Diagnostyka magistral szeregowych o niskiej przepływności w systemach wbudowanych

Transkrypt

1 Diagnostyka magistral szeregowych o niskiej przepływności w systemach wbudowanych Wstęp Systemy wbudowane można teraz znaleźć dosłownie wszędzie. Zgodnie z najprostszą definicją systemem wbudowanym nazywamy każdy system komputerowy o specjalnym przeznaczeniu, który jest częścią większego systemu lub urządzenia i służy do monitorowania oraz sterowania systemu lub maszyny nadrzędnej. Typowy system wbudowany uruchamia zazwyczaj od razu po włączeniu specjalne aplikacje i nie zatrzymuje ich dopóki nie zostanie wyłączony. W rzeczywistości każde zaprojektowane i wyprodukowane obecnie urządzenie elektroniczne jest systemem wbudowanym. Na skróconej liście systemów wbudowanych można zatem spotkać następujące pozycje: zegary alarmowe automaty mówiące telefony komórkowe systemy hamowania ABS kuchenki mikrofalowe bezwładnościowe systemy kierowania pociskami odtwarzacze DVD elektroniczne notesy cyfrowe (PDA) programowalne kontrolery logiczne (PLC) przenośne odtwarzacze muzyki być może nawet twój toster... Enabling Innovation

2 Systemy wbudowane mogą zawierać różne elementy, włącznie z mikroprocesorami, mikrokontrolerami, procesorami sygnałowymi, pamięciami RAM i EPROM, układami FPGA, przetwornikami A/C i C/A oraz układami wejściowymi i wyjściowymi. Kiedyś te elementy komunikowały się ze sobą i ze światem zewnętrznym za pomocą szerokich magistral równoległych. Obecnie w coraz większej liczbie podzespołów stosowanych w systemach wbudowanych wykorzystuje się magistrale szeregowe, zastępując nimi magistrale równoległe, a dzieje się tak z następujących powodów: oszczędność miejsca na płytce drukowanej, ponieważ trzeba rozprowadzić mniej sygnałów niższy koszt mniejsze wymagania dotyczące zasilania mniej styków na pakietach wbudowane układy zegarowe wykorzystanie sygnałów różnicowych zapewniających większą odporność na zakłócenia szeroka dostępność komponentów ze standardowymi interfejsami szeregowymi Pomimo licznych korzyści wynikających ze stosowania magistral szeregowych, taka sytuacja stwarza także duże wyzwania dla projektantów systemów wbudowanych. Wynikają one z faktu, że informacja jest przekazywana szeregowo, a nie równolegle. W niniejszej publikacji omówiono przykładowe problemy spotykane przy projektowaniu systemów wbudowanych, a także sposoby ich rozwiązywania przy wykorzystaniu funkcji nowych oscyloskopów z serii DPO4000. W architekturze równoległej każdy element magistrali ma odrębną ścieżkę sygnałową. Magistrala równoległa może mieć 16 linii adresowych, 16 linii danych, linię zegarową i linie różnych sygnałów sterujących. Adresy lub dane przesyłane przez magistralę są przekazywane jednocześnie przez wszystkie linie równoległe. Takie działanie powoduje, że przyrząd pomiarowy można łatwo wyzwalać badanym zdarzeniem, korzystając z trybów wyzwalania State (stan) lub Pattern (wzorzec), które są dostępne w większości oscyloskopów i analizatorów stanów logicznych. Praca równoległa ułatwia także natychmiastowe zrozumienie znaczenia danych wyświetlanych na ekranie oscyloskopu lub analizatora stanów logicznych. W przykładzie pokazanym na rysunku 1 użyto analizatora stanów logicznych do rejestracji sygnałów z linii zegarowej, linii adresowych, danych i sterujących mikrokontrolera. Używając wyzwalania