數(shù)字示波器可解決嵌入式I2C總線調試
2011-11-07
I2C總線是上世紀80年代PHLIPS公司推出的一種兩線式串行總線，最初為音頻、視頻設備所開發(fā)，如今則多在各種嵌入式系統(tǒng)中用于連接微控制器及其外圍設備。
在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中應用I2C總線可有效縮減元器件面積、改善抗干擾能力及增強設計的兼容性。當然，在享受其設計便利性的同時，信號的復雜性也將提高系統(tǒng)調試的難度。I2C總線僅需采用兩根通信線(一根為串行數(shù)據(jù)線“SDA”，一根為串行時鐘線“SCL”)，而傳輸速率在高速模式下可達3.4Mbit/s，并且是多主總線。每一個掛接在I2C總線上的I2C器件均可通過唯一的地址進行訪問。
本文闡述了在實際開發(fā)中所遇到的I2C通信問題及使用示波器分析問題和解決問題的方法。
項目設計中計劃采用Cypress 68013A芯片來實現(xiàn)USB器件功能。68013A是Cypress公司出產的一款高速USB器件，該芯片的參考設計是通過I2C總線讀取存儲在EEPROM中的固件程序來運行的，如圖1所示。
圖1：Cypress 68013A與EEPROM連接示意圖。
分析過程中采用了RIGOL公司最新推出的DS6104示波器，其具體特性包括：高達1GHz帶寬，足以滿足常用標準總線的帶寬需求；5GSa/s實時采樣率，確保不會遺漏信號細節(jié)；每秒18萬次的波形捕獲率，最大概率捕獲感興趣的信號；標配140M深存儲，同時滿足總覽全局和觀察局部的需求；可錄制多達18萬幀的波形，奇異信號隨意回放和分析；提供多種串行觸發(fā)，RS232、I2C、SPI、CAN、USB等。
設計中，為進一步減少器件面積、降低功耗，以及便于在后續(xù)進行在線升級固件，決定使用DSP來模擬實現(xiàn)EEPROM與68013A之間的通信。同時，通過I2C總線在線下載固件至68013A并運行來完成，如圖2所示。
參考68013A數(shù)據(jù)手冊編程后，卻發(fā)現(xiàn)在通過DSP模擬EEPROM與68013A通信時無法正確下載固件程序，即DSP怎樣通過I2C總線下載固件至68013A？
圖2：Cypress 68013A與DSP連接示意圖。
解決方法
首先，需要確認通信環(huán)境無問題，即：總線連接無問題；DSP的I2C通信程序無問題；Cypress 68013A的I2C通信無問題。
經依次驗證后發(fā)現(xiàn)以上各項均無問題，那么，只可能是在通信過程中發(fā)生了錯誤。但是，在參考手冊中卻沒有找到關于68013A與EEPROM通信的詳細描述。為獲取兩者間在初始通信階段的詳細數(shù)據(jù)，使用RIGOL公司的DS6104示波器來捕獲初始階段的通信數(shù)據(jù)。
DS6104示波器具有I2C觸發(fā)及I2C解碼套件，為捕獲數(shù)據(jù)需設置如下：設置DS6104示波器觸發(fā)方式為“I2C”、觸發(fā)條件為“啟動”；設置觸發(fā)時鐘信源、數(shù)據(jù)信源及合適的觸發(fā)電平；打開I2C解碼并設置解碼閾值；設置示波器為單次觸發(fā)。設置完畢后，通過監(jiān)測I2C與EEPROM通信即可捕獲全部的通信數(shù)據(jù)頭，圖3所示為所得解碼數(shù)據(jù)。
圖3：Cypress 68013A與EEPROM I2C初始通信數(shù)據(jù)。
通過與讀入DSP內存的固件數(shù)據(jù)(圖4)對比可知，圖中的“0xC2 0x47 ...”及后續(xù)數(shù)據(jù)才是真正的固件數(shù)據(jù)。因此，導致DSP模擬EEPROM通信失敗的原因是從起始數(shù)據(jù)至固件數(shù)據(jù)間的I2C通信(后文將稱其為握手通信)。使用DS6104的水平時基微調功能將圖中波形展開之后，便可更清楚地看到握手通信過程(圖5)，其描述如下：讀地址“0x50”，無數(shù)據(jù)返回；讀地址“0x51”，返回“0xAD”；寫地址“0x51”，寫兩個字節(jié)“0x00”。
圖4：讀入DSP內存的68013A固件程序數(shù)據(jù)(部分)。
至此，問題得以簡化為：怎樣在DSP中模擬這部分的握手通信？通過示波器獲取可視化握手通信數(shù)據(jù)以后，則模擬其通信過程僅需以下三步：設置DSP的I2C總線地址為“0x51”，與地址“0x50”不匹配則無返回；在DSP的I2C通信程序中，下載固件時先發(fā)送“0xAD”，滿足“0x51”地址上讀到的第一個數(shù)據(jù)為“0xAD”；DSP通過I2C下載固件時，可以接收“0x00”但不進行處理，保證握手通信的完整性。
如上所述，在DSP的I2C通信程序中包含此部分握手通信處理后，使用DSP模擬EEPROM與Cypress 68013A便可進行正常通信，并可成功地下載68013A固件。
圖5：Cypress 68013A與EEPROM I2C通信數(shù)據(jù)頭展開。
Cypress 68013A支持直接在固件中修改配置字(如圖6所示，地址7)，從而可在固件下載完畢后配置啟動類型。
圖6：Cypress 68013A 'C2 Load'格式。
我們按照圖7所示的Cypress文檔提供的寄存器配置格式，配置固件為啟動時斷開USB連接，并將I2C時鐘設置為400KHz(將地址7數(shù)據(jù)修改為“0x41”)。
圖7：Cypress 68013A固件配置字格式。
同樣，在下載固件時可以通過使用DS6104來監(jiān)測I2C的通信數(shù)據(jù)，并且可以明顯看到時鐘頻率的變化，如圖8所示。
圖8：固件配置字為“0x41”時的I2C通信數(shù)據(jù)頻率變化。
至此，我們通過采用RIGOL推出的DS6104數(shù)字示波器，以可視化的方式實現(xiàn)了DSP模擬EEPROM與Cypress 68013A通信和下載固件的功能。同時，在固件下載過程中，我們觀測到在固件中配置的I2C通信頻率可即時生效。
在實際項目中，我們還使用I2C作為DSP與68013A間的常規(guī)通信通路。顯然，在后續(xù)調試中，DS6104數(shù)字示波器提供的串行總線觸發(fā)及解碼也將成為我們優(yōu)先選擇的調試手段。
I2C總線在嵌入式系統(tǒng)中得到了廣泛應用，在實際開發(fā)中不免碰到缺少文檔資料的情況，此時，如本文所述采用示波器調試則不失為一種快捷、有效的方法。
嵌入式系統(tǒng)中應用了越來越多的總線，其開發(fā)和調試難度也在相應提高。RIGOL推出的DS6000系列示波器以其領先的指標、創(chuàng)新的技術及提供的多種總線觸發(fā)及解碼套件，可有效降低嵌入式總線調試難度，并極大提高調試效率。
