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運(yùn)用MSO檢測內(nèi)嵌式設(shè)計(jì)問題, 解讀MCU混合信號設(shè)計(jì)

使用微控制器(MCU)或數(shù)位信號處理器(DSP)來設(shè)計(jì)混合信號的內(nèi)嵌式系統(tǒng)時(shí)，工程師向來習(xí)慣使用示波器加邏輯分析儀來測試和除錯(cuò)...

使用微控制器(MCU)或數(shù)位信號處理器(DSP)來設(shè)計(jì)混合信號的內(nèi)嵌式系統(tǒng)時(shí)，工程師向來習(xí)慣使用示波器加邏輯分析儀來測試和除錯(cuò),。但稱為MSO混合信號示波器的量測工具在偵測和找出內(nèi)嵌式設(shè)計(jì)的問題時(shí),，可以提供相當(dāng)多的優(yōu)點(diǎn)。 

為了說明MSO具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn),，本文將針對使用微控制器之混合信號的內(nèi)嵌式設(shè)計(jì)，介紹一種典型的啟動(dòng)(Turn On)與除錯(cuò)測試方法。我們會(huì)使用MSO來驗(yàn)證脈沖式Chirp類型輸出信號的品質(zhì),，該信號是由一個(gè)MCU及相配合的週邊硬體，依據(jù)各種類型,、數(shù)位與序列I/O(I2C)等輸入條件所產(chǎn)生的,。 

不過，在探討這個(gè)內(nèi)嵌式設(shè)計(jì)與說明如何啟動(dòng)并利用MSO進(jìn)行除錯(cuò)之前，先來定義所謂的MSO,。 

快速波形更新速率 

MSO是一種混合式的測試儀器,，結(jié)合了數(shù)位儲(chǔ)存示波器(DSO)所有的量測能力與邏輯分析儀的部分量測能力，成為單一部協(xié)同運(yùn)作的儀器,。有了MSO,，便可以在同一個(gè)顯示幕上，觀察多個(gè)時(shí)間同步的類型和數(shù)位波形,，如圖1所示,。 

MSO通常沒有全功能的邏輯分析儀具備的先進(jìn)數(shù)位量測能力與為數(shù)眾多的數(shù)位采集頻道，但MSO較為簡單的特性,，卻可以避免如同全功能的邏輯分析儀在操作上可能會(huì)產(chǎn)生的複雜使用模式,。事實(shí)上，MSO的主要優(yōu)點(diǎn)就是它的使用模式,，您可以使用MSO就像是使用一般的示波器一樣,，而且由于MSO是高度整合的儀器，因此相較于組合鬆散的雙機(jī)式混合信號量測解決方桉,，確實(shí)容易使用得多,。 

一部設(shè)計(jì)精良的MSO應(yīng)該非常簡易好用，可提供快速的波形更新速率,，而且操作起來就像示波器一樣,，而不像邏輯分析儀。 

圖2是一個(gè)內(nèi)嵌式Chirp產(chǎn)品的方塊圖,，這是位于美國加州Chico的Solutions Cubed公司針對內(nèi)嵌式的工業(yè)應(yīng)用所開發(fā)出來的系統(tǒng),。此混合信號的內(nèi)嵌式產(chǎn)品的核心是一個(gè)內(nèi)部以16位元指令集運(yùn)作的Microchip PIC18F452-I/PT微控制器，由于此MCU內(nèi)建了匯流排結(jié)構(gòu),，并且包含一個(gè)內(nèi)嵌式的類型/數(shù)位轉(zhuǎn)換器(ADC),，因此這個(gè)混合信號的設(shè)計(jì)及其相關(guān)的外部電路相當(dāng)適合利用MSO來進(jìn)行啟動(dòng)與除錯(cuò)測試。 

除此之外,，雖然瞭解這個(gè)特殊設(shè)計(jì)的運(yùn)作方式與您的設(shè)計(jì)應(yīng)用之間沒有太大的關(guān)連,，但我們還是要簡單介紹一下這個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作方式，以便了解MSO是如何應(yīng)用在這種類型的混合信號量測作業(yè)上,。 

這個(gè)設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)是要依據(jù)各種類型,、數(shù)位和序列I/O輸入條件，產(chǎn)生具有不同長度,、形狀和振幅的類型Chirp輸出信號,。 

Chirp是一種RF的脈沖式類型信號，其中包含特定的周期數(shù),，常見于航太/國防及汽車的應(yīng)用中,。MCU會(huì)同時(shí)監(jiān)測下列三種類型和數(shù)位輸入信號,，以決定所要產(chǎn)生之Chirp輸出信號的類型特性。 

．使用MCU其中一個(gè)可用的并列數(shù)位I/O埠來監(jiān)測使用者控制面板的操作狀態(tài),，以決定所要產(chǎn)生之Chirp輸出信號的形狀,。 