stanem logicznym, wykryto szukany stan magistrali. Aby zbadać co się dzieje, wystarczy przejrzeć stany logiczne każdej linii adresowej, linii danych i linii sterujących. Rysunek 1. Sygnały z mikrokontrolera zarejestrowane w analizatorze stanów logicznych W magistrali szeregowej te wszystkie informacje muszą być wysłane szeregowo w tych samych kilku liniach (czasami tylko w jednej). Oznacza to, że jeden sygnał może zawierać informacje adresowe, sterujące, dane i zegar. Jako przykład na rysunku 2 pokazano sygnał szeregowy na magistrali CAN (Controller Area Network). Architektura równoległe i szeregowa Rysunek 2. Jeden komunikat zarejestrowany na magistrali CAN W komunikacie przekazywanym przez magistralę można wyróżnić początek ramki, identyfikator (adres), kod dłu- 2

3 gości danych, dane, blok CRC, koniec ramki oraz kilka innych bitów sterujących. Bardziej komplikuje sprawę fakt, że zegar jest wbudowany w dane, a w celu zapewnienia odpowiednie j liczby zboczy wymaganej do odtworzenia sygnału zegarowego przez urządzenie odbiorcze stosuje się tzw. dopełnianie bitami (bit stuffing). Nawet bardzo wprawny obserwator będzie miał trudności z szybką interpretacją zawartości komunikatu. Wyobraźmy sobie teraz, że jest to błędny komunikat, który pojawia się tylko raz na dzień i trzeba go użyć do wyzwalania. Starsze oscyloskopy i analizatory stanów logicznych po prostu nie są odpowiednio wyposażone aby zajmować się takim rodzajem sygnału. Nawet przy prostszym standardowym sygnale szeregowym, jakim jest I 2 C, taka obserwacja komunikatów przesyłanych przez magistralę jest bardziej kłopotliwa niż w przypadku protokołu równoległego. następnego komunikatu tę nudną i stwarzającą okazje do popełniania błędów procedurę. Najlepiej byłoby po prostu wyzwalać przyrząd zawartością szukanego komunikatu, jednak ani wyzwalanie stanem logicznym, ani wyzwalanie wzorcem, których używano od lat w oscyloskopach i analizatorach stanów logicznych, nie na wiele się tutaj przydadzą. Te metody wyzwalania są bowiem przeznaczone do wyszukiwania wzorca pojawiającego się w tym samym czasie w wielu kanałach. Aby działały na magistrali szeregowej, układy wyzwalania musiałyby być od kilkudziesięciu do kilkuset razy pojemniejsze (jeden stan na bit). Nawet jeśli istniałaby taka możliwość, nie byłoby łatwym zadaniem zaprogramowanie układu wyzwalania stan po stanie dla wszystkich bitów. Musi zatem istnieć jakiś lepszy sposób! Z pomocą przychodzą tu oscyloskopy z serii DPO4000. W dalszych rozdziałach opisano w jaki sposób można z nich skorzystać przy pracy z najpopularniejszymi standardami magistral szeregowych o niskiej przepływności, używanymi w układach wbudowanych. Podstawowe informacje o magistrali I 2 C Rysunek 3. Jeden komunikat zarejestrowany na magistrali I 2 C W standardzie I 2 C sygnał zegarowy i dane są przesyłane oddzielnymi liniami, zatem przynajmniej w takim przypadku można użyć zegara jako odniesienia. Nadal trzeba jednak wyszukiwać początek komunikatu (czyli gdy dane przechodzą w stan niski, a zegar jest w stanie wysokim), ręcznie sprawdzać i zapisywać wartości danych na każdym narastającym zboczu sygnału zegarowego, a następnie łączyć bity w jedną strukturę komunikatu. Dlatego takie dekodowanie pojedynczego komunikatu może trwać nawet kilka minut, a komunikatów jest przecież bardzo dużo w całym zarejestrowanym