調(diào)試嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中的低速串行總線(二)

工作方式
SPI (串行外設(shè)接口)總線是一種主/從結(jié)構(gòu)的4線串行通信總線。4個信號是時鐘(SCLK), 主輸出/從輸入(MOSI), 主輸入/從輸出(MISO)和從選擇(SS)。在兩臺設(shè)備通信時，一臺設(shè)備稱為“主設(shè)備”，另一臺設(shè)備稱為“從設(shè)備”。主設(shè)備驅(qū)動串行時鐘。它同時收發(fā)數(shù)據(jù)，因此是一種全雙工協(xié)議。SPI 使用SS 線路指明與哪臺設(shè)備傳送數(shù)據(jù)，而不是總線上的每臺設(shè)備都有一個唯一的地址。這樣，總線上的每臺唯一的設(shè)備都需要從主設(shè)備提供自己的SS 信號。如果有3 臺從設(shè)備，那么主設(shè)備有 3 條SS 引線，每條引線都連接到每臺從設(shè)備上，如圖 8 所示。
在圖8 中，每臺從設(shè)備只與主設(shè)備通話。但是，SPI可以串聯(lián)多臺從設(shè)備，每臺從設(shè)備依次進行操作，然后把結(jié)果發(fā)回主設(shè)備，如圖9所示。因此您可以看到，SPI實現(xiàn)方案沒有“標準”。在某些情況下，在不要求從設(shè)備向回到主設(shè)備通信時，MISO 信號可以完全省略。
在SPI數(shù)據(jù)傳送發(fā)生時，8位數(shù)據(jù)字移出MOSI，不同的8位數(shù)據(jù)字移入MISO。這可以視為16 位循環(huán)位移寄存器。在傳送發(fā)生時，這個16 位位移寄存器位移8 個位置，從而在主設(shè)備和從設(shè)備之間交換8位數(shù)據(jù)。一對寄存器 - 時鐘極性(CPOL)和時鐘相位(CPHA)決定著驅(qū)動數(shù)據(jù)的時鐘邊沿。每個寄存器有兩種可能的狀態(tài)，支持四種可能的組合，所有這些組合互不兼容。因此，主/從設(shè)備對必須使用相同的參數(shù)值進行通信。如果使用多個固定在不同配置的從設(shè)備，那么每次需要與不同的從設(shè)備通信時，主設(shè)備必須重新進行配置。

圖8.常用的SPI配置。

圖9.串聯(lián)SPI配置。

圖10. SPI 總線設(shè)置菜單。

處理SPI
DPOxEMBD 串行觸發(fā)和分析應(yīng)用模塊還可以為SPI 總線實現(xiàn)類似的功能。我們可以再次使用前面板Bus按鈕，簡單地輸入總線基本參數(shù)，包括SCLK, SS, MOSI 和MISO位于哪條通道上、門限和極性，來定義一條SPI 總線 (參見圖10)。
例如，考慮一下圖11 中的嵌入式系統(tǒng)。一條SPI 總線連接到一個合成器、一個DAC及某個I/O 上。合成器連接到VCO上，VCO為其余系統(tǒng)提供一個 2.5 GHz 時鐘。在啟動時，CPU應(yīng)該對合成器編程。但是不知道哪里出了問題，VCO在產(chǎn)生3 GHz的信號。調(diào)試這個問題的第一步是考察CPU和合成器之間的信號，確定存在信號，沒有物理連接問題，但我們找不到發(fā)生了什么問題。然后，我們決定看一下SPI 總線上傳送的合成器編程使用的實際信息。為捕獲這些信息，我們把示波器設(shè)成在合成器Slave Select信號激活時觸發(fā)采集，并對DUT 通電，捕獲啟動編程命令。采集結(jié)果如圖12 所示。
通道1 (黃色) 是SCLK，通道2 (青色) 是MOSI，通道3(洋紅色) 是SS。為確定我們是否對設(shè)備正確編程，我們看一下合成器的產(chǎn)品資料?？偩€上的前三個消息假設(shè)是初始化合成器、加載分路器比率、鎖存數(shù)據(jù)。根據(jù)技術(shù)數(shù)據(jù)，前三個傳送中最后半個字節(jié) (一個十六進制字符)應(yīng)該分別是3, 0 和1，但我們看到的是0, 0 和0。在消息末尾全是0 時，我們認識到，我們在SPI 中犯了一個最常見的錯誤，即在軟件中以相反的順序在每個24位字中對各個位編程。在迅速改變軟件配置后，得到下面的采集，VCO 正確鎖定在2.5 GHz，如圖13 所示。
在上面的實例中，我們使用簡單的SS Active 觸發(fā)。MSO/DPO 系列中完整的SPI 觸發(fā)功能包括下述類型：
SS Active - 在從設(shè)備選擇行對從設(shè)備變真時觸發(fā)。
MOSI - 在從主設(shè)備到從設(shè)備用戶指定最多16 個字節(jié)時觸發(fā)。
MISO - 在從設(shè)備到主設(shè)備用戶指定最多16 個字節(jié)時觸發(fā)。
MOSI/MISO - 在主設(shè)備到從設(shè)備及從設(shè)備到主設(shè)備用戶指定最多16 個字節(jié)時觸發(fā)。
這些觸發(fā)也可以隔離感興趣的特定總線業(yè)務(wù)，解碼功能則可以立即查看采集中總線傳送的每條消息的內(nèi)容。

