串行协议 I2C、SPI、RLIN、PCI Express 和 USB 是什么意思？

什么是总线?总线传输有何特点?

总线是连接多个部件的信息传输线, 是个部件共享的传输介质。

总线传输特点：

在某一时刻, 只允许有一个部件向总线发送信息, 而多个部件可以同时从总线上接受相同的信息。

为减轻总线上的负载, 各种I/O设备要通过I/O接口接在总线上。挂在总线上,没有数据交换时置成高阻态

总线传输的基本原理

总线的基本作用就是用来传输信号，为了各子系统的信息能有效及时的被传送，为了不至于彼此间的信号相互干扰和避免物理空间上过于拥挤，其最好的办法就是采用多路复用技术，也就是说总线传输的基本原理就是多路复用技术。评价总线的主要技术指标是总线的带宽(即传输速率)、数据位的宽度(位宽)、工作频率和传输数据的可靠性、稳定性等。

总线根据不同的应用领域有不同的分类。根据不同的应用领域总线接照工作模式不同，总线可以分为两种类型：一种是并行总线，一种是串行总线。

串行总线和并行总线的区别是什么？

并行总线

并行总线是数字电路里最早也是最普遍采用的总线结构。在这种总线上，要传输的数据线、地址线、控制线等都是并行传输。除了数据线以外，如果要寻址比较大的地址空间，还需要很多根地址线的组合来代表不同的地址空间。

并行总线吞吐量=数据线位数×数据速率

并行总线特点

并行总线的最大好处是总线的逻辑时序比较简单，电路实现起来比较容易。

但是并行总线的缺点也是非常明显的。比如并行总线的信号线数量非常多，会占用大量的管脚和布线空间，因此芯片和PCB板的尺寸很难实现小型化，特别是如果要用电缆进行远距离传输时，由于信号线的数量非常多，使得电缆变得非常昂贵和笨重。采用并行总线的另外一个问题在于总线的吞吐量很难持续提升。我们可以通过提升数据线的位数来提高总线吞吐量，也可以通过提升数据速率来提高总线吞吐量。但是随着人们对于总线吞吐量的要求的不断提高，这种提升总线带宽的方式遇到了瓶颈。

首先由于芯片尺寸和布线空间的限制，64位数据宽度已经几乎是极限了。

另外一方面，这64根数据线是共用一个采样时钟，为了保证所有的信号都满足其建立保持时间的要求，在PCB上布线、换层、拐弯时需要保证精确等长。

而总线工作速率越高，对于各条线的等长要求就越高，对于这么多根信号要实现等长的布线是很难做到的。

对于并行总线来说，更致命的是这种总线上通常挂有多个设备，且读写共用，各种信号分叉造成的反射问题使得信号质量进一步恶化。

串行总线

所谓串行总线，就是并行的数据在总线上不再是并行地传输，而是时分复用在一根或几根线上传输。

采用串行总线以后，就单根线来说，由于上面要传输原来多根线传输的数据，所以其工作速率一般要比相应的并行总线高很多。采用串行总线的另一个好处是在提高数据传输速率的同时节省了布线空间，同时芯片的功耗也降低了，所以在现代的电子设备中，当需要进行高速数据传输时，使用串行总线的越来越多。

串行总线协议简介

多年来，并行总线一直是基于微控制器和 DSP设计与外设器件通信的主要方法。微控制器和DSP系统广泛用于各式各样的应用，例如蜂窝电话这样的消费类产品，汽车中的电气系统控制，以及工业应用中的各种嵌入式系统。在这些应用中，总线速度通常为数十兆赫兹或更低。但这些应用的复杂程度在不断提高，而同时又要保持最低的成本，因此串行总线成为器件与外设间通信的主要方法。串行总线除了成本低之外，它还具有更低的功率，更少的引脚数，因而只需要较少的电路板空间。

串行总线只需要最少的控制线和连接，就能在串行线上传输数据。目前，许可制造商都按串行协议接口设计种类繁多的器件。这些总线广泛应用于微控制器和 DSP与 EEPROM、模数转换器、传感器、激励源和各种其他外设的接口。在电视设备、蜂窝电话、汽车和许多其他工业应用中，其内部的控制总线和网络常常采用串行总线通信协议。

串行总线的主要优点是只需要较少的信号，缺点是难以兼顾速度。微控制器的 I/O 端口与串行器件的通信要花相当多的时间。在混合的模拟和数字设计中，采用串行端口的另一个缺点是系统的调试问题。目前，要想从长长的串行数据流中提取协议自身的信息并确定器件间的交互作用还是相当困难。

调试串行总线设计

本文面向的读者是数字系统设计师，他们在研发过程中会用到模拟和数字元器件，包括采用串行总线的微控制器和DSP系统。

什么是数字信号处理 (Digital Signal Processing - DSP)？

数字信号处理 (Digital Signal Processing，简称DSP是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领城的新兴学科。随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技木应运而生并得到迅速的发展。数字信号处理是一种通过使用数学技巧执行转换或提取信息，处理现实信号的方法，这些信号由数字序列表示。在过去的二十多年时间里，数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。

