使用邏輯分析儀 為I2C 訊號量測提供完整解決方案

來源：demo.vm88.top 瀏覽量： 發(fā)布時間： 2018-10-15 16:29

　　I2C總線在電子產(chǎn)品中，很常見的一種總線，它的好處就是只需要兩條線，就可以并聯(lián)很多 IC進行控制。但因為多裝置(Device)及開路集極 (Open drain)的架構(gòu)，常使I2C總線除錯工作變得困難.本文將提出一些實際的應(yīng)用案例，并使用邏輯分析儀(Logic Analyzer)之各項功能，來協(xié)助排除問題。

　　使用轉(zhuǎn)態(tài)儲存進行長時間數(shù)據(jù)紀錄

　　在I2C總線訊號發(fā)生異常時，常無法明確的知道是哪個裝置出錯。因此，無法用設(shè)定觸發(fā)的方式來做問題點的定位。使用者多半會考慮先把波形都擷取回來再慢慢分析。但邏輯分析儀基本是以采樣的方式擷取訊號，不管訊號有沒有改變，都會隨著采樣擷取動作的進行，而不斷地消耗內(nèi)存。而轉(zhuǎn)態(tài)儲存(Transitional Storage)功能是一種波形數(shù)據(jù)的儲存模式，只在波形轉(zhuǎn)態(tài)(Transition)的時候才將波形數(shù)據(jù)儲存起來，這樣當(dāng)資料不轉(zhuǎn)態(tài)時，邏輯分析儀就可以持續(xù)的等候且不存任何數(shù)據(jù)到內(nèi)存內(nèi)。相對于每個采樣點都存一次資料的作法，轉(zhuǎn)態(tài)儲存將可以記下更多的數(shù)據(jù)。由于I2C的傳輸速度如下表一，整體來看速度都不會很快。 因此會非常地適合使用轉(zhuǎn)態(tài)儲存，來拉長可儲存的時間。

　　模式(mode)

　　傳輸速度

　　Standard

　　400kbit/s

　　Fast/Fast plus

　　1Mbit/s

　　High speed

　　3.4Mbit/s

　　表一I2C個模式傳輸速度

　　利用I2C觸發(fā)來定位問題點

　　舉例來說，電路板上I2C 總線連接了裝置 A與裝置 B，但在長時間燒機測試(Burn-In Test)的過程中，I2C總線發(fā)生錯誤的問題。已知的現(xiàn)象是當(dāng)發(fā)生錯誤時，I2C總線上會出現(xiàn)無效的地址(Address)，并且燒機的過程中會出現(xiàn)數(shù)次。如何能利用邏輯分析儀來做做問題厘清?這樣的問題，若想把波形數(shù)據(jù)都抓下來，其實是有困難的。 因為出現(xiàn)問題的時間點及次數(shù)都很不一定，且長達好幾天的燒機測試也使得把數(shù)據(jù)都 Log下來顯得不切實際，又必須在大量的數(shù)據(jù)中尋找問題點。也是相當(dāng)費時費力的工作。

　　因此，可采用邏輯分析儀中的I2C觸發(fā)功能來進行定位。首先，先把裝置 A(Addr:12h)與裝置 B(Addr:34h)的有效地址輸入。然后讓邏輯分析儀找出不符合上述兩個條件的地址。實際設(shè)定如圖一所示。

　　圖一利用I2C觸發(fā)功能進行無效地址定位

　　然后再搭配邏輯分析儀擷取波形后自動儲存功能，就很在燒機的過程中，每次觸發(fā)成功就存盤，之后再檢視存檔波形之觸發(fā)點即可。善用I2C觸發(fā)功能可以快速的協(xié)助波形定位，會比數(shù)據(jù)抓得多來的有意義很多。同樣的，善用整個使用I2C參數(shù)來做為觸發(fā)條件，例如地址符合或數(shù)據(jù)符合或多階式的觸發(fā)來指定更觸發(fā)，這些都是單純使用邊緣觸發(fā)(Edge Trigger)所無法做到的功能。

　　I2C觸發(fā)檢查時間違反(Timing violation)的問題點

　　I2C總線會規(guī)范 SCL與SDA必須按規(guī)定時間送出，不然整個總線的行為將會發(fā)生錯誤，導(dǎo)致通訊失敗。有時候?qū)嶋H波形的時間已經(jīng)超出規(guī)格，但卻無法在開發(fā)及驗證被挑出來，因為有時候時間誤差都不大，使得產(chǎn)品仍可正常使用。但常常問題會流到量產(chǎn)時才爆發(fā)出來，造成量產(chǎn)不良率攀升。甚至到使用者手上才出現(xiàn)問題。這都是產(chǎn)品開發(fā)所不樂于見到的結(jié)果。