przebiegu. Nadal nie będzie też wiadomo, czy dany komunikat jest tym, którego faktycznie szukamy. Jeśli nie jest, trzeba ponownie zastosować do I 2 C lub I kwadrat C jest skrótem od Inter Integrated Circuit. Magistrala została opracowana przez firmę Philips na początku lat osiemdziesiątych dwudziestego wieku i miała początkowo służyć jako tani środek komunikacji kontrolerów układów peryferyjnych w odbiornikach telewizyjnych. Od tamtego czasu zmieniła się jednak w światowy standard komunikacji między urządzeniami w systemach wbudowanych. Ta prosta dwuprzewodowa konstrukcja znalazła zastosowanie w różnych układach scalonych takich jak układy I/O, A/C, C/A, czujniki temperatury, mikrokontrolery i mikroprocesory wielu znanych producentów, m. in. Analog Devices, Atmel, Infineon, Cyprus, Intel, Maxim, Philips, Silicon Laboratories, ST Microelectronics, Texas Instruments, Xicor i innych. Działanie magistrali I 2 C Rysunek 4. Struktura komunikatu magistrali I 2 C Fizycznie dwuprzewodowy interfejs I 2 C składa się z linii dwukierunkowego zegara szeregowego (SCL) i linii danych (SDA). I 2 C obsługuje wiele urządzeń nadrzędnych (master) i podrzędnych (slave) na magistrali, ale w danej chwili tyl- 3

4 ko jedno urządzenie nadrzędne może być aktywne. Każde urządzenie z interfejsem I 2 C może być podłączone do magistrali, dzięki czemu dowolne urządzenie nadrzędne może wymieniać informację z urządzeniem podrzędnym. Każde urządzenie jest rozpoznawane na podstawie swojego unikatowego adresu i może działać albo jako nadajnik, albo jako odbiornik. Początkowo w magistrali I 2 C stosowano tylko 7-bitowe adresy, ale z czasem sytuacja się zmieniła i obecnie można używać adresowania 10-bitowego. Obsługiwane są trzy przepływności; 100 kbit/s (tryb standardowy), 400 kbit/s (tryb szybki) oraz 3,4 Mbit/s (tryb o bardzo wysokiej szybkości). Maksymalna liczba urządzeń jest ograniczone przez maksymalną dopuszczalną pojemność wynoszącą 400 pf lub (odpowiada to liczbie około urządzeń). Standard I 2 C definiuje następujący format sygnału (patrz rys. 4): Po prostym wskazaniu, który kanał obsługuje zegar, a który dane, oraz po ustawieniu progów sygnałów używanych do określania logicznych jedynek i zer, oscyloskop będzie rozumiał protokół przesyłania danych po magistrali. Przy takiej konfiguracji oscyloskop może być wyzwalany przez dowolną informację i następnie może dekodować zgromadzone próbki sygnału, przedstawiając wyniki w zrozumiałej i łatwej do zinterpretowania postaci. Minęły już czasy, gdy stosowano tylko wyzwalanie zboczem i trzeba było liczyć na szczęśliwy przypadek, że będzie zarejestrowane żądane zdarzenie, a następnie należało ręcznie dekodować kolejne komunikaty w celu znalezienia przyczyn jakiegoś problemu. Start: wskazuje, że urządzenie przejmuje kontrolę nad magistralą i nastąpi wysyłka komunikatu Address: 7- lub 10-bitowa liczba reprezentująca adres urządzenia, które będzie odczytywało dane lub do którego dane będą zapisywane R/W: jeden bit wskazujący czy dane będą odczytywane, czy zapisywane do urządzenia Ack: jeden bit pochodzący z urządzenia podrzędnego, które potwierdza komunikat z urządzenia nadrzędnego. Zwykle każdy bajt adresowy i danych ma potwierdzenie, ale nie zawsze. Data: pewna całkowita liczba bajtów odczytanych lub zapisanych w urządzeniu. Stop: sygnalizuje koniec komunikatu i fakt