今天我們將讨论调试串行总线设计所面临的挑战和解决方案，这些串行总线包括控制器局域网(CAN)、集成电路间总线(I2C)、串行外设接口(SPI) 或通用串行总线(USB)。

如何调试串行总线系统？

在调试混合模拟和数字串行总线设计时， 会遇到不同类型的测量问题。数字系统设计师可能需要调试串行总线协议本身的行为，也可能要用某种现成的串行协议实现子系统或器件间的通信和协调工作，以完成整个设计。对于前者，用户往往会使用示波器调试协议的物理层，测量上升和下降时间、建立和保持时间等参数，分析系统中时钟和数据线上的信号电平。对于后者，数字系统设计师可能会查找系统中功能和集成方面的问题，也许还要分析相关时序和总线上的数据内容。

使用传统方法调试目前的串行总线设计是一个非常大的挑战。

调试这些系统的一般方法是使用逻辑分析仪和示波器。不过， 由于数据是逐位读出的，并非所有数据都有时间参考，因此在所关注的串行总线上进行触发可能很困难。而过去用逻辑分析仪调试并行总线时，可通过设置码型触发或状态触发直接找到所关注的互动。

但是，要根据长串行数据流中的内容设置逻辑分析仪触发则是另一个话题。要在串行协议中的码型上触发逻辑分析仪，就需要创建一个状态机在协议中寻找您关注的码流和帧信号。但大多数逻辑分析仪的状态仅有 16 级，不能满足查找长数据流问题的级数要求。

该解决方案需要进繁琐的测量设置，这可能使用户受到极大的困扰。如果用户需要在系统上执行参数测量，那么将逻辑分析仪与示波器相关联将更加耗时。而且这将要求两种仪器上都有深存储器，以观察长串行数据流。由于设计具有严格的进度计划和项目完成日期，多数设计师都认为在调试串行总线相关设计时，需要有更好的技术和测量仪器。

为应对这些挑战，是德科技的混合信号示波器 (MSO) 来作为调试串行总线接口的一个有效方法。混合信号示波器拥有专门针对串行协议的触发和解码能力。这些特性解决了在特定协议条件下使用逻辑分析仪和示波器进行触发的难题。

KEYSIGHT 混合信号示波器 MSO 能在长串行数据流中自动找到要求的码型，而无需在逻辑分析仪中建立复杂的状态机。混合信号示波器是带宽高达 1 GHz，具有 16 个数字定时通道和 2 个或 4 个模拟示波器通道的仪器。此外，混合信号示波器还使用 Keysight Mega Zoom III 技术，拥有非常深的存储器采集记录。这些触发特性很容易设置，能缩短采用串行总线通信的嵌入式系统的调试时间。

Keysight 混合信号示波器 的串行总线应用特性使其能够对带有同步时钟的串行总线 (例如 I2C)、带有分立时钟和数据线的 SPI总线以及带异步时钟 (如 RS232 和其他 UART 协议) 的总线进行触发和解码。此外，Keysight 混合信号示波器 还能建立触发，并对数据流中具有嵌入式时钟的串行总线 (例如 CAN 和 USB) 进行K解码。这些强大的触发和解码特性使它更容易关联串行数据和长数据流上的定时。

什么是混合信号示波器(MSO）？

混合信号示波器 MSO 是一种混合式测试仪器，它将数字存储示波器（DSO）的全部测量功能（包括自动定标、触发释抑、模拟和数字通道的无限余辉以及探头/通道偏移校正）与逻辑分析仪的部分测量功能整合在一台仪器中。使用混合信号示波器(MSO），您将能够在同一显示屏幕上看到多个时间对齐的模拟和数字波形，如图 1 中的各示波器所示。尽管混合信号示波器(MSO）可能缺少很多先进的数字测量功能以及完整逻辑分析仪所具有的众多数字采集通道，但对于当今的嵌入式设计调试应用而言，MSO 的一些独特优势是传统示波器和逻辑分析仪所没有的。

I2C是什么?

I2C（Inter-IC）总线是近年来在微电子通信控制领域广泛采用的一种新型总线标准。它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简化，器件封装形式小，通信速率较高等优点。在主从通信中，可以有多个I2C总线器件同时接到 I2C总线上，通过地址来识别通信对象。

集成电路间总线(I2C) 简介

I2C (集成电路间) 总线最初由 Philips 公司开发， 用于电视接收机中各器件间的通信。现在，I2C 已用于多种应用，以实现高效的集成电路间控制，并得到大量半导体厂商的支持。I2C总线包括两条双向的信号线总线，即 SCL (串行时钟) 和 SDA (串行数据)。所有 I2C总线器件都有芯片上接口，允许彼此间直接通信。大多数 I2C 器件的工作速度高达 400 Kbps，也有一些达到了几兆赫兹的范围。  I2C 协议具有严格的定义，并制定了寻址方式，因此不需要芯片选择或逻辑控制。这是嵌入式设计中连接多个器件的简单而经济的解决方案。在 I2C 总线协议首次推出时采用的是 7 位寻址。为适应对更大的地址空间要求，现在允许进行 10 位寻址，速度提升至 3.4 MHz，并可向后兼容。由于它价格较低，因此在许多产品中都得到广泛应用，包括蜂窝电话、音频/ 射频仪器、医疗设备和各种工业应用。事实上， 目前已有数百种 I2 C 器件。例如，嵌入式系统中的 I2C 器件，其中包括EEPROM、热传感器和实时时钟。