圖11.通過SPI控制的合成器

圖12. 采集SPI 總線之外的合成器配置消息。

圖13. 正確的合成器配置消息。

RS-232
背景知識
RS-232是近距離的兩臺設(shè)備之間進行串行通信廣泛使用的標準，它主要用于PC 串行端口，另外也用于嵌入式系統(tǒng)，作為調(diào)試端口使用或連接兩臺設(shè)備。RS-232-C標準于1969年問世，之后標準修訂了兩次，但變化很小，其信號能夠與RS-232-C 互通。業(yè)內(nèi)還有幾個相關(guān)標準，如RS-422 和RS-485，這些標準類似，但使用差分信令在遠距離內(nèi)通信。
工作方式
兩臺設(shè)備稱為DTE (數(shù)據(jù)終端設(shè)備)和DCE (數(shù)據(jù)電路端接設(shè)備)。在某些應(yīng)用中，DTE 設(shè)備控制著DCE 設(shè)備；在其它應(yīng)用中，這兩臺設(shè)備是對等的，DTE 和DCE 之間的區(qū)別可以是任意的。
RS-232標準規(guī)定了各種各樣的信號，許多信號并不常用。兩個最重要的信號是發(fā)送的數(shù)據(jù)(Tx)和接收的數(shù)據(jù)(Rx)。Tx 把數(shù)據(jù)從DTE 傳送到DCE。DTE 設(shè)備的Tx 線路是DCE 設(shè)備的Rx 線路。類似的，Rx 把數(shù)據(jù)從DCE傳送到DTE。
RS-232 標準沒有規(guī)定使用哪些連接器。最常用的連接器是25針連接器和9針連接器。也可以使10 針、8 針或6 針連接器。還可以在不使用標準連接器的情況下，把同一塊電路板上的兩臺RS-232設(shè)備連接起來。
在連接兩臺RS-232 設(shè)備時，通常要求零訊號調(diào)制器。這種設(shè)備交換多條線路，包括Tx和Rx線路。通過這種方式，每臺設(shè)備可以在Tx 線路上發(fā)送數(shù)據(jù)，在Rx 線路上接收數(shù)據(jù)。表2 顯示了RS-232 信號常用的9 針連接器使用的針腳輸出。記住，如果信號已經(jīng)傳過零訊號調(diào)制解調(diào)器，那么許多信號將被交換。最重要的是，將交換Tx 和Rx。

表2. 常用的RS-232 連接器針腳輸出。

在探測RS-232信號時，通常要使用接續(xù)盒。這種設(shè)備允許簡便地探測RS-232電纜內(nèi)部的信號。接續(xù)盒成本低，可以從電子器件經(jīng)銷商處購買。
RS-232 標準沒有規(guī)定通過總線傳送的內(nèi)容。ASCII 文本是最常見的內(nèi)容，但也使用二進制數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通常會劃分成數(shù)據(jù)包。在ASCII文本中，數(shù)據(jù)包最后通常帶有新行符或回車符。在二進制數(shù)據(jù)中，通常使用其它值，如00 或FF 十六進制。
設(shè)備通常使用通用異步接收機/ 發(fā)射機(UART) 實現(xiàn)RS-232。UART 在市面上流行的部件中廣泛使用。UART 采用位移寄存器，把一個數(shù)據(jù)字節(jié)轉(zhuǎn)換成串行流，反之亦然。在嵌入式設(shè)計中，UART 還直接通信，而不需使用RS-232 收發(fā)機。
圖14顯示了RS-232數(shù)據(jù)的一個字節(jié)。這個字節(jié)由下述位組成：
開始位－字節(jié)的開頭是一個開始位。
數(shù)據(jù)位－后面跟著多個數(shù)據(jù)位。最常見的是8個數(shù)據(jù)位，某些應(yīng)用使用7 個數(shù)據(jù)位。即使在只傳送7 個位時，數(shù)據(jù)通常也會非正式地稱為一個字節(jié)。在UART到UART 通信中，有時會使用9 位數(shù)據(jù)字。
奇偶性－一個可選的奇偶性位。
結(jié)束位－ 1 個、1.5 個或2 個結(jié)束位。RS-232總線沒有時鐘線路。每臺設(shè)備使用自己的時鐘，確定什么時候?qū)?shù)據(jù)線路采樣。在許多設(shè)計中，UART使用Tx 和Rx 信號的上升沿，把自己的時鐘與其它設(shè)備的時鐘同步起來。

