嵌入式设计的混合信号调试

　　事实上，几乎当前设计和生产的每种电子产品都是嵌入式系统，包含微处理器、微控制器、DSP、RAM、闪存、EEPROM、FPGA、模数转换器、数模转换器和其他I/O。近年来，嵌入式系统设计已经用串行数据总线(如I2C、SPI、RS-232、CAN和LIN)代替并行总线。在一条串行总线上，一个单一信号可能包括地址信息、控制信息、数据信息和时钟信息，这种复杂性给设计工程师带来了明显的调试挑战。
　　作为全球测试、测量的领先业者，泰克公司日前推出新型的MSO2000混合信号示波器和DPO2000数字荧光示波器，新系列简化了混合信号设计的调试，同时囊括了Wave Inspector搜索和导航工具、串行数据总线的自动解码，以及能从信号中过滤噪声的独特的FilterVu可变低通滤波器。因此，MSO2000和DPO2000系列在一台入门级示波器中以高度集成的串行数据触发、协议解码和分析功能，可以将嵌入式设计的混合信号调试问题迎刃而解。
　　如何调试串行总线
　　据一份研究报告指出，在所有电子器件设计工程师中，大约有60%的工程师在日常设计和调试事务中要处理串行总线。这些设计人员希望获得某种工具来帮助他们选择性地从串行流中捕获数据，然后分析分组内容和其他相关信号。
　　在串行总线结构中，一条信号路径可以传送地址信号、控制信号和时钟信号。使用MSO2000和DPO2000系列示波器就可以从当前某些最常用的低速串行总线中采集和分析信号，包括I2C, SPI, RS-232, CAN和LIN。具体而言，串行总线调试由多个步骤组成：触发指定的串行事件；解码该事件，编译内容；搜索其他发生事件或感兴趣事件的数据。
　　1、触发
　　在调试过程中，通常必须确认某个串行分组已经通过总线生成或发送。分组包含嵌入式数据值和其他消息。常用的示波器功能如状态触发或码型触发不适用这一目的，它们是为多条通道上的并行数据设计的。这就需要一种可以对串行流内容作出响应的触发功能。
　　在配备选配的DPO2EMBD I2C和SPI应用模块、DPO2COMP RS-232/422/485/UART模块和/或DPO2AUTO CAN和LIN模块时，MSO2000和DPO2000系列将对用户指定的触发条件作出响应，包括串行数据内容、地址开始和结束消息等等。下面的表1提供了其中一种串行总线I2C可以使用的触发选择的多个实例。SPI、RS-232、CAN和LIN总线触发集也同样非常全面。触发有两种直接效应。第一，仪器采集事件及其前后的事件，容量高达1M样点；第二，触发证实发生了指定的事件。
　　MSO2000和DPO2000系列包括一对前面板“Bus”按钮(B1和B2)，加快了串行分析速度。事实上，每个按钮为每种特定类型的串行总线选择预置值。通过分别定义哪些通道接收时钟信号和数据信号，以及决定两种二进制状态(1和0)的门限，工程师们就能以此创建预置值。这一设置自动保存，通过简单地调用相应的Bus按钮，在以后仍可以重新使用这一设置(除非被重写)。工程师不再需要重复处理多个内嵌菜单或为串行总线设置门限。在设置采集串行数据时，Bus按钮节约了时间，特别是在调试一条以上的总线配置时。
　　2、Busforms的优点
　　串行分组波形在示波器显示屏上作为一串1和0值显示。通过跟踪时钟边沿及相关二进制数据值来解码这些信息非常麻烦，而且容易出错，但许多工程师一直不得不通过这种方式编译其串行数据采样。
　　MSO2000和DPO2000系列自动解码I2C、SPI、RS-232/422/485/UART、CAN和LIN总线的二进制分组。显示画面不仅能显示波形，还能显示独特的“busform”视图。Busform视图由业内领先的泰克逻辑分析仪平台演进而来，是由符号包络构成的一条轨迹，这些符号包络与波形视图上的分组成分对准。但是busform并不是单独的1和0二进制脉冲，而是包含一个表示解码的分组成分的十六进制、十进制或ASCII值(如果愿意，可以选择二进制格式)。现在，设计人员可以一目了然地查看总线上发生的情况，而没有冗长、麻烦的手动解码流程。同样，还能显示其他重要的事件和取值的符号，包括：开始事件，结束事件，标识符事件，地址事件(包括读或写状态)，数据及许多其他事件(视标准而定)。事实上，MSO2000和DPO2000系列示波器完成了此前一直“用手”完成的工作，而且只需几秒就可以完成。
　　除此之外，MSO2000和DPO2000还提供了另一个节约时间的解码视图：事件表。它以表格格式表示解码的内容，每个项目都带有一个时戳。它包括整个采集。因此，可以简便地查看总线上每个单个事件，同时在消息之间简便地进行定时测量。MSO2000和DPO2000系列示波器可以对支持的任何串行总线生成事件表。还可以导出事件表，在PC上进一步进行分析。
　　3、使用Wave Inspector搜索答案
　　一旦采集完成，通常必需查看整个记录，以全面调试问题，其可能要高达1M样点。即使是由示波器解码每个分组，手动查看采集中每个分组可能会需要很长的时间。较好的解决方案是拥有一个工具，自动搜索现有的采集数据，找到满足用户指定标准的事件。对寻找解决方案、解决其在最基本的产品设计中遇到的串行调试问题、且预算有限的设计工程师，MSO2000和DPO2000系列提供了强大的串行触发、解码和搜索功能。