I2C总线在物理上包括 2 个有源信号和 1 个接地连接。信号 SDA 和 SCL 均为双向信号。每一个与总线连接的元器件都有其专有地址，无论是 CPU、LCD 驱动器，还是EEPROM。这些芯片根据其功能作为接收机和/或发射机，还可拥有一个或多个总线主器件。总线上数据传输的发端器件通常被认为是总线主器件。主器件通常为微控制器、微处理器或 DSP。图 2 显示了具有I2C总线的嵌入式系统实例。

图2. I2C总线系统实例。I2C总线包括2 个有源信号SDA 和SCL。总线上的每一个器件都有自己的专有地址。

Keysight 混合信号示波器具有高达8 M 的MegaZoom I I I 深存储器， 能轻松、快速地捕获和分析长串行数据流。在这样一台拥有Mega Zoom III 深存储器和仪器上，您能够观察快速的数字信号，并将这些信号和长串行数据数据流中的慢模拟信号建立关联。另外，混合信号示波器MSO 的 16 个数字通道和 2 个或 4 个模拟通道采集可自动进行时间关联。MegaZoom III 深存储器解决了需要触发两次来获得长时间捕获信号观察信号细节的两难问题。

图 1 显示了一个基于微控制器设计的实例，使用微控制器控制和监测家庭中的各种电气设备。微控制器通过SPI总线与射频收发信机、RS232 桥接器、EEPROM、小键盘和显示器通信。混合信号示波器MSO 是调试这一设计的理想工具。通过将其模拟通道和数字通道结合使用，用户可以建立串行总线活动与系统其他部分发生事件的关系。从而更容易找到串行总线问题的原因，例如丢失确认信息、信息交换不符合规范或包数据的无意丢失。此外，触发和解码特性还提供了实时观察问题的能力，以代替过去先捕获数据，然后通过后期处理观察数据记录的方法。这样，用户就能确保所观察的信号是系统中当前定时关系的精确表示。

许多设计中都使用一种以上的串行通信接口。例如，设计中可能用 I2C总线与本地EEPROM 通信，而另一器件可能用 SPI总线与其他外设通信。整个设计也许会通过 USB 或 CAN 连接到外部网络。用一台仪器调试系统的多个部分可缩短调试时间、降低成本和减少挫折。

使用具有 Mega Zoom III 深存储器及特定协议触发和解码能力的混合信号示波器MSO 应对新挑战，就能在目前采用串行总线的嵌入式设计中找到和观察长串行数据流中的问题。这篇应用指南为您介绍Keysight 混合信号示波器MSO 串行协议，包括I2C、SPI、CAN 和 USB协议的触发和解码特性，以及这些特性如何比过去更容易和更有效地调试基于微控制器和DSP设计。

图1. 一个基于微控制器设计的实例，使用微控制器控制和监测家庭中的各种电气设备。微控制器使用 SPI总线与射频收发信机、RS232 桥接器、EEPRPOM、小键盘和显示器通信。

可能的应用

控制和监视家庭中的所有可控系统, 如：
- 供暖系统
- 报警系统
- 烟雾探测器
- 仪表系统(电表和水表等

如何调试I2C总线系统？

使用Keysight 混合信号示波器 的触发特性调试I2C总线系统

用传统示波器进行调试并确定长串行数据流中的数据和定时关系既费时又费力。典型的问题是微控制器向器件 (例如 LCD控制器) 发出信息请求，但未能由从器件中得到任何信息。要想使用传统示波器调试该问题，需要用边沿或码型触发记录长长的串行数据流。然后，用户要通过一帧一帧地滚动数据搜索特定问题。这种方法非常耗时。

使用具有 I2C 触发特性和深存储器的混合信号示波器MSO是调试 I2C总线器件问题的理想解决方案。它具有 4 个模拟通道和 16 个数字定时通道，可在探测两个总线信号的同时探测其他信号，例如 EEPROM 上的数据线和地址线，查看系统中实际产生的问题。凭借这些特性，就可以轻松地通过触发和设置地址和数据条件调试共用 I2C总线的条件，问题既可能出在系统行为上，也可能出在特定I2C帧上。

I2C触发特性

设置 I2C触发特性非常简单。所有特性均可通过 MSO易于使用的界面访问。将数据(SDA) 和时钟(SCL) 分配给特定示波器通道后，用户便可以选择I2C串行触发选件， 如图 3 所示。总线中的这两条线可使用数字定时通道或模拟示波器通道来探测，并在屏幕上自动标记时钟线和数据线。