圖14. RS-232 字節(jié)結(jié)構(gòu)。

處理RS-232
DPOxCOMP 應(yīng)用模塊支持串行觸發(fā)和分析RS-232總線。您可以在示波器上方便地查看RS-232、RS-422、RS-485或UART 數(shù)據(jù)，而不需連接PC 或?qū)Ｓ媒獯a器。
通過使用前面板總線按鈕，我們可以輸入基本參數(shù)，如使用的通道、位速率和奇偶性，定義RS-232 總線(參見圖15)。

圖15. RS-232 總線設(shè)置菜單。

在本例中，我們選擇了ASCII解碼；MSO/DPO系列還作為二進制或十六進制顯示RS-232 數(shù)據(jù)。
想象一下您有一臺設(shè)備輪詢傳感器，請求通過RS-232總線傳送數(shù)據(jù)。傳感器沒有對數(shù)據(jù)請求作出應(yīng)答。您想確定傳感器是不是沒有收到請求，或者是不是收到請求、但忽略了請求。
首先，探測Tx 和Rx 線路，在示波器上設(shè)置一條總線。然后把示波器設(shè)置成在通過Tx 線路發(fā)送數(shù)據(jù)請求時觸發(fā)采集。觸發(fā)后的采集如16 所示。
在這里，我們可以看到數(shù)字通道1 上的Tx 線路及數(shù)字通道0上的Rx線路。但是，我們更關(guān)心解碼的數(shù)據(jù)，其顯示在原始波形上方。我們放大查看傳感器的響應(yīng)。概況顯示了Tx線路上的請求及Rx線路上的響應(yīng)。光標顯示在請求結(jié)束后大約37ms時發(fā)出回復。提高控制器的超時可以解決這個問題，因為它為傳感器回復提供了足夠的時間。

MSO/DPO 系列示波器的RS-232 觸發(fā)包括下述功能：
Tx 開始位－在表明字節(jié)開始的位上觸發(fā)。
Tx數(shù)據(jù)包尾－ 在數(shù)據(jù)包最后一個字節(jié)上觸發(fā)。數(shù)據(jù)包可以以某個字節(jié)結(jié)尾：零 (00 十六進制), 換行(0A十六進制), 回車(0D十六進制), 空格(20十六進制)或FF 十六進制。
Tx 數(shù)據(jù)－ 觸發(fā)最多10 個字節(jié)的用戶指定數(shù)據(jù)值。
Rx 開始位、Rx 數(shù)據(jù)包尾和Rx 數(shù)據(jù)- 這些與Tx 觸發(fā)類似，但發(fā)生在Rx 線路上。通過MSO/DPO 系列示波器，可以簡便地查看RS-232信號，分析信號，把這些信號與設(shè)備中的其它活動關(guān)聯(lián)起來。