．透過MCU其中一個(gè)可用的ADC輸入來監(jiān)測類型式加速度感應(yīng)器的輸出位準(zhǔn)，以決定所要產(chǎn)生之Chirp輸出信號的振幅,。 

．利用MCU上專用的I2C序列I/O埠來監(jiān)測序列I2C通訊連結(jié)的狀態(tài),，以決定輸出Chirp信號時(shí)所要產(chǎn)生的脈沖數(shù)。I2C通訊輸入信號是透過此內(nèi)嵌式設(shè)計(jì)中的另一個(gè)智慧型子系統(tǒng)組件來產(chǎn)生的,。 

MCU會(huì)依據(jù)這三種類型,、數(shù)位和序列輸入信號的狀態(tài)，產(chǎn)生一連串并列的輸出信號給外部的8位元DAC使用,，讓DAC產(chǎn)生一個(gè)具有不同振幅,、形狀和長度的類型Chirp信號。接著,，再將DAC未經(jīng)濾波,、呈階梯狀的輸出信號匯入一個(gè)類型的低通濾波器中，以便將輸出信號平滑化和降低雜訊,，此類濾波器也會(huì)造成輸出信號的相位出現(xiàn)一個(gè)預(yù)知的偏移量,。最后，MCU會(huì)透過另一個(gè)可用的數(shù)位I/O埠,，產(chǎn)生一個(gè)并列的數(shù)位輸出信號，以驅(qū)動(dòng)LCD顯示面板,，提供系統(tǒng)狀態(tài)的資訊,。 

內(nèi)嵌式Chirp進(jìn)行啟動(dòng)與除錯(cuò)測試 

設(shè)計(jì)此系統(tǒng)中的MCU時(shí)，第一步需先設(shè)定MCU的I/O以提供所需的類型和數(shù)位I/O埠數(shù),。MicroChip的這個(gè)微控制器可以讓您選擇使用少一點(diǎn)的類型I/O埠數(shù),，而得到多一點(diǎn)的數(shù)位I/O埠數(shù)，反之亦然,。 

在設(shè)計(jì)MCU的程式以監(jiān)測不同的輸入信號并產(chǎn)生最后指定的輸出信號之前,，我們決定先開發(fā)測試程式，一次啟動(dòng)此內(nèi)嵌式設(shè)計(jì)的一個(gè)區(qū)塊,，然后驗(yàn)證其運(yùn)作是否正常以及信號的完整性,，之后再考慮交叉使用的複雜度。 

我們啟動(dòng)及偵錯(cuò)的第一個(gè)區(qū)塊是外部的輸出DAC和類型濾波器,，為了驗(yàn)證此電路及內(nèi)部的韌體能否正常運(yùn)作,，我們一開始設(shè)定MCU產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)/反覆的正弦波，且無論輸入控制/狀態(tài)信號的條件為何,，此正弦波的振幅都是固定的,。 

圖3是MSO采集到MCU的數(shù)位I/O埠連續(xù)輸出之?dāng)?shù)位信號的螢?zāi)划嬅?下方的軌跡),，該I/O埠會(huì)驅(qū)動(dòng)外部DAC的數(shù)位輸入端。此外,，我們也可以看到時(shí)間同步的階梯狀轉(zhuǎn)換器輸出(上方的軌跡),，以及經(jīng)過類型濾波的輸出信號(中間的軌跡)。由于這個(gè)信號是一個(gè)相當(dāng)?shù)臀粶?zhǔn)的輸出信號,，只使用8位元DAC(最多256個(gè)位階)的16個(gè)位階而已,，因此我們可以輕易地在示波器的顯示幕上，觀察到此轉(zhuǎn)換器未經(jīng)濾波呈階梯狀的輸出特性,。 

我們設(shè)定當(dāng)DAC的輸出達(dá)到最高的輸出位準(zhǔn)(螢?zāi)恢行?時(shí),，進(jìn)行觸發(fā)采集。使用傳統(tǒng)示波器的觸發(fā)模式在這一點(diǎn)進(jìn)行觸發(fā)是不可能的,，因?yàn)槭静ㄆ饔|發(fā)需要透過信號緣的轉(zhuǎn)態(tài)來啟動(dòng),，不可能使用示波器在信號的平頂處進(jìn)行觸發(fā)。 

為了在輸出信號的這個(gè)相位進(jìn)行觸發(fā),，我們依據(jù)DAC的數(shù)位輸入信號(MCU I/O埠的輸出),，設(shè)定一組簡單的單一級碼型觸發(fā)條件，其代表的數(shù)值與外部轉(zhuǎn)換器的最高輸出類型位準(zhǔn)是一致的,。 