图3. 在混合信号示波器上设置I2C 触发。混合信号示波器MSO 的快速帮助屏幕给出了如何使用I2C 触发特性的详细说明。

内容触发: 在特定地址值和数据值的读写帧上触发

典型的 I2C帧中有一个起始条件，一个用以配置某一从器件的读写操作的控制字节、一个有效确认时钟脉冲以及代表数据的其他字节。混合信号示波器MSO 可以很容易配置为根据控制字节或副字节的地址和/或数据进行触发。

这是一种强大的触发特性，当某特定地址的器件写入或读出某一数据值时，混合信号示波器MSO 可使用户看到 I2C内的帧触发。例如在图4 中，当微控制器把十六进制数据值 41 写入 I2C总线地址为十六进制值 50 的小键盘时，MSO 就触发。这一特性对查找软件例程中讲不正确数据写入器件的错误是非常有用的。

EEPROM 数据读触发

在 I2C协议中，EEPROM 有预先确定的总线地址，即二进制的 1010xxx。EEPROM 数据读触发查找SDA 线上与此码型匹配的地址，该地址后是读位和确认位。当数据符合用户设置的限定条件时，混合信号示波器MSO 便在发送数据后的确认时钟沿上触发。

Keysight 混合信号示波器 MSO 可在 "当前地址读" 周期、"随机读" 周期或 "连续读" 周期中的任何数据字节上触发。MSO 触发硬件首先查找适当的控制字节，接着查找符合用户限定要求的任何数据字节。这些限定包括小于、大于、等于、不等于和无所谓。

例如，假定微控制器把来自温度传感器的校准数据保存在存储器中，以备在日后的程序中使用。但在读回数据时发生了错误，造成传感器提供不正确的数据。混合信号示波器MSO 的触发特性使用户可以轻松快速地跟踪及调试从系统的 EEPROM 中读出的数据。

图4. 在带有地址和数据的写入帧上进行I2C触发。当某特定地址的器件写入或读出某一数据值时, 这一强大的触发特性可使用户看到I2C内的帧触发。

I2C总线启动和停止触发

使用 I2C协议，在任何总线事务产生前必须有一个启动条件。启动条件以信号的形式， 通知所有连接器件，总线上将有消息发送。这样，所有连接的芯片都将监听总线。在发送消息后产生停止条件。停止条件也以信号的形式，通知所有总线器件，总线已再次处于空闲状态。芯片在消息发送期间被访问，之后将处理接收到的信息。

使用边沿触发的传统示波器很难找到 I2C总线上的启动和停止条件，而且往往需要用户通过水平滚动屏幕在数以百计的脉冲中寻找。使用如图 5 所示的 I2C启动条件触发，通过在 SCL (时钟) 线为高时查找SDA (数据) 线从高到低的跳变，混合信号示波器MSO 即可在检测到启动条件时触发。

I2C总线重新启动触发

在一条消息内可能有帧的多个启动条件。具有 I2C触发能力的 混合信号示波器MSO 可在启动条件产生后的帧中找到重新启动。

I2C总线确认丢失触发

在传输完每个字节后，通常都会发送确认消息。SDA 线被上拉到高后，SCL 线上有脉冲出现，就会发出对应一个确认消息。如果此期间一直未发送确认命令，就会使总线挂起，从而难以找到问题所在。是否微控制器未能发送正确的地址信息或者从器件没有响应? 将混合信号示波器MSO 设置为确认丢失触发，可以非常快地隔离这一问题。它能在任何大小12C 帧的地址/控制字节或数据的任何地方找到丢失的确认事件。

10 位写入触发

10 位寻址允许使用多达 1024 个地址，可解决随 I2C 器件数量扩展的从地址分配问题。如果码型中的所有数据均匹配，混合信号示波器MSO 即会在10 位写入帧内地址时触发。

专为 I2C协议设计的混合信号示波器MSO触发特性使用户能够比过去更容易地调试 I2C总线，并可实时查找问题，无论问题是在协议设计本身，还是与系统中的器件相关。

图 5. 帧启动触发。通过在 SCL (时钟) 线为高时查找 SDA (数据) 线从高到低的跳变，Keysight 混合信号示波器 即可在检测到启动条件时触发。

使用Keysight 混合信号示波器 MSO硬件加速解码特性调试I2C总线系统

目前，由于混合信号嵌入式设计广泛使用I2C串行协议来实现EEPROM、DAC、ADC和其他外设与微控制器、微处理器和DSP芯片间通信；该协议以串行方式传输数据， 使用传统的示波器触发很难发现嵌入式系统中的具体情况。凭借混合信号示波器MSO 集成的模拟和数字通道触发能力，我们通过硬件加速解码解决方案可以使示波器同步显示特定的线性调频，并验证串行数据传输