圖16. 測量兩條RS-232 總線上的消息時延。

CAN
背景知識
CAN (控制器區(qū)域網(wǎng))總線是博世公司在20世紀80年代專門研制的一種分層串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，以在電氣噪聲環(huán)境中作為設(shè)備之間的通信總線。1992年，梅塞德茲- 奔馳率先在其汽車系統(tǒng)中采用CAN。今天，幾乎每個汽車制造商都在使用CAN 控制器和網(wǎng)絡(luò)，控制雨刷器馬達控制器、雨水傳感器、安全氣囊、門鎖、傳動系統(tǒng)和電動車窗等等。由于能夠容忍電氣噪聲、減少連線、校驗錯誤及高速傳送速率，CAN 正迅速擴展到其它應(yīng)用中，如工業(yè)控制、艦隊、醫(yī)療、航空等領(lǐng)域。
工作方式
CAN總線是一種平衡的(差分)2線接口，在屏蔽雙絞線 (STP)、非屏蔽雙絞線 (UTP)或帶狀電纜上運行。每個節(jié)點使用公頭9 針連接器。非歸零 (NRZ) 位編碼與位填充一起使用，保證緊湊的消息及最小的轉(zhuǎn)換數(shù)量和高抗噪聲能力。CAN總線接口采用異步傳輸方案，在總線空閑時每個節(jié)點可以開始傳送信息。消息廣播到網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點。在多個節(jié)點同時發(fā)起消息時，位仲裁用來確定哪條消息的優(yōu)先權(quán)較高。消息可以是四種類型中的一種：數(shù)據(jù)幀、遠程傳輸請求(RTR)幀、錯幀或過載幀?？偩€上檢測到錯誤的任何節(jié)點會傳輸一個錯幀，導致總線上所有節(jié)點能夠看到當前消息不完整，傳輸節(jié)點會重新發(fā)送消息。接收設(shè)備發(fā)起過載幀，表明還沒有準備好接收數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)幀用來傳輸數(shù)據(jù)，遠程幀由用來請求數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)幀和遠程幀由每個幀開頭和結(jié)束的開始位和停止位控制，包括下述字段：仲裁字段、控制字段、數(shù)據(jù)字段、CRC字段和ACK字段，如圖17所示。

圖17. CAN 數(shù)據(jù)/ 遠程幀。

SOF - 幀以幀頭 (SOF) 位開始。
仲裁 - 仲裁字段包括標識符(地址)和遠程傳輸請求(RTR)位，用來區(qū)分數(shù)據(jù)幀和數(shù)據(jù)請求幀，其也稱為遠程幀。標識符可以采取標準格式(11位-2.0A 版)或擴展格式(29位 - 2.0B版)。
控制 - 控制字段由6個位組成，包括標識符擴展(IDE)位，它區(qū)分CAN2.0A (11 位標識符) 標準幀和CAN 2.0B (29位標識符)擴展幀?？刂谱侄芜€包括數(shù)據(jù)長度代碼 (DLC)。DLC長4 位，表明數(shù)據(jù)幀中數(shù)據(jù)字段的字節(jié)數(shù)或遠程幀請求的字節(jié)數(shù)。
數(shù)據(jù) - 數(shù)據(jù)字段由0-8個數(shù)據(jù)字節(jié)組成。
CRC - 15位循環(huán)冗余校驗代碼和隱性分隔符位。
ACK - 確認字段長兩位。第一個位是時隙位，作為隱性位傳輸，但之后被成功地收到傳輸消息的任 何節(jié)點傳送的顯性位覆蓋。第二個位是是隱性分隔符位。
EOF - 七個隱性位，表明幀尾(EOF)。
三個隱性位的間斷 (INT) 字段表明總線空閑?？偩€空閑時間可以是任意長度，包括零。
它定義了大量的不同數(shù)據(jù)速率，最高數(shù)據(jù)速率為1Mb/s，最低數(shù)據(jù)速率為5kb/s。所有模塊必須支持至少20kb/s的速率。電纜長度取決于使用的數(shù)據(jù)速率。正常情況下，系統(tǒng)中所有設(shè)備都以統(tǒng)一的固定位速率傳送信息。最大線路長度在低速時可以達到幾千米；典型情況是1Mbps 時40 米。在電纜每端使用端接電阻器。
處理CAN
MSO/DPO 系列的DPOxAUTO和DPO4AUTOMAX串行觸發(fā)和分析應(yīng)用模塊可以對CAN總線實現(xiàn)類似的觸發(fā)和分析功能。我們可以再次使用前面板 B1或B2按鈕，簡單地輸入總線的基本參數(shù)，包括探測的CAN 信號類型及位于哪條通道上、位速率、門限和樣點(位時間的%)，來定義CAN 總線，參見圖18。