zwolnienia magistrali przez urządzenie nadrzędne. Praca z magistralą I 2 C Po zainstalowaniu modułu aplikacyjnego DPO4EMBD do obsługi wyzwalania szeregowego i analiz, oscyloskopy z serii DPO4000 stają się potężnym narzędziem dla projektantów systemów wbudowanych pracujących z magistralami I 2 C. Na płycie czołowej oscyloskopu znajdują się dwa przyciski Bus (B1 i B2), za pomocą których użytkownik może zdefiniować wejścia oscyloskopu jako magistrale. Menu ustawień magistrali I 2 C jest pokazane na rysunku 5. Rysunek 5. Menu konfiguracji magistrali I 2 C Rysunek 6. Przykład magistrali I 2 C Jako przykład, rozważmy system wbudowany pokazany na rysunku 6. Magistrala I 2 C jest podłączona do wielu urządzeń, wśród których jest mikroprocesor (CPU), pamięć EEPROM, regulator prędkości obrotowej wentylatora, przetwornik cyfrowo-analogowy (DAC) i czujniki temperatury. Badane urządzenie zostało przekazane do serwisu w celu sprawdzenia przyczyn błędów, ponieważ ciągle zbyt mocno się nagrzewało, co powodowało wyłączanie. Na początku należy sprawdzić regulator prędkości wentylatorów i same wentylatory, chociaż wydaje się, że działają one poprawnie. Następnie trzeba sprawdzić poprawność działania czujników temperatury. Regulator prędkości wentylatora okresowo sprawdza dwa czujniki temperatury (umieszczone w różnych miejscach) i dopasowuje prędkość wentylatora odpowiednio do odczytanej temperatury wewnętrznej. Podejrzewamy, że dane z jednego lub obydwu czujników temperatury nie są odczytywane poprawnie. Aby obejrzeć przepływ danych między czujnikami a regulatorem prędkości wentylatora, należy po prostu podłączyć do oscyloskopu DPO4000 linię zegarową i linię danych magistrali I 2 C oraz przełączyć jego wejście w tryb magistrali. Wiemy, że dwa czujniki mają na magistrali I 2 C adresy 18 i 19, zatem jako zdarzenia wyzwalającego należy 4

5 na przykład użyć zapisu do adresu 18 (czyli odczyt bieżącej temperatury z czujnika inicjowany przez regulator prędkości wentylatora). Zgromadzony przy takim wyzwalaniu przebieg jest pokazany na rysunku 7. Kanał 1 (żółty) jest podłączony do linii SCLK, a kanał 2 (niebieski) do linii SDA. Purpurowy przebieg pokazuje sygnał z magistrali I 2 C, którą zdefiniowano w oscyloskopie za pomocą kilku prostych parametrów. Górna część ekranu pokazuje pełne zarejestrowane przebiegi. W tym przypadku obserwuje się duży przedział czasu martwego magistrali, a jedynie na środku ekranu widać paczki impulsów, które zostały powiększone. Dolna, większa część ekranu stanowi okno lupy. Widać, że oscyloskop zdekodował zawartość każdego komunikatu przesyłanego po magistrali. Różne części komunikatu na przebiegach z magistral w oscyloskopach z serii DPO4000 są oznaczone kolorami i znacznikami, które podano w tabeli 1. Na zarejestrowanych przebiegach można zauważyć, że oscyloskop naprawdę został wyzwolony przez operację zapisu do adresu 18 (dolna lewa części ekranu). W rzeczywistości, regulator prędkości wentylatora próbował dwukrotnie zapisać dane do adresu 18, lecz w obydwu przypadkach nie otrzymał potwierdzenia zapisu z czujnika temperatury. Następnie regulator sprawdził czujnik temperatury pod adresem 19 i uzyskał żądaną informację. Można zatem zadać sobie pytanie, dlaczego to nie pierwszy czujnik temperatury odpowiada na sygnał z regulatora? W tym przypadku okazało się po obejrzeniu płytki