　　以圖二所示，可啟用邏輯分析儀之時間違反檢查當(dāng)作觸發(fā)條件,設(shè)定所需檢查的時間值，再讓邏輯分析儀協(xié)助挑出時間違反的地方。邏輯分析儀系統(tǒng)采用200MHz采樣率來進行采樣。因此，可檢查之小時間寬度為5ns。這樣，就可以輔助使用者，利用觸發(fā)來做時間違反檢查。非常適合于燒機測試時，用這個方式檢測I2C總線的訊號時間。

　　圖二時間違反觸發(fā)功能之設(shè)定畫面

　　采用舒密特觸發(fā)電路架構(gòu)擷取質(zhì)量良好的I2C訊號

　　使用邏輯分析儀進行量測時，常會看到一些噪聲。但使用示波器看的時候似乎又沒有，是甚么原因?要如何排除？這是因為I2C總線是開路集極架構(gòu)，總線上又同時接了很多裝置，還有一些靜電防護零件等等。可能使得I2C波形不見得會是很好的方波。常見的I2C波形如圖三、四所示。但這樣的波形在I2C規(guī)范里面，是正?？山邮艿模]有問題。

　　圖三常見的I2C總線訊號(一),上方為 SCL,下方為 SDA

　　圖四常見的I2C總線訊號(二),SDA訊號

　　也因為這樣，一般I2C芯片，都會規(guī)范在訊號輸入腳位必須要有舒密特觸發(fā)(Schmitt trigger)電路，以便于完善的解決訊號輸入后能正確的處理邏輯訊號。為此，邏輯分析儀也可循此法做較完善的訊號解擷取動作。圖五為一般邏輯分析儀，此用單一個觸發(fā)準位的方式來做邏輯0與邏輯1的區(qū)分。這樣的作法，很容易在待測訊號經(jīng)過觸發(fā)準位(Threshold)附近時，產(chǎn)生很多不可預(yù)期的邏輯變化。使得擷取出來的訊號像是噪聲或彈跳的現(xiàn)象。

　　圖五邏輯分析儀采單一觸發(fā)準位模式示意圖

　　若采用低通濾波(Low-pass filter)的做法，是可以濾除噪聲，但又使得可能造成線路問題的高頻噪聲也同時被濾掉了。無論如何，這都不是適當(dāng)?shù)慕鉀Q方案。

　　而圖六則是啟用了舒密特觸發(fā)電路之后的畫面，此架構(gòu)采用了兩組觸發(fā)電壓，分別為Thres-high與Thres-low。兩個電壓間，就是所謂不轉(zhuǎn)態(tài)區(qū)域，在這個區(qū)間內(nèi)，不管訊號怎么改變，都不會影響邏輯判斷。這樣，就可以正常的擷取到I2C訊號，且真正的高頻噪聲也不會漏掉，也符合I2C芯片設(shè)計規(guī)范。

　　圖六 邏輯分析儀采舒密特電路觸發(fā)模式示意圖

　　堆棧示波器可同時看到I2C數(shù)字與模擬訊號

　　在使用了邏輯分析儀所提供的I2C總線觸發(fā)與分析功能后。擷取下來的波形開始要進行問題分析階段，常常很多項目都是軟硬件共同合作，參與的人很多，若無法同時看到對應(yīng)的仿真訊號，對于厘清問題幫助不大。尤其是線路造成的問題，數(shù)字訊號并無法清楚地呈現(xiàn)出問題點。

　　但是，單純邏輯分析儀堆棧示波器并沒有任何說明，因為大部分的時候邏輯分析儀可以抓的時間長度會遠大于示波器，這樣，即使示波器顯示波形出來，也不在正確的位置上。唯有透過邏輯分析儀的觸發(fā)功能進行訊號定位。這樣抓到的仿真訊號才是有意義的。圖七就是利用堆棧并設(shè)定觸發(fā)之后同時抓到數(shù)字與模擬訊號。使用者可以將它發(fā)送給需要看波形的人，I2C總線數(shù)字譯碼的部分可讓用戶快速理解他所看到波形。而模擬訊號的部分，則忠實的呈現(xiàn)出波形的原貌。兩者這樣的結(jié)合，成為量測方案。

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