圖18. CAN 總線設(shè)置菜單。

想象一下您需要進行相關(guān)定時測量，確定從司機在司機車門儀表板上按下?lián)u車窗開關(guān)開始到車窗實際開始移動之間的時延。通過指定司機車門中CAN模塊的ID 及與“下?lián)u車窗”命令有關(guān)的數(shù)據(jù)，您可以觸發(fā)采集正在查找的數(shù)據(jù)幀。通過同時探測司機車門的下?lián)u車窗開關(guān)及車門中的馬達驅(qū)動，可以非常簡便地完成這一定時測量，如圖19 所示。
圖中的白三角形是我們放在波形上作為參考點的標記。通過簡單地按示波器前面板上Set/Clear Mark (設(shè)置/清除標記)按鈕，可以在屏幕中增加或從屏幕中刪除標記。按前面板上的Previous和Next按鈕，縮放窗口從一個標記跳到另一個標記，從而可以簡便地在采集中感興趣的事件之間導航。
現(xiàn)在想象一下，如果沒有這些功能會怎樣執(zhí)行這一任務(wù)。
如果沒有CAN觸發(fā)功能，您將不得不觸發(fā)開關(guān)本身，捕獲時間窗口足夠長的活動，然后在CAN 總線上逐幀手動解碼，直到最終找到適當?shù)膸Ｒ郧靶枰獛资昼娀驇讉€小時完成的工作，現(xiàn)在只需要一會兒就可以完成。
MSO/DPO強大的CAN 觸發(fā)功能包括下述類型：
幀頭：觸發(fā)SOF 字段。
幀類型：選項包括數(shù)據(jù)幀、遠程幀、錯幀和過載幀
標識符：使用讀/寫判定觸發(fā)特定的11位或29位標
識符
數(shù)據(jù)：觸發(fā)1-8 字節(jié)用戶指定的數(shù)據(jù)
Missing Ack：在接收設(shè)備沒有提供確認時觸發(fā)
幀尾-：觸發(fā)EOF 字段
這些觸發(fā)類型可以輕松隔離CAN總線上查找的幾乎任何項目。但觸發(fā)只是開始。調(diào)試通常要求檢查觸發(fā)前觸發(fā)后的消息內(nèi)容。可以通過MSO/DPO系列的事件表簡單地查看一次采集中的多個消息的內(nèi)容，如圖17所示。
事件表以帶時戳的表格形式顯示了采集中每條消息解碼的消息內(nèi)容。它不僅可以簡便地查看總線上的所有業(yè)務(wù)，還可以簡便地在消息之間進行定時測量。事件表還可以用于MSO/DPO 系列示波器支持的所有總線類型。

圖21. LIN 幀的結(jié)構(gòu)。

LIN
背景知識
本地互連網(wǎng)絡(luò)(LIN)總線是LIN 聯(lián)盟在1999 年開發(fā)的，在不需要CAN 總線那么高的成本、通用性和速度的應(yīng)用中，作為CAN 總線的低成本替代方案。這些應(yīng)用一般包括智能傳感器和制動器之間的通信，如車窗控制、門鎖、雨水傳感器、雨刷控制、氣候控制等等。
但是，由于能夠容忍電氣噪聲、錯誤檢測功能及高速數(shù)據(jù)傳送，CAN 目前仍用于引擎定時控制、防抱死剎車系統(tǒng)、傳動系控制等應(yīng)用中。

工作方式
LIN總線是一種基于增強ISO9141標準的低成本單線實現(xiàn)方案。LIN網(wǎng)絡(luò)有一個主設(shè)備，有一個或多個從設(shè)備。所有消息都由主設(shè)備發(fā)起，每條消息只有一個從設(shè)備作出響應(yīng)，因此不象CAN那樣需要碰撞檢測和仲裁功能。通信基于UART/SCI，數(shù)據(jù)在8 位字節(jié)中與開始位、結(jié)束位和非奇偶性位一起傳送。數(shù)據(jù)速率在1 k b / s -20kb/s之間，盡管聽起來很慢，但它適合許多預計的應(yīng)用，使EMI 達到最小。LIN 總線總是處于兩種狀態(tài)中的一種狀態(tài)：活動狀態(tài)或睡眠狀態(tài)。在活動狀態(tài)下，總線上所有節(jié)點是醒著的，收聽相關(guān)的總線命令。通過使用主設(shè)備簽發(fā)Sleep Frame(睡眠幀)，或總線不活動時間長于預先確定的時間，可以使總線上的節(jié)點進入睡眠狀態(tài)。然后在任何節(jié)點請求喚醒或主設(shè)備簽發(fā)中斷字段時，總線會被喚醒。
LIN幀由兩個主要部分組成：包頭和響應(yīng)。包頭由主設(shè)備發(fā)出，響應(yīng)則由從設(shè)備發(fā)出。包頭和響應(yīng)都有自己的構(gòu)成，如圖21所示。
包頭構(gòu)成：
中斷字段－中斷字段用來表明新幀的開頭。它激活和命令所有從設(shè)備接聽包頭的其余部分。
同步字段－從設(shè)備使用同步字段確定主節(jié)點使用的波特率，相應(yīng)地進行同步。
標識符字段－標識符指明哪臺從設(shè)備采取行動。
響應(yīng)構(gòu)成：
數(shù)據(jù)－指定的從設(shè)備應(yīng)答1-8 個字節(jié)的數(shù)據(jù)。
校驗和－計算得出的字段，用來檢測數(shù)據(jù)傳輸中的錯誤。LIN標準已經(jīng)演進了多個版本，使用兩種不同形式的校驗和。典型的校驗和只在數(shù)據(jù)字節(jié)上計算，用于1.x版LIN系統(tǒng)中。增強校驗和在數(shù)據(jù)字節(jié)和標識符上計算，用于2.x 版LIN 系統(tǒng)中。