硬件加速解码: 更快地查找和调试间歇性串行总线错误和信号完整性问题

其他具有串行总线触发和协议解码的示波器解决方案，通常使用软件后期处理技术来对串行数据包/帧进行解码。使用这些软件技术，通常只能达到较低的波形更新速率和解码更新速率 (有时每更新一次需要数秒钟)，特别是在使用深存储器时， 往往要求捕获多个封包的串行信号。硬件快速解码支持更快的解码更新速率，可以提高示波器捕获偶发性串行通信误码的几率。混合信号示波器MSO 是验证和调试当今的嵌入式设计的关键性工具，这些嵌入式设计往往同时涉及模拟信号、串行流量和高速数字控制信号。混合信号示波器MSO 提供了一种综合解决方案，能够捕获和解码如图 6 所示的各种不同速率的多个模拟信号、串行信号和数字信号，并确定这些信号在时间上的关系。

彩色编码, 硬件加速数据解码

解码 I2C串行总线非常简单，只需点击按钮，打开串行解码和选择菜单，选择正在使用的串行模式即可。通过屏幕上串行数据包的彩色编码显示，您可以轻松地建立数据包解码与混合信号示波器MSO 捕获的模拟或数字信号的关系。在解码I2C 串行数据流时，Keysight 混合信号示波器 MSO 还可以在嵌入式系统的另一种信号上触发。这就形成了一个验证混合信号嵌入式设计的完整的嵌入式系统调试解决方案。

图6. 屏幕上显示的是I2C数据包的串行解码与混合信号示波器MSO 捕获的模拟和数字波形的时间关系

串行外设接口(SPI) 简介

串行外设接口 (SPI) 最初是 Motorola 公司为与许多常用通信处理器和微控制器接口所引入的串行总线标准。与 I2C一样，SPI 能够与间歇访问的速度较慢的外设器件进行良好通信，例如与 EEPROM 和实时时钟的通信。但是，对于处理大量数据流的应用，SPI 比 I2C更适合，因为它有高带宽(几十照赫兹)，而 I2C 需要通过从器件寻址完成读写操作。数据流应用的一个实例是微处理器、微控制器、A/D 转换器、D/A 转换器或DSP 间的数据通信。

SPI总线上的器件使用主/从关系通信，这里主器件通常使用微控制器来启动数据传输。当主器件生成时钟信号并选择好从器件后，数据便可向任一方向或同时在两个方向传输 (称为全双工模式)。根据帧中每一位数据的值，协议就可以帮助器件确实数据是否为有效信号。

SPI 总线包括两条数据线和两条控制线。数据线为 MOSI (主器件数据输出/从器件数据输入) 和 MISO (主器件数据输入/从器件数据输出)。控制线包括 SCLK (串行时钟) 和 SS (从器件选择)。主器件能以任何数据速率发送数据。串行时钟控制线由主器件驱动，它控制数据比特流和每个比特的发送周期。从器件选择控制线允许从器件在硬件控制下打开或关闭。与 I2C 不同，SPI 协议没有帧启动；芯片选择或从器件选择 (SS) 变为高或低 (取决于器件) 便构成一帧数据。图 7 显示网络电话的方框图，这是多从器件系统的一个实例。

图7. 网络电话方框图, 这是基于DSP系统的多从器件SPI总线的一个实例。

SPI接口是什么？

SPI (Serial Peripheral intertace)就是串行外围设备接口。是Motorola首先在其系列处理器上定义的。

SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并旦在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，主要应用在 EEPROM, FLASH，实时时钟和AD转换器，还有数字信号处理器和数宇信号解码器之间。

SPI接口框一般使用4條通信：

• MISO - 主设备数据输入，从设备数据输出。

• MOSI - 主设备数据输出，从设备数据输入。

• SCLK - 时钟信号，由主设备产生。

• CS - 从设备片选信号，由主设备控制。

SPI工作原理

1、 硬件上为4根线。
2、主机和从机都有一个串行移位奇存器，主机通过向它的SPl串行寄存器写入一个字节来发起一次传输。
3、串行移位奇存器通过MOSI信号线将宇节传送给从机，从机也将自己的串行移位寄存器中的内容通过MISO信号线返回给主机。这样，两个移位寄存器中的内容就被交换。
4、外设的写操作和读操作是同生完成的。如果只进行写操作，主机只需忽路接收到的字节；反之，若主机要读取从机的一个字节，就必须发送一个空字节来引1发从机的传输。

如何调试SPI总线系统？

SPI系统中的一般调试问题包括配置控制器的时钟速率，以及每个外设时钟数据在输入和输出时的相位和极性。例如在图 8 所示的网络电话中，某些器件可能使用时钟的相同极性和相位输入和输出时钟数据，也可能不输入和输出时钟数据。因此，配置总线上的器件可能相当困难。