drukowanej, że jedna z linii adresowych nie jest poprawnie wlutowana. Czujnik temperatury po prostu nie mógł skomunikować się z magistralą i w wyniku tego następowało przegrzewanie urządzenia. Problem udało się rozwiązać w ciągu kilku minut dzięki wyzwalaniu oscyloskopu z serii DPO4000 sygnałami z magistrali I 2 C i możliwości dekodowania tych sygnałów. W przykładzie z rysunku 7 oscyloskop był wyzwalany przez operację zapisu, lecz oscyloskopy z serii DPO4000 mogą być także wyzwalane wieloma innymi sygnałami I 2 C. Start: wyzwalanie przy przejściu linii SDA w stan niski podczas gdy linia SCL jest w stanie wysokim. Repeated Start: wyzwalanie następuje po pojawieniu się sygnału Start bez poprzedzającego go sygnału Stop. Zazwyczaj taka sytuacja ma miejsce wtedy, gdy urządzenie nadrzędne wysyła wiele komunikatów bez zwolnienia magistrali. Stop: wyzwalanie przy przejściu linii SDA w stan wysoki podczas gdy linia SCL jest stanie wysokim. Rysunek 7. Dekodowanie adresów i danych na magistrali I 2 C Missing Ack: urządzenia podrzędne są często konfigurowane tak, aby przesyłały potwierdzenie po każ- Warunek występujący na magistrali Początki komunikatów (Start) są pokazywane za pomocą pionowych zielonych pasków. Powtarzające się sygnały początku występują wtedy, gdy wcześniej nie było sygnału końca komunikatu (Stop). Adresy są pokazywane jako żółte prostokąty z oznaczeniem [W] dla zapisu lub [R] dla odczytu. Wartości adresów mogą być wyświetlane zarówno w postaci szesnastkowej, jak i binarnej. Dane są pokazywane jako niebieskie prostokąty. Wartości danych mogą być wyświetlane zarówno w postaci szesnastkowej, jak i binarnej. Brak potwierdzenia (Missing Ack) jest pokazywany w postaci wykrzyknika umieszczonego wewnątrz czerwonego prostokąta. Sygnały końca komunikatu (Stop) są pokazana jako pionowe czerwone paski. Oznaczenie Tabela 1. Warunki wyzwalania oscyloskopu sygnałami magistrali 5

6 dym bajcie adresu i danych. Oscyloskop jest wtedy wyzwalany, gdy nie będzie takiego potwierdzenia (gdy urządzenie podrzędne nie generuje bitu Ack). Address: wyzwolenie następuje wtedy, gdy adres ma wartość określoną przez użytkownika lub jedną z wstępnie zaprogramowanych: General Call, Start Byte, HS-mode, EPROM lub CBUS. Adresy mogą być 7- albo 10-bitowe i są wprowadzane w postaci binarnej lub szesnastkowej. Data: wyzwolenie następuje po wykryciu określonej przez użytkownika wartości danych (o długości do 12 bajtów), wprowadzonych w postaci binarnej lub szesnastkowej. Address & Data: pozwala na sprawdzanie zarówno adresu, jak i wartości oraz kierunku przepływu danych (odczyt/zapis). slave output MISO) oraz wybór urządzenia podrzędnego (slave select SS). Przy komunikacji dwóch urządzeń ze sobą o jednym mówi się jako o nadrzędnym - master, a drugie nazywane jest podrzędnym - slave. Urządzenie nadrzędne steruje zegarem szeregowym. Dane są jednocześnie przesyłane i odbierane, czyli używana jest transmisja dwukierunkowa (pełny dupleks). Zamiast stosowania unikatowych adresów dla każdego urządzenia, w magistrali SPI używa się linii SS do określania, w jakim kierunku są przesyłane określone dane urządzenia (czy do niego, czy z niego). Dlatego właśnie każde urządzenie podłączone do magistrali musi mieć swój własny sygnał SS wysyłany z urządzenia nadrzędnego. Jeśli istnieją trzy urządzenia podrzędne, to są do nich