處理LIN
MSO/DPO系列通過DPOxAUTO或DPO4AUTOMAX串行觸發(fā)和分析應(yīng)用模塊提供LIN支持。再次使用前面板Bus 按鈕，我們可以簡單地輸入總線的基本參數(shù)，如使用的LIN 版本、位速率、極性、門限及在哪里對數(shù)據(jù)采樣(位時間的百分比)，定義一條LIN總線。LIN設(shè)置菜單及解碼后的LN 幀如圖22 所示。
MSO/DPO 系列擁有一種強大的功能，能夠同時定義和解碼最多四條串行總線?；氐角懊娴腃AN 總線實例，現(xiàn)在想象一下LIN總線運行車窗控制裝置。在司機按下Passenger WindowDown 控制裝置時，司機窗戶中的LIN 總線上會發(fā)起一條消息，這條消息傳過中央CAN 網(wǎng)關(guān)，然后發(fā)送到司機車門的另一個LIN網(wǎng)絡(luò)中。在這種情況下，我們可以觸發(fā)其中一條總線上的相關(guān)消息，同時捕獲和解碼全部三條總線，在業(yè)務(wù)通過系統(tǒng)從一條總線傳送到另一條總線時，可以非常簡便地查看業(yè)務(wù)。如圖23 所示，我們觸發(fā)了第一條LIN消息，捕獲了全部三條總線。
MSO/DPO 系列LIN 觸發(fā)功能包括下述類型：
－同步－觸發(fā)同步字段。
－標識符－觸發(fā)特定的標識符。
－數(shù)據(jù)－觸發(fā)1-8個字節(jié)的特定數(shù)據(jù)值或數(shù)據(jù)值范圍。
標識符和數(shù)據(jù)－觸發(fā)標識符和數(shù)據(jù)組合。
喚醒幀－觸發(fā)喚醒幀。
睡眠幀－觸發(fā)睡眠幀。
錯誤－觸發(fā)同步錯誤、ID奇偶性錯誤或校驗和錯誤。
這些觸發(fā)類型允許比以前更快地隔離LIN總線上查找的一切特性。通過MSO/DPO 系列中的其它高級串行功能，如事件表及搜索和標記功能，調(diào)試基于LIN的汽車設(shè)計變得前所未有的簡便。
FlexRay
背景知識
FlexRay 是一種相對較新的汽車總線，目前，由領(lǐng)先汽車公司和供應(yīng)商組成的集團(稱為FlexRay聯(lián)盟)對這一總線的開發(fā)工作仍在進行中。隨著汽車智能化程度不斷提高及電子器件進入越來越多的汽車應(yīng)用，制造商發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的汽車串行標準(如CAN 和LIN)沒有滿足X-bywire應(yīng)用要求的速度、可靠性或冗余性，如線路制動或線路轉(zhuǎn)向應(yīng)用。今天，這些功能主要采用機械系統(tǒng)和水壓系統(tǒng)。將來，它們將被代之以由傳感器和高度可靠的電子組成的網(wǎng)絡(luò)，這不僅可以降低汽車的成本，還可以明顯提高乘客的安全性，因為它提供了許多基于智能電子的功能，如提前制動、避免碰撞、自適應(yīng)巡航控制、等等。

圖24. FlexRay 幀結(jié)構(gòu)