　　Wave Inspector是泰克MSO2000和DPO2000系列每种型号上标配的功能，它是一种创新工具，明显简化了耗时的日常调试任务：搜索深波形记录，找到感兴趣的各个事件。以往，这需要手动滚动采集数据、查看传送的波形流来完成。
　　Wave Inspector远不只是线性滚动的概念。由于MSO2000和DPO2000系列标配100万(1M)样点的记录长度，即使在高取样速率时，用户仍可以捕获超长时间跨度的波形数据。这提供了丰富的数据，但庞大的信息量使得定位特定事件或那些隐藏在记录的某处特定类型的事件变得异常困难。调试新兴设计的工程师必须准确地找到与某个电路行为相关的所有事件：误码、瞬变或某个数据包，并且越快越好。但是，手动滚动1M样点的数据就像是在没有搜索引擎、网络浏览器或书签的帮助下在互联网上找一个东西一样。这种查找相关信息的传统方法耗时长，也容易出错。
　　MSO2000和DPO2000系列的Wave Inspector采用新方法，可以很快完成这些棘手的任务。高效浏览几百万个样点。Wave Inspector包括一组缩放、平移、滚动和搜索功能，并得到MSO2000和DPO2000系列仪器内部软硬件的支持。而Wave Inspector最富特色的功能是MSO2000和DPO2000前面板上独创的Jog/Shuttle旋钮(参见图1)。从表面上看，这种控制功能与其它Jog/Shuttle实现方式类似，但互动“感受”使其独树一帜。
　　此外，另一个强大的自动搜索新功能，也加快了那些重复事件或特定总线数据包的搜索速度。这是Wave Inspector的一种创新功能，非常类似于人们熟悉的网上搜索和收藏夹结构。
　　Wave Inspector可以搜索整个采样，每次在发生用户指定的事件时都自动进行标记(如越过某个电压门限的正向边沿)。搜索和标记功能定位每个事件实例，并进行标记，进而可以使用Previous和Next按钮简便地浏览样点。
　　重要的是，搜索和标记指标不限于简单的边沿定义。可以指定复杂的变量，如建立时间和保持时间。检查“最坏情况”调节建立时间和保持时间相当简单；工程师只需把保持时间参数设为零，然后降低建立时间，直到Wave Inspector只检测到一个事件，这就是最坏情况实例。
　　搜索类型    功能
　　边沿    搜索用户指定门限的边沿 (上升沿或下降沿)
　　脉宽    搜索>, <, =,或 ≠用户指定脉宽的正脉宽或负脉宽
　　欠幅脉冲    搜索越出一个幅度门限、但在再次越过第一个门限前未能越过第二个门限的正脉冲或负脉冲。
　　搜索所有欠幅脉冲或时长>, <, =, 或 ≠ 用户指定时间的脉冲
　　逻辑    搜索多个波形中的逻辑码型 (AND, OR, NAND或NOR)，每个输入设为High, Low或Don’t Care。
　　搜索事件为真、为假或在>, <, =或≠ 用户指定时间的保持有效的事件。
　　此外，可以把其中一个输入定义为同步 (状态)搜索的时钟
　　建立时间和保持时间    搜索用户指定的建立时间和保持时间超限
　　上升时间/下降时间    搜索>, <, =或≠用户指定时间的上升沿和/或下降沿
　　总线    I2C, SPI, RS232/422/485/UART, CAN或LIN控制参数, 成帧和数据
　　FilterVu可变低通滤波器
　　噪声的基本定义是外来不想要的信号干扰(或与想要的信息一起发生的无关的或没有意义的数据)。FilterVu可变低通滤波器允许用户滤掉这些不想要的信号干扰。
　　噪声可能有无穷无尽的来源，包括设计内部来源或外部来源，噪声会挡住感兴趣的信号。噪声会使您很难找到一个信号中想要的信息，比如说测量一个信号的真实电压。提高抖动，增加定时测量的难度。
　　几乎处理电路的每个人都要用一定的时间处理噪声，要么找到噪声来源修复它，要么减少噪声对测量的影响。设计工程师需要干净的没有噪声的轨迹，把重点放在设计中预计的信号上。其它情况下，干净的轨迹可以用于报告和文档，清楚地显示设计运行情况。
　　1、FilterVu揭示噪声中隐藏的预计信号
　　FilterVu可变低通滤波是泰克MSO2000和DPO2000系列示波器独有的强大功能。FilterVu是唯一允许用户从显示的信号中滤掉不想要的噪声，同时仍能用示波器的全部带宽捕获意想不到的毛刺的可变低通滤波器。通过显示两个波形：一个可以滤掉的波形(前景波形)，一个毛刺捕获波形(背景波形)来实现。
　　FilterVu允许工程师能将控制/选择低通滤波器频率应用到显示的信号上。为揭示预计信号，按仪器前面板上的FilterVu按钮，调节低通滤波器频率，滤掉噪声。这种更加干净的波形可以更加精确地定位信号边沿和幅度电平，其结果是改善了光标测量的可靠度，更干净地编制重要信号属性文档。
　　滤波器频率读数允许用户检定噪声的频率，而不需设置麻烦的FFT。即使在单次波形上，采集后仍可以使用这种调节，仔细地检测信号。有时也可以使用其它工具降低信号上的噪声(如带宽限制器或平均模式)，但这些工具有许多限制，如滤波频率有限，没有指定固定滤波，或只能用于重复信号上。
　　2、FilterVu可以防止意想不到的高频毛刺
　　FilterVu的毛刺捕获波形(背景波形)能用示波器的全部带宽显示信号细节。这保证用户不会漏掉高频尖峰、噪声、随机毛刺或可能影响设计的偶发异常事件。
　　用来减少信号上的噪声的其它工具(如带宽限制器或波形平均模式)只会去掉滤波频率以上的信号信息，或去掉不重复的毛刺。