配置错误可能引发系统问题，而具有 SPI 触发特性和深存储器的混合信号示波器MSO是调试长串行数据流的强大工具。在之前的网络电话设计中，用户可利用 MegaZoom III 深存储器，通过一次采集同时精确捕获 20 kHz 范围音频事件与 10 MHz 的 DSP数字事件，并观察它们之间的互动关系。用户可在目标系统中连接时钟、数据 (MISO 或MOSI) 和芯片选帧 (SS) 信号。如图 8 所示，两个模拟通道可以监测数据和时钟， 16 个数字定时通道可以监测连接到外设器件的芯片选择线。

Keysight 混合信号示波器 在帧周期间的串行数据码型上触发。时钟斜率可设置为上升或下降边沿。串行数据串的长度可规定为 4 至 32 位，帧内的各位值可指定为 L、H 或 X (无所谓) 条件。为使工作更容易，MSO 将在屏幕上自动为源通道设置CS、Clock 和Data 标记。

用户必须为混合信号示波器MSO串行触发硬件选择一个帧信号来进行检测。这个帧信号可以是片选高有效 (SCS) 也可以是片选低 (˜CS) 有效。MSO 也可以在用户指定的时钟不活动时间后生成自己的帧信号。MSO 要求从帧信号为真到第一个有效时钟边沿有50 ns 的建立时间。数据建立时间和保持时间分别为 10 ns 和 5 ns。如果指定的数据码型为真，MSO 将在第 N 个时钟边沿(4 至32) 上触发。

这种解决方案不仅功能强大，而且易于使用，特别是和传统的逻辑分析仪和示波器组合方案相比，后者往往不能适应串行总线系统调试。使用混合信号示波器MSO，用户不必手动建立逻辑分析仪的状态机制，以便在串行数据流中找到要求的码型，也不必将逻辑分析仪测试结果与示波器测试结果相关联。混合信号示波器MSO 只需几个简单的步骤便可找到相关码型。调试 SPI 总线在过去是非常困难的事情，但混合信号示波器 具有专门的调试功能，可为数字系统设计师节省大量的调试时间，从而把更多的时间用在项目设计上。

图8. 在SPI信号上进行设置和触发。如果指定的数据码型为真, 混合信号示波器MSO将在第N个时钟边沿(4至32) 上触发。

控制器局域网(CAN) 简介

控制器区域网 (CAN) 是 ISO 为实时应用定义的串行通信总线。它在二十世纪八十年度由 Bosch 公司推出，用于为汽车电子设备提供经济高效的通信。CAN总线的数据速率高达 1 Mb/s，具有出色的错误检测能力，而且极为可靠。基于这些特性，CAN总线在汽车行业一直得到广泛应用，并且在制造、航空航天和其他许多涉及数据通信的工业领域中也越来越多地使用这一总线进行系统和子系统间的通信。

图 9 是汽车中 CAN总线系统的实例。典型的汽车系统可能有几个工作于不同速度、执行不同任务的 CAN 网络。例如，用于机械传动系统的高速网络，以及用于环境控制、照明和防抱死系统的若干网络。

CAN总线是什么意思？

CAN全称为Controller Area Network，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。
CAN总线是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率、高抗电磁干扰性，而且要能够检测出总线的任何错误。当信号传输距离达10Km 时CAN 仍可提供高达50Kbit/s 的数据传输速率。

CAN总线特点

CAN是到目前为止为数不多的有国际标准的现场总线
CAN通讯距离最大是10公里（设速率为5Kbps）,或最大通信速率为1Mbps(设通信距离为40米)。
CAN总线上的节点数可达110个。通信介质可在双绞线，同轴电缆，光纤中选择。
CAN采用非破坏性的总线仲裁技术，当多个节点同时发送数据时，优先级低的节点会主动退出发送，高优先级的节点可继续发送，节省总线仲裁时间。
CAN是多主方式工作，网上的任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息。
CAN采用报文识别符识别网络上的节点，从而把节点分成不同的优先级，高优先级的节点享有传送报文的优先权。报文是短帧结构，短的传送时间使其受干扰概率低，CAN有很好的效验机制，这些都保证了CAN通信的可靠性。

CAN总线的应用

CAN总线已应用到铁路、交通、国防、工程、工业机械、纺织、农用机械、数控、医疗器械机器人、楼宇、安防等方面。

如何调试CAN总线系统？

CAN串行总线系统具有多主器件能力，这意味着所有 CAN节点都可发送数据，多个CAN节点也可同时向总线请求数据。

与传统网络不同，CAN 不是从一个点向另一个点发送消息。在 CAN网络中，器件没有通常意义上的地址，因为是由数据而不是由器件给出识别符。优先级方案称为带冲突检测的载波侦听多址连接 (CSMA/ CD)，它将定义哪个器件是特定时间的总线控制器。具有最小数值的识别符有最高优先级，并获得对总线的控制。任何潜在的总线冲突都可在硬件内解决。消息在网络中广播，任何节点若想获取该消息，都可获取。此外，CAN总线是双线总线， 总线信号称为 CAN_高 和 CAN_低。由于采用差分电压设计，CAN总线有良好的噪声抗扰度和容错能力。

图9. CAN汽车系统实例。(Motorola 公司许可使用此图)