doprowadzone trzy sygnały SS z urządzenia nadrzędnego, po jednym do każdego, jak to pokazano na rysunku 8. Wyżej wymienione rodzaje wyzwalania pozwalają na przechwytywanie specyficznych zdarzeń na magistrali, natomiast funkcje dekodowania umożliwiają ciągłą obserwację w rejestrowanym przebiegu zawartości każdego komunikatu przesyłanego po magistrali. Podstawowe informacje o magistrali SPI Magistrala SPI (Serial Peripheral Interface) została opracowana przez firmę Motorola pod koniec lat osiemdziesiątych dwudziestego wieku i była przeznaczona dla mikrokontrolerów z serii Z powodu jej prostoty i rozpowszechnienia, wielu innych producentów zaadoptowało ten swoisty standard. Można ją teraz spotkać w wielu elementach powszechnie stosowanych w systemach wbudowanych. Magistrala SPI jest używana przede wszystkim w bezpośrednich połączeniach mikrokontrolerów z urządzeniami peryferyjnymi. Powszechnie stosuje się ją w telefonach komórkowych, komunikatorach osobistych (PDA) i innych urządzeniach przenośnych wymieniających dane między jednostką centralną, klawiaturą, ekranem i układami pamięci. Rysunek 8. Ogólna konfiguracja magistrali SPI Działanie magistrali SPI Magistrala SPI (Serial Peripheral Interface) jest czteroprzewodową magistralą komunikacyjną typu master/slave (urządzenie nadrzędne/podrzędne). Są na niej dostępne następujące sygnały: zegar (SCLK), wyjście nadrzędne / wejście podrzędne (master output / slave input MOSI), wejście nadrzędne / wyjście podrzędne (master input / Rysunek 9. Kaskadowa konfiguracja magistrali SPI 6

7 Na rysunku 8 każde urządzenie podrzędne tylko wysyła dane do urządzenia nadrzędnego. Magistrala SPI może też wykorzystywać kaskadowo połączenia urządzeń podrzędnych w takim przypadku wykonują one operacje po kolei i dopiero po ich wykonaniu wyniki są przesyłane do urządzenia nadrzędnego (patrz rys. 9). Jako przykład posłuży system wbudowany pokazany na rysunku 11. Magistrala SPI jest podłączona do syntezatora, przetwornika cyfrowo analogowego (DAC) i kilku układów wejścia/wyjścia (I/O). Syntezator jest podłączony do generatora sterowanego napięciem (VCO), który wytwarza sygnał zegarowy 2,5 GHz dla pozostałych części systemu. Widać zatem, że nie ma standardowego sposobu podłączania magistrali SPI. W niektórych przypadkach, gdy nie jest wymagana komunikacja zwrotna z urządzeniem nadrzędnym, sygnał MISO może być całkowicie pomijany. Gdy przez magistralę SPI są przesyłane dane, 8-bitowe słowo danych jest wysyłane z wyjścia MOSI a w tym samym czasie inne słowo 8-bitowe odbierane z wejścia MISO. Można to traktować jako 16-bitowy cyrkulacyjny rejestr przesuwny. Podczas transmisji zawartość takiego 16-bitowego rejestru przesuwa się o 8 pozycji, co powoduje wymianę 8-bitowych danych między urządzeniem nadrzędnym a podrzędnym. Rejestr polaryzacji (CPOL) i fazy (CPHA) sygnału zegarowego określają, na którym zboczu zegara następuje przesuw danych. Każdy rejestr ma dwa możliwe stany, co daje łącznie cztery możliwe niepowtarzalne kombinacje. Zatem para urządzenie nadrzędne / urządzenie podrzędne musi korzystać z takich samych wartości parametrów aby móc się komunikować. Jeśli jest wiele urządzeń podrzędnych, których parametry są ustalane w różny sposób, urządzenie nadrzędne będzie musiało skonfigurować się ponownie przy każdej próbie skomunikowania się z innym urządzeniem