運(yùn)用MSO檢測(cè)內(nèi)嵌式設(shè)計(jì)問(wèn)題, 解讀MCU混合信號(hào)設(shè)計(jì)

使用微控制器(MCU)或數(shù)位信號(hào)處理器(DSP)來(lái)設(shè)計(jì)混合信號(hào)的內(nèi)嵌式系統(tǒng)時(shí)，工程師向來(lái)習(xí)慣使用示波器加邏輯分析儀來(lái)測(cè)試和除錯(cuò)...

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

為了說(shuō)明MSO具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，本文將針對(duì)使用微控制器之混合信號(hào)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(cè)試方法。我們會(huì)使用MSO來(lái)驗(yàn)證脈沖式Chirp類型輸出信號(hào)的品質(zhì)，該信號(hào)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(guò)，在探討這個(gè)內(nèi)嵌式設(shè)計(jì)與說(shuō)明如何啟動(dòng)并利用MSO進(jìn)行除錯(cuò)之前，先來(lái)定義所謂的MSO。 

快速波形更新速率 

MSO是一種混合式的測(cè)試儀器，結(jié)合了數(shù)位儲(chǔ)存示波器(DSO)所有的量測(cè)能力與邏輯分析儀的部分量測(cè)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(méi)有全功能的邏輯分析儀具備的先進(jìn)數(shù)位量測(cè)能力與為數(shù)眾多的數(shù)位采集頻道，但MSO較為簡(jiǎn)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(hào)量測(cè)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(jiǎn)易好用，可提供快速的波形更新速率，而且操作起來(lái)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(guó)加州Chico的Solutions Cubed公司針對(duì)內(nèi)嵌式的工業(yè)應(yīng)用所開發(fā)出來(lái)的系統(tǒng)。此混合信號(hào)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(hào)的設(shè)計(jì)及其相關(guān)的外部電路相當(dāng)適合利用MSO來(lái)進(jìn)行啟動(dòng)與除錯(cuò)測(cè)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(méi)有太大的關(guān)連，但我們還是要簡(jiǎn)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(hào)量測(cè)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(zhǎng)度、形狀和振幅的類型Chirp輸出信號(hào)。 

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

．透過(guò)MCU其中一個(gè)可用的ADC輸入來(lái)監(jiān)測(cè)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(hào)的振幅。 

．利用MCU上專用的I2C序列I/O埠來(lái)監(jiān)測(cè)序列I2C通訊連結(jié)的狀態(tài)，以決定輸出Chirp信號(hào)時(shí)所要產(chǎn)生的脈沖數(shù)。I2C通訊輸入信號(hào)是透過(guò)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(lái)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(hào)的狀態(tài)，產(chǎn)生一連串并列的輸出信號(hào)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(zhǎng)度的類型Chirp信號(hào)。接著，再將DAC未經(jīng)濾波、呈階梯狀的輸出信號(hào)匯入一個(gè)類型的低通濾波器中，以便將輸出信號(hào)平滑化和降低雜訊，此類濾波器也會(huì)造成輸出信號(hào)的相位出現(xiàn)一個(gè)預(yù)知的偏移量。最后，MCU會(huì)透過(guò)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(hào)，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(cè)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(cè)不同的輸入信號(hào)并產(chǎn)生最后指定的輸出信號(hào)之前，我們決定先開發(fā)測(cè)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(hào)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(wú)論輸入控制/狀態(tài)信號(hào)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(hào)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(guò)類型濾波的輸出信號(hào)(中間的軌跡)。由于這個(gè)信號(hào)是一個(gè)相當(dāng)?shù)臀粶?zhǔn)的輸出信號(hào)，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?cè)O(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(guò)信號(hào)緣的轉(zhuǎn)態(tài)來(lái)啟動(dòng)，不可能使用示波器在信號(hào)的平頂處進(jìn)行觸發(fā)。 

為了在輸出信號(hào)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(hào)(MCU I/O埠的輸出)，設(shè)定一組簡(jiǎn)單的單一級(jí)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(cǎi)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(qǐng)注意，有些混合信號(hào)的量測(cè)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(méi)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(hào)，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(hào)量測(cè)解決方桉都可以結(jié)合類型和數(shù)位條件來(lái)進(jìn)行混合信號(hào)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(qǐng)注意，當(dāng)類型信號(hào)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(cè)結(jié)果，包括經(jīng)過(guò)濾波的輸出信號(hào)相對(duì)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(hào)，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(hào)源觸發(fā)模式，將不同長(zhǎng)度的Chirp信號(hào)重疊顯示(無(wú)限持續(xù)時(shí)間)的結(jié)果，使用傳統(tǒng)示波器的信號(hào)源觸發(fā)模式無(wú)法以特定長(zhǎng)度的Chirp做為限定條件來(lái)進(jìn)行觸發(fā)。 

運(yùn)用MSO混合信號(hào)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(zhǎng)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(hào)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(hào)，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(duì)這兩個(gè)序列輸入信號(hào)進(jìn)行觸發(fā)。在監(jiān)測(cè)序列輸入和類型輸出信號(hào)之際，我們也設(shè)定D0到D7來(lái)監(jiān)測(cè)DAC輸入(MCU輸出)信號(hào)(底下8條數(shù)位軌跡)，如圖6所示。 

雖然圖中沒(méi)有顯示，但我們可以另外依據(jù)會(huì)決定輸出信號(hào)振幅之類型式加速度感應(yīng)器所輸出的類型信號(hào)，設(shè)定示波器的另一個(gè)類型頻道來(lái)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(cè)或進(jìn)一步以數(shù)位控制面板的輸入信號(hào)或LCD輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)做為限定條件來(lái)進(jìn)行觸發(fā)。