采用數字示波器調試嵌入式I2C總線

時間：2018-10-26 13:10:01

關鍵字：嵌入式總線總線與接口數字示波器

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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。

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。

問題探討

項目設計中計劃采用Cypress 68013A芯片來實現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。

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數據手冊編程后，卻發(fā)現在通過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據，使用RIGOL公司的DS6104示波器來捕獲初始階段的通信數據。

DS6104示波器具有I2C觸發(fā)及I2C解碼套件，為捕獲數據需設置如下：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、數據信源及合適的觸發(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據頭，圖3所示為所得解碼數據。

圖3：Cypress 68013A與EEPROM I2C初始通信數據。

通過與讀入DSP內存的固件數據(圖4)對比可知，圖中的“0xC2 0x47 ...”及后續(xù)數據才是真正的固件數據。因此，導致DSP模擬EEPROM通信失敗的原因是從起始數據至固件數據間的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”，無數據返回;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固件程序數據(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據以后，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據為“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通信數據頭展開。

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數據修改為“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的通信數據，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通信數據頻率變化。

至此，我們通過采用RIGOL推出的DS6104數字示波器，以可視化的方式實現了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。

本文小結

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。