為了確切地在波形上的這一點(diǎn)進(jìn)行觸發(fā),，我們輸入一個(gè)并列的二進(jìn)位碼型HHHL LHHL做為觸發(fā)的條件。由于此MSO採用的是限定(Qualified)的碼型觸發(fā)模式,，因此一定會(huì)在指定的碼型開始出現(xiàn)的地方進(jìn)行觸發(fā),，而不會(huì)在不穩(wěn)定轉(zhuǎn)態(tài)的情況下觸發(fā)，這是因?yàn)檫@種示波器需要邏輯位準(zhǔn)維持至少2ns的穩(wěn)定時(shí)間,，且要在出現(xiàn)穩(wěn)定的碼型時(shí)才能進(jìn)行觸發(fā),。請注意，有些混合信號的量測解決方桉只要存在指定的碼型觸發(fā)條件就會(huì)進(jìn)行觸發(fā),，這表示可能會(huì)在碼型的中間,，或是在轉(zhuǎn)換的狀態(tài)下進(jìn)行觸發(fā)。若沒有限定的碼型觸發(fā)條件,，結(jié)果將會(huì)變成不穩(wěn)定的觸發(fā),。 

精確觸發(fā)DAC輸出位準(zhǔn) 

圖4是MSO的一個(gè)觸發(fā)設(shè)定條件，可以精確地在DAC 50%的輸出位準(zhǔn)進(jìn)行觸發(fā),，之所以能夠如此是因?yàn)槌祟愋陀|發(fā)條件之外,，還能再加入并列的數(shù)位輸入信號，做為碼型觸發(fā)條件的緣故,。需要謹(jǐn)記的是,，并非所有的MSO混合信號量測解決方桉都可以結(jié)合類型和數(shù)位條件來進(jìn)行混合信號的觸發(fā)。然而,，由于兩組類型的輸出在50%的上升位準(zhǔn)和50%的下降位準(zhǔn)時(shí),，都可能達(dá)到相同的位準(zhǔn),，因此除了8位元輸入碼型的觸發(fā)條件之外，還要再加入類型頻道2必須為低位準(zhǔn)的條件,，示波器才能利用類型和數(shù)位碼型觸發(fā)的組合,，在想要的相位進(jìn)行觸發(fā)。請注意,，當(dāng)類型信號高于類型觸發(fā)位準(zhǔn)時(shí),，會(huì)被視為高位準(zhǔn)，反之,，當(dāng)它們低于觸發(fā)位準(zhǔn)時(shí),，會(huì)被視為低位準(zhǔn)。此外,，圖4中還可以看到自動(dòng)化的參數(shù)量測結(jié)果,，包括經(jīng)過濾波的輸出信號相對于DAC階梯狀輸出的振幅、頻率及相位偏移,。 

在啟動(dòng)并驗(yàn)證外部DAC和類型濾波電路能否正常運(yùn)作之后,，此設(shè)計(jì)啟動(dòng)程序的下一步是要依據(jù)序列I2C輸入信號，產(chǎn)生一定數(shù)量的非反覆正弦波脈沖(Chirp),。圖5是使用標(biāo)準(zhǔn)示波器的信號源觸發(fā)模式,，將不同長度的Chirp信號重疊顯示(無限持續(xù)時(shí)間)的結(jié)果，使用傳統(tǒng)示波器的信號源觸發(fā)模式無法以特定長度的Chirp做為限定條件來進(jìn)行觸發(fā),。 

運(yùn)用MSO混合信號示波器的I2C觸發(fā)能力,，我們可以依據(jù)特定的序列輸入條件，指示MCU產(chǎn)生特定長度(脈沖數(shù))的Chirp輸出,，進(jìn)行同步的采集,，如圖6所示。 

由圖6左可以看出,，MSO混合信號示波器可以在I2C中出現(xiàn)特定的序列位址和資料內(nèi)容時(shí)，觸發(fā)采集到3個(gè)週期的Chirp,，而圖6右則顯示出示波器可以觸發(fā)采集到1個(gè)週期的Chirp,。數(shù)位頻道D14和D15(最上面兩條藍(lán)色的數(shù)位軌跡)分別定義為I2C時(shí)脈和資料輸入觸發(fā)信號，實(shí)際上,，我們可以設(shè)定16個(gè)數(shù)位頻道或2到4個(gè)類型示波器頻道的任一個(gè),，連續(xù)對這兩個(gè)序列輸入信號進(jìn)行觸發(fā)。在監(jiān)測序列輸入和類型輸出信號之際,，我們也設(shè)定D0到D7來監(jiān)測DAC輸入(MCU輸出)信號(底下8條數(shù)位軌跡),，如圖6所示。 

雖然圖中沒有顯示,，但我們可以另外依據(jù)會(huì)決定輸出信號振幅之類型式加速度感應(yīng)器所輸出的類型信號,，設(shè)定示波器的另一個(gè)類型頻道來同步探量,、采集、以及觸發(fā)MSO,。此外,，我們也可以利用MSO未使用的數(shù)位頻道，監(jiān)測或進(jìn)一步以數(shù)位控制面板的輸入信號或LCD輸出驅(qū)動(dòng)信號做為限定條件來進(jìn)行觸發(fā),。