04000为调试提供了4条模拟通道和16条数字通道，它连接到图2中标为1-4的信号上。

图3显示了MS04000同时探测SPI总线(1)、I²C总线(2)、3位并行总线(3)和模拟输入(4)的屏幕快照。由于错误可以被隔离到某个子例程，因此MS04000配置成单次采集，触发特定的I²C活动。把记录长度设置成1M点保证了可以准确地捕获I²C总线上事件周围的所有有用信息。工程师运行子例程，迅速查看MSO4000，了解系统中发生的情况。CHI上显示的MUX输入上清楚的模拟波形确认了工程师的疑问，表明硬件问题已经得到解决，错误发生在其他地方。MSO4000触发和解码从微处理中写入的12C数据。工程师注意到SPI上的活动及在传输I²C数据后很快显示了标有D1和D2的信号。工程师怀疑这些总线上的活动，因为他认为执行的功能主要涉及LCD控制器。由于MSO4000已经解码I²C数据值，因此工程师可以看到微处理器已经把I²C数据写入地址0x77。地址0x77是FPGA的地址，但工程师认为子例程把数据写入地址0x76，这是LCD控制器的地址。

图4显示了同一采集，其中使用Wave Inspector放大SPI和并行总线的细节。SPI数据在屏幕上解码成从主设备(FPGA)到从设备(MUX)的写入，数据值为0x15。这－SPI命令指示LWTYMUX改变信号路径使用的输入。输入信号中这种意想不到的变化导致FPGA向并行总线上的状态LED指示灯发送一个错误代码。在图4中也可以观察到这些并行总线的错误代码和解码。嵌入式设计工程师可以迅速确定是软件漏洞导致了系统问题，因为MSO4000能够同时查看和解码所有相关信号。软件编程人员错误地从微控制器到FPGA写入I²C数据，而分组的预计目标是LCD控制器。(未完待续)

附：MSO4000系列混合信号示波器逻辑探头使用简介

新型P6516逻辑探头是泰克新推出的MSO4000系列架构的重要组件，在MSO4000调试嵌入式系统的测试工作中发挥着关键作用。P6516探头把全部18个数字信号集中到仪器前面板上的一个输入连接器中，通过使用前面板接口，用户可以简便地把P6516探头连接到示波器上或从示波器上拆卸下来。它的独特设计大大降低了工程师进行测量设置的时间，保证了准确的、可复验的测量结果。

8通道适配夹，支持远距离测量

P6516探头的16条通道分成两个8通道“适配夹”，适配夹通过长达4英尺(122cm)的扁平带状电缆连接到示波器上。带状电缆和各条通道引线都采用结实的同轴电缆，其“足够灵活”且管理简便，又不易缠绕。通过这种方式，工程师现在可以探测最远相距8英尺(244cm)的测试点，这一距离足以涵盖3个托架的全高度支架系统。由于从探头端部到仪器的整个路径都采用了同轴电缆，确保了信号保真度而将外部噪声和串扰干扰减到最小。

色码消除了接头的混淆

在每个适配夹上，序列最小的通道的同轴电缆颜色是蓝色，很容易识别。测试中的常见做法是以并行总线上的Bit顺序来连接数字引线，也就是说，Channel 0连接到Bit 0，Channel1连接到Bit 1，依此类推。蓝色引线连接到相应的8通道组中有效性最低的位上，可以更简便地追踪这种顺序。

其次，色码标识把特定的适配夹通道与显示屏上的相应轨迹联系起来。8通道适配夹中每条通道都标有与适配夹底座及探头头部电阻器相应的色标，在MS04000系列显示屏上绘制出特定通道的轨迹。

由于设计人员把所有注意力都放在数字连接上，因此很容易会忽略微不足道的接地端子。目前的大多数仪器带有长度固定、端子由制造商指定的地线。但是，接地线可能会丢失，也可能固定长度对应用并不理想(如备用线可能太短而不能到达较远的机箱接地点)。P6516探头的独特之处在于：它采用商用自动推进式接线片，把地线连接到适配夹上。用户可以经济地采用长度自定的电缆接地，而不需要使用专有器件。

独特的探头设计，满足被测件对电气和机械特性的要求

探头头部必须同时满足各种形状和规格的数字设备对于电气和机械的要求。对探测系统来说，最首要的需求之一是低负荷。“负荷”一词是指任何探头中自有的(也是不可避免的)电容效应。理想的情况是将探头本身对观测信号的影响最小化。负荷指标用皮法拉(pF)表示，而这一指标应尽可能低。P6516探头的负荷只有3pF，因此对信号边沿和瞬变的影响非常低。

从机械角度看，对探测要求会因服务应用的不同而有所变化。从整体上看，现代嵌入式系统采用密集封装电路板，测试点可能很难接触。P6516探头提供了4种数字探头连接方法：“抓斗”端部，连接方形针脚头部的齐平安装适配器，类似示波器的手持式端部，及高密度Mictor接续适配器。这些连接方法既满足了电路板连接盘之问的“浏览”需求，又满足了长时间测量中采用的插入式连接需求。

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。

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