数字示波器可解决嵌入式I2C总线调试
2011-11-07
I2C总线是上世纪80年代PHLIPS公司推出的一种两线式串行总线，最初为音频、视频设备所开发，如今则多在各种嵌入式系统中用于连接微控制器及其外围设备。
在嵌入式系统开发中应用I2C总线可有效缩减元器件面积、改善抗干扰能力及增强设计的兼容性。当然，在享受其设计便利性的同时，信号的复杂性也将提高系统调试的难度。I2C总线仅需采用两根通信线(一根为串行数据线“SDA”，一根为串行时钟线“SCL”)，而传输速率在高速模式下可达3.4Mbit/s，并且是多主总线。每一个挂接在I2C总线上的I2C器件均可通过唯一的地址进行访问。
本文阐述了在实际开发中所遇到的I2C通信问题及使用示波器分析问题和解决问题的方法。
项目设计中计划采用Cypress 68013A芯片来实现USB器件功能。68013A是Cypress公司出产的一款高速USB器件，该芯片的参考设计是通过I2C总线读取存储在EEPROM中的固件程序来运行的，如图1所示。
图1：Cypress 68013A与EEPROM连接示意图。
分析过程中采用了RIGOL公司最新推出的DS6104示波器，其具体特性包括：高达1GHz带宽，足以满足常用标准总线的带宽需求；5GSa/s实时采样率，确保不会遗漏信号细节；每秒18万次的波形捕获率，最大概率捕获感兴趣的信号；标配140M深存储，同时满足总览全局和观察局部的需求；可录制多达18万帧的波形，奇异信号随意回放和分析；提供多种串行触发，RS232、I2C、SPI、CAN、USB等。
设计中，为进一步减少器件面积、降低功耗，以及便于在后续进行在线升级固件，决定使用DSP来模拟实现EEPROM与68013A之间的通信。同时，通过I2C总线在线下载固件至68013A并运行来完成，如图2所示。
参考68013A数据手册编程后，却发现在通过DSP模拟EEPROM与68013A通信时无法正确下载固件程序，即DSP怎样通过I2C总线下载固件至68013A？
图2：Cypress 68013A与DSP连接示意图。
解决方法
首先，需要确认通信环境无问题，即：总线连接无问题；DSP的I2C通信程序无问题；Cypress 68013A的I2C通信无问题。
经依次验证后发现以上各项均无问题，那么，只可能是在通信过程中发生了错误。但是，在参考手册中却没有找到关于68013A与EEPROM通信的详细描述。为获取两者间在初始通信阶段的详细数据，使用RIGOL公司的DS6104示波器来捕获初始阶段的通信数据。
DS6104示波器具有I2C触发及I2C解码套件，为捕获数据需设置如下：设置DS6104示波器触发方式为“I2C”、触发条件为“启动”；设置触发时钟信源、数据信源及合适的触发电平；打开I2C解码并设置解码阈值；设置示波器为单次触发。设置完毕后，通过监测I2C与EEPROM通信即可捕获全部的通信数据头，图3所示为所得解码数据。
图3：Cypress 68013A与EEPROM I2C初始通信数据。
通过与读入DSP内存的固件数据(图4)对比可知，图中的“0xC2 0x47 ...”及后续数据才是真正的固件数据。因此，导致DSP模拟EEPROM通信失败的原因是从起始数据至固件数据间的I2C通信(后文将称其为握手通信)。使用DS6104的水平时基微调功能将图中波形展开之后，便可更清楚地看到握手通信过程(图5)，其描述如下：读地址“0x50”，无数据返回；读地址“0x51”，返回“0xAD”；写地址“0x51”，写两个字节“0x00”。
图4：读入DSP内存的68013A固件程序数据(部分)。
至此，问题得以简化为：怎样在DSP中模拟这部分的握手通信？通过示波器获取可视化握手通信数据以后，则模拟其通信过程仅需以下三步：设置DSP的I2C总线地址为“0x51”，与地址“0x50”不匹配则无返回；在DSP的I2C通信程序中，下载固件时先发送“0xAD”，满足“0x51”地址上读到的第一个数据为“0xAD”；DSP通过I2C下载固件时，可以接收“0x00”但不进行处理，保证握手通信的完整性。
如上所述，在DSP的I2C通信程序中包含此部分握手通信处理后，使用DSP模拟EEPROM与Cypress 68013A便可进行正常通信，并可成功地下载68013A固件。
图5：Cypress 68013A与EEPROM I2C通信数据头展开。
Cypress 68013A支持直接在固件中修改配置字(如图6所示，地址7)，从而可在固件下载完毕后配置启动类型。
图6：Cypress 68013A 'C2 Load'格式。
z6尊龙凯时按照图7所示的Cypress文档提供的寄存器配置格式，配置固件为启动时断开USB连接，并将I2C时钟设置为400KHz(将地址7数据修改为“0x41”)。
图7：Cypress 68013A固件配置字格式。
同样，在下载固件时可以通过使用DS6104来监测I2C的通信数据，并且可以明显看到时钟频率的变化，如图8所示。
图8：固件配置字为“0x41”时的I2C通信数据频率变化。
至此，z6尊龙凯时通过采用RIGOL推出的DS6104数字示波器，以可视化的方式实现了DSP模拟EEPROM与Cypress 68013A通信和下载固件的功能。同时，在固件下载过程中，z6尊龙凯时观测到在固件中配置的I2C通信频率可即时生效。
在实际项目中，z6尊龙凯时还使用I2C作为DSP与68013A间的常规通信通路。显然，在后续调试中，DS6104数字示波器提供的串行总线触发及解码也将成为z6尊龙凯时优先选择的调试手段。
I2C总线在嵌入式系统中得到了广泛应用，在实际开发中不免碰到缺少文档资料的情况，此时，如本文所述采用示波器调试则不失为一种快捷、有效的方法。
嵌入式系统中应用了越来越多的总线，其开发和调试难度也在相应提高。RIGOL推出的DS6000系列示波器以其领先的指标、创新的技术及提供的多种总线触发及解码套件，可有效降低嵌入式总线调试难度，并极大提高调试效率。