许多半导体厂商都可提供低价位CAN控制器、内嵌有 CAN控制器的微控制器及接口器件。图 10 显示了典型的 CAN节点， 包括使用外部地址总线的微控制器和专门的 CAN控制器。某些控制器具有与地址总线上的并行器件相连的专门接口，也可使用另一种串行总线接口，例如 SPI。CAN收发信机包括发送边和接收边，可同时在总线上进行读写操作。图 10 给出了CAN节点的一个实例，常用于汽车中的电动窗、引擎监测或悬架控制。

图10. CAN节点实例。

使用Keysight 混合信号示波器的触发特性调试CAN总线系统

CAN总线上有 4 种不同类型的通信。消息帧包括应用数据、远程帧向网络请求数据、错误帧向各节点报告错误，节点接收机电路未就绪时 CAN帧传输产生的过载帧延迟。混合信号示波器MSO CAN 触发模式提供与任何消息帧、延迟传输请求帧及过载帧的同步功能。

由于信息帧通常知道 CAN节点的过载地点，因而能同步查看特定 CAN 节点上的其他信号。图 11 显示了对 CAN 标准帧格式的混合信号示波器MSO 快速帮助说明。

帧的起始是Start Of Frame (SOF) 位。用户可以使用混合信号示波器 MSO 的触发能力将示波器的采集与 CAN帧的起始同步，从而查看所设计电路中的其他操作以及与 CAN总线数据流具有时间关联的信号。这些触发特性可使用 29 位识别符的 CAN 2.0B 格式或 11 位识别符的 2.0 A 格式。

我们用一个实例来说明这些特性如何用于汽车应用中的实时调试。例如，一条消息使引擎启动，但也把引擎噪声引入电子控制系统。该噪声与 Start of Frame 同步，而且很难隔离。如果使用边沿触发查找问题，用户便需要水平移动波形，观察一个个脉冲，即便如此，也很难使数据保持同步并建立关联。但是通过 SOF触发功能， 这一活动便可与 MSO 触发保持同步。用户可以使用模拟通道进行探测，查看信号的噪声成分。然后通过MegaZoom III深存储器，用户可以及时地回顾帧内的事件， 从而隔离问题，并通过分析找出噪声问题的起因。

图11. CAN触发快速帮助说明。用户可通过Keysight 混合信号示波器 触发能力将示波器采集与CAN帧的起始同步。

CAN触发特性

用户可使用混合信号示波器MSO 中的4 个模拟通道或16 个数字定时通道，或者模拟和数字通道组合检测 CAN信号。当使用其中一个通道与 CAN帧同步时，另外 17 个通道都可用于观察设计。这17 个通道与是德科技公司MegaZoom III深存储器相结合，可使您深入了解复杂的嵌入式CAN节点设计和交互。

规定波特率

为与总线流量正确同步，用户可规定系统波特率。波特率应遵循 CiA ( CAN in Automation) 商会推荐的波特率。

触发信号包括CAN_H、CAN_L、Rx 或Tx用户还可指定需要监测的 CAN信号， 可以是差分 CAN信号、CAN_H 信号或 r CAN_L 信号。这些对于监测总线非常有用，特别是用户只能访问这些信号时。混合信号示波器MSO 还可用于观察这些信号的参考信息，包括噪声尖峰、振铃和定时测量。但由于这是专为噪声环境设计的差分信号，在观察 CAN_H 或 CAN_L 信号时，噪声尖峰可能造成假触发。解决这一问题的方案是使用差分探头，例如 Keysight N2772A 20 MHz 差分探头来观察实际的抗噪差分信号。请在菜单系统中选择标题为'Differential' 的信号类型。

用户也可在数字边收发信机信号上检测Rx 和 Tx。Rx 信号给出了总线数据流的全面情况，访问起来也很方便。Rx 信号对物理总线 CAN_H 和 CAN_L 上的噪声/电平漂移不敏感。Tx 线可提供更多信息，因为它只有在源节点发送总线消息时才有活动。对该线的检测有助于隔离特定节点的流量。

实时触发能力、MegaZoom III 深存储器、4 个模拟通道和 16 个定时通道相结合， 使示波器MSO 成为调试 CAN系统的强大工具。混合信号示波器MSO 的 CAN协议触发特性帮助用户轻松地同步需要的数据帧，以便找出汽车和工业设计中的问题。对于汽车电子模块内的通信，一般采用 SPI 接口。由于 MSO 能够在多种串行总线上触发，因而它不仅是调试汽车应用中 CAN系统，而且也是用于各种工业控制系统的强大测量仪器。

图12. 用户可指定需要监测的CAB 信号。此处显示的是CAN-L 信号。

通用串行总线(USB) 简介

什么是通用串行总线USB?