工作方式
FlexRay是在屏蔽雙絞線(STP)或非屏蔽雙絞線(UTP)上運行的一種速率高達10 Mb/s的差分總線，其速度明顯高于LIN 的20 kb/s 或CAN 的1 Mb/s 速率。FlexRay采用雙通道結(jié)構(gòu)，有兩大優(yōu)勢。第一，可以配置兩條通道，在關(guān)鍵安全應(yīng)用中提供冗余通信，如x-by-wire應(yīng)用，保證消息通過。第二，可以配置兩條通道，在每條通道上以10 Mb/s速率發(fā)送唯一的信息，在安全重要程度較低的應(yīng)用中實現(xiàn)20 Mb/s 的整體總線傳送速率。
FlexRay 采用時間觸發(fā)協(xié)議，通過同時包含靜態(tài)幀和動態(tài)幀的通信周期，實現(xiàn)了以前的同步協(xié)議和異步協(xié)議的優(yōu)勢。靜態(tài)幀是為總線上每臺設(shè)備分配的時隙或預定長度，以在每個周期期間通信?？偩€上的每臺設(shè)備也有機會通過動態(tài)幀在每個周期中通信，動態(tài)幀的長度(和時間)可能會變化。FlexRay幀由三個主要段組成：包頭段、凈荷段和包尾段。每個段都有自己的構(gòu)成，如圖24 所示。
包頭段的構(gòu)成：
指示符位－前5 個位稱為指示符位，表明傳送的幀的類型。選項包括正常幀、凈荷幀、空幀、同步幀和啟動幀。
幀號－幀號定義了應(yīng)該在哪個時隙中傳送幀。幀號在1-2047 之間，在通信周期中每條通道內(nèi)任何單獨幀號使用的次數(shù)不多于一次。
凈荷長度- 凈荷長度字段用來指明凈荷字段中有多少個數(shù)據(jù)字。
包頭CRC-使用同步幀指示符、啟動幀指示符、幀號和凈荷長度計算得出的循環(huán)冗余校驗(CRC)代碼。
循環(huán)數(shù)量- 當前通信周期的值，范圍為0-63。
凈荷段的構(gòu)成：
數(shù)據(jù)－數(shù)據(jù)字段包含最多254 字節(jié)的數(shù)據(jù)。對在靜態(tài)段中傳送的幀，凈荷段的前0-12個字節(jié)可以選擇作為網(wǎng)絡(luò)管理矢量使用。幀包頭中的凈荷前置碼指示符指明凈荷段是否包含網(wǎng)絡(luò)管理矢量。對在動態(tài)段中傳送的幀，凈荷段的前兩個字節(jié)可以選擇作為消息ID 字段使用，允許接收節(jié)點根據(jù)這個字段的內(nèi)容過濾或掌控數(shù)據(jù)。幀包頭中的凈荷前置碼指示符指明凈荷段是否包含消息ID。段中傳送的幀，凈荷段的前兩個字節(jié)可以選擇作為消息ID 字段使用，允許接收節(jié)點根據(jù)這個字段的內(nèi)容過濾或掌控數(shù)據(jù)。幀包頭中的凈荷前置碼指示符指明凈荷段是否包含消息ID。
包尾段構(gòu)成：
CRC－ 使用幀的包頭段和凈荷估計算得出的循環(huán)冗余校驗(CRC)代碼。動態(tài)幀有一個額外的成分，位于包尾CRC 后面，稱為動態(tài)尾部序列(DTS)，防止總線接收機過早地檢測通道空閑狀態(tài)。

圖25. FlexRay 總線設(shè)置菜單。

處理FlexRay
MSO/DPO4000 系列通過DPO4AUTOMAX 模塊支持FlexRay，在所有三項汽車標準上提供了串行觸發(fā)和分析功能，即CAN、LIN 和FlexRay，并在FlexRay 上提供了眼圖分析和關(guān)鍵定時測量功能。為定義FlexRay總線，我們進入總線菜單，從支持的標準列表中選擇FlexRay。FlexRay 設(shè)置菜單如圖25 所示。
然后，我們使用Define Inputs 菜單，告訴示波我們是在查看FlexRay 通道A 還是通道B、我們正在探測哪類信號(差分、半差分對或控制器和總線驅(qū)動器之間的邏輯信號)，然后設(shè)置門限和位速率。與4000系列上支持的其它串行標準不同，F(xiàn)lexRay 在查看非Tx/Rx 信號時要求設(shè)置兩個門限，因為它是一種三電平總線。這樣，示波器可以識別Data High 和Data Low 及兩個信號電壓相同的空閑狀態(tài)。
MSO/DPO4000 系列強大的FlexRay 功能集如圖26 所示，其中我們觸發(fā)了Frame ID = 4 和Cycle Count = 0組合，捕獲了大約80 個FlexRay 幀，解碼了整個采集，然后讓示波器搜索采集數(shù)據(jù)，找到和標記發(fā)生的所有同步幀。所有這一切只需使用100,000 點的記錄長度完成。MSO/DPO4000 系列在所有通道上可以實現(xiàn)最深10M 點的記錄長度，捕獲串行活動的長時間窗口。
MSO/DPO4000 系列FlexRay觸發(fā)功能包括下述類型：
幀頭－觸發(fā)幀頭序列(FSS)的后沿。
指示符位－觸發(fā)正常幀、凈荷幀、空幀、同步幀或啟動幀。
標識符－觸發(fā)特定幀號或一個幀號范圍。
循環(huán)數(shù)量－觸發(fā)特定的循環(huán)數(shù)量值或一個循環(huán)數(shù)量值范圍。
包頭字段－觸發(fā)任意包頭字段或所有包頭字段中用戶指定值的組合，包括指示符位、幀號、凈荷長度、包頭CRC 和循環(huán)數(shù)量。
數(shù)據(jù)－觸發(fā)最多16 個字節(jié)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)窗口可以偏移幀中用戶指定字節(jié)數(shù)及非常長的數(shù)據(jù)凈荷。可以作為特定值或取值范圍指定所需的數(shù)據(jù)。
標識符和數(shù)據(jù)－ 觸發(fā)幀號和數(shù)據(jù)組合。
幀尾－觸發(fā)靜態(tài)幀、動態(tài)幀或所有幀。
錯誤－ 觸發(fā)大量的不同錯誤類型，包括包頭CRC錯誤、包尾CRC 錯誤、空幀錯誤、同步幀錯誤和啟動幀錯誤。