通用串行总线是USB是英文Universal Serial Bus的缩写，是一种串口总线标准，也是一种输入输出接口的技术规范，被广泛地应用于个人电脑和移动设备等信息通讯产品，并扩展至数字电视、游戏机等其它相关领域。

通用串行总线 (USB) 具有高数据速率， 可提供从 PC 到各种多媒体和网络 USB 外设器件的简单连接。用户可以使用 PC 的USB 端口将外设添加到系统中，而无需打开系统机箱。此外，用户还能通过 USB 由一台 PC 控制多种设备，例如打印机、扫描仪、数码相机和音箱。

集线器和主机等这类外设执行全速率(12 Mb/s) 或低速率 (1.5 Mb/s)。这一速率完全满足鼠标或键盘等设备对速度的要求；但新一代图像和视频设备，例如高分辨率打印机和扫描仪、视频会议摄像机和读写 (R/W) DVD 驱动器对速率要求较高，因此该速率无法满足要求。高速USB 在全速 USB 的基础上把数据吞吐量提高了 40 倍，达到了 480-Mb/s，以满足这类设备的要求。

USB 还支持即插即用，可进行自动识别和安装。USB 已成为 PC 业界标准；现在几乎每台新 PC 都有一个或多个 USB 端口。图 13 显示 PC 通过集线器连接到多个外设的典型USB 系统。

图13. USB 系统实例。

通用串行总线USB工作原理

USB是一个外部总线标准，规范电脑与外部设备的连接和通讯。USB接口具有热插拔功能。USB接口可连接多种外设。USB版本经历了多年的发展，到如今已经发展为USB4版本。

如何调试USB系统？

使用Keysight 混合信号示波器 的触发特性调试USB系统

如何调试USB 设备的物理层往往取决于对系统的可视性。例如，一个USB键盘控制器往往将微控制器、EEPROM 和其他器件封装到一个芯片中。在这种情况下，用户只能访问键盘的 USB接口线，而不能检测到控制器的内部器件。如果按下 CAPS LOCK 键 ( 大写键) ， 不能接通键盘上的LED灯，这一问题可能有几种原因造成， 可能是软件设置问题，还可能是器件故障或协议错误，亦或其他原因。为了查看相关情况和设置条件，测试设备需要能隔离出USB包，以便找到系统中可能产生问题的地方。

USB串行协议有以主机为中心的总线，这意味着主机是所有事务的发射端。图 14 是 MSO 的 USB QuickHelp 说明的一个数据包实例。主机生成的第一个数据包是对后面信息的描述，包括数据处理是读还是写。下一个数据包通常是有效载荷数据包，紧跟着是数据包信息交换报告，通知数据或令牌是否成功接收，还是终点设备无法接收数据。

USB数据包字段包括同步字段、包 ID字段、地址字段、终点字段、循环冗余校验字段和包结束字段。所有包都必须由同步字段开始，使发射机与接收机的时钟同步。包 ID字段用于识别所发送的包类型，地址字段规定包所指向的设备。循环冗余校验对包中的有效载荷数据进行校验，跟着这些字段的是包结束字段。

USB串行总线是 4 线信号系统，信号包括VBUS、D-、D+ 和接地。D- 和D+ 是差分信号，并且是信息的主要载体。VBUS 信号向设备提供电源(通常来自主机或集线器)。

图14. Keysight 混合信号示波器 USB QuickHelp 说明。Keysight MSO 可在低速和全速USB 上触发。

USB触发特性

在 USB触发模式中，Keysight MSO 可在低速和全速 USB 上触发。用户可通过下面的触发模式，从 2 条模拟线或 16 条数字定时线中任意选择检测线，以检测差分线D+ 和D-。

包开始(SOP), 包结束(EOP)

SOF 包包括 11 位帧号。Keysight 混合信号示波器 在包开始的同步位处触发。
包结束是 USB 包中的字段，并由一定位时间的单端 0 (SE0) 标记出来。Keysight 混合信号示波器在包结束的SE0 部分触发。

进入挂起, 退出挂起

当总线在 3.0-ms 以上没有活动时，USB 设备将进入挂起。即，总线空闲 3-ms 以上时，MSO 触发。在退出挂起触发模式下，当退出空闲状态 10 ms 以上时，MSO 触发，以便查看挂起/恢复过渡转变。

复位完成(RC)

在复位完成触发模式下，MSO 将在单端 0 (SE0) 大于10 ms 时触发。
有许多 USB 触发模式用于调试 USB 协议物理层的实例。有了这些触发模式，用户就能同步主机与 USB 外设间 USB 连接通信的USB 包，从而更轻松地建立协议内的关联，找出系统中的问题。

图15. Keysight 混合信号示波器在包开始的同步位处触发。

总结

新技术的发展总伴随着新的设计和调试挑战。是德科技Keysight 混合信号示波器 (MSO) 添加了新方法，以解决调试融合了串行总线的基于微控制器和 DSP设计时的问题。是德科技通过提供具有专门设计调试和解码能力的 MSO 的独特解决方案，已经解决了调试串行总线接口方面的问题，使您能够轻松地调试总线协议和器件间的相互关系。使用一台易于使用的仪器调试系统的多个部分，就可缩短调试时间、降低调试成本和减少挫折感，使设计更快地投入生产。