圖26. 觸發(fā)幀號和循環(huán)數(shù)，搜索采集的數(shù)據(jù)，找到啟動幀。

圖28. 在CAN 總線采集中搜索指定的標識符的數(shù)據(jù)。

除上面介紹的觸發(fā)和解碼功能外，DPO4AUTOMAX 還提供了FlexRay眼圖分析功能，幫助診斷物理層問題。用戶只需把軟件包裝到PC 上，通過LAN 或USB 把PC 連接到示波器，點擊Acquire Data按鈕，就可以獲得信息豐富的顯示畫面，如圖27 所示。分析功能包括：
眼圖－ 使用采集中的所有信息構(gòu)建眼圖，當前選擇的幀用藍色突出顯示。與TP1或TP4模板簡便地進行對比，違規(guī)的地方用紅色突出顯示。
解碼－在模擬波形上解碼當前選擇的幀，整個采集在下面的表格中解碼。
時間間隔誤差(TIE)圖－簡便地目測幀內(nèi)的抖動。
錯誤校驗－ 錯誤用紅色突出顯示。計算包頭和包尾CRC，并與傳送的幀進行對比。
定時測量－上升時間、下降時間、TSS 時長、幀時間、平均位時間、前一個同步、下一個同步、前一個周期幀、下一個周期幀。
查找－根據(jù)分組內(nèi)容隔離感興趣的特定幀。
保存－把解碼后的采集保存到.csv 文件中，以進一步離線分析。
由于提供了這套完善的FlexRay觸發(fā)功能及前面討論的CAN 和LIN 功能，MSO/DPO4000 系列已經(jīng)成為最優(yōu)秀的汽車設(shè)計調(diào)試工具。

觸發(fā)與搜索
正如我們在本應(yīng)用指南中討論的那樣，必需擁有強大的觸發(fā)系統(tǒng)，隔離串行總線上感興趣的事件。但是，一旦已經(jīng)采集了數(shù)據(jù)(示波器被停止)，而且想分析數(shù)據(jù)，那么觸發(fā)就沒有什么用了。如果示波器具有類似觸發(fā)的資源、分析停止的波形數(shù)據(jù)不是更好嗎？MSO/DPO系列的Wave Inspector為您提供了強大的搜索功能。本文中討論的所有總線觸發(fā)功能還作為已采集數(shù)據(jù)的搜索標準使用。例如，在圖18中，示波器已經(jīng)在長采集記錄中搜索了具有特定地址和數(shù)據(jù)內(nèi)容的每條CAN 消息，并在顯示屏頂部在每條消息上標明空心的白三角形。為在發(fā)生的消息之間導航，用戶只需按前面板上的Previous和Next按鈕即可。
當然，搜索也可以用于比較傳統(tǒng)的觸發(fā)類型。搜索類型包括邊沿、脈寬、欠幅脈沖、建立時間和保持時間、邏輯和上升時間/下降時間。
總結(jié)
盡管嵌入式系統(tǒng)設(shè)計從并行總線轉(zhuǎn)向串行總線帶來了許多好處，但它也給設(shè)計工程師帶來了許多挑戰(zhàn)。通過傳統(tǒng)測試測量工具，觸發(fā)查找的事件要困難得多，這些工具僅僅查看模擬信號，幾乎不可能告訴用戶其提供了哪些信息，而且手動解碼長時間的總線活動、診斷問題是非常耗時、非常容易出錯的過程。MSO/DPO系列改變了這一切。由于其強大的觸發(fā)、解碼和搜索功能，當前的設(shè)計工程師可以以極高的效率解決嵌入式系統(tǒng)設(shè)計問題。