podrzędnym. Praca z magistralą SPI Moduł aplikacyjny DPO4EMBD przeznaczony do obsługi wyzwalanie szeregowego i analiz umożliwia także obsługę magistrali SPI. Podobnie jak w innych przypadkach, za pomocą przycisków płyty czołowej B1 i B2 można skonfigurować wejścia przyrządu do obsługi magistrali SPI, wprowadzając kilka jej podstawowych parametrów (przyporządkowanie kanałów do linii SCLK, SS, MOSI i MISO, wartości progowe i polaryzacje sygnałów patrz rys. 10). Rysunek 11. Syntezator sterowany za pomocą magistrali SPI Prawdopodobnie syntezator został już zaprogramowany przez mikroprocesor, ale coś działa źle, ponieważ VCO niezmiennie generujące tylko sygnał 3 GHz. Pierwszym krokiem do rozwiązania problemu jest sprawdzenie czy między CPU a syntezatorem są właściwe sygnały i czy nie ma fizycznych problemów z połączeniem. Okazało się, że tutaj wszystko jest w porządku. Następnie zdecydowano się sprawdzić poprawność informacji przesyłanych wzdłuż magistrali SPI podczas programowania syntezatora. W tym celu należy wyzwalać oscyloskop przy przejściu sygnału Slave Select syntezatora w stan aktywny. Trzeba także włączyć urządzenie w celu wychwycenia początku poleceń programowania. Przebiegi pokazano na rysunku 12. Rysunek 10. Menu konfiguracji magistrali SPI Rysunek 12. Polecenia konfigurujące syntezator na magistrali SPI 7

8 Kanał 1 (żółty) odpowiada SCLK, kanał 2 (niebieski) to MOSI, a kanał 3 (purpura) to SS. W celu sprawdzenia poprawności programowania urządzenia, należy zapoznać się z danymi katalogowymi syntezatora. Pierwsze trzy komunikaty magistrali mają kolejno inicjować syntezator, załadować wartość współczynnika podziału częstotliwości i zatrzasnąć dane. Zgodnie ze specyfikacją, ostatnie czwórki bitów (jedna cyfra szesnastkowa) w pierwszych trzech transferach powinny odpowiednio wynosić 3, 0 i 1, my natomiast obserwujemy 0, 0 i 0. W tym momencie zdajemy sobie sprawę, że same zera na końcu komunikatów świadczą o popełnieniu najczęściej spotykanego błędu przy obsłudze magistrali SPI: zaprogramowaniu odwrotnej kolejności bitów każdego 24-bitowego słowa. Po szybkiej zmianie w oprogramowaniu uzyskujemy na oscyloskopie przebiegi pokazane na rysunku 13, a VCO zaczyna poprawnie generować sygnał 2,5 GHz. Rysunek 13. Poprawne komunikaty syntezatora W powyższym przykładzie użyto prostego wyzwalania sygnałem SS Active. W oscyloskopach z serii DPO4000 dla magistrali SPI występują następujące rodzaje wyzwalania: SS Active: wyzwalanie następuje gdy linia wyboru urządzenia podrzędnego zmienia swój stan na True dla urządzenia podrzędnego. MOSI: wyzwalanie określoną przez użytkownika zawartością do 16 bajtów danych przesyłanych z urządzenia nadrzędnego do podrzędnego. MISO: wyzwalanie określoną przez użytkownika zawartością do 16 bajtów danych przesyłanych z urządzenia podrzędnego do nadrzędnego. MOSI/MISO: wyzwalanie określoną przez użytkownika zawartością do 16 bajtów danych przesyłanych zarówno z urządzenia nadrzędnego do podrzędnego, jak i odwrotnie. Takie sposoby wyzwalania pozwalają na wyizolowanie specyficznego zdarzenia z całego ruchu na magistrali, a możliwości dekodowania pozwalają w rejestrowanym przebiegu obserwować w sposób ciągły zawartość każdego komunikatu przesyłanego przez magistralę. Podstawowe informacje o magistrali CAN Magistrala CAN (Controller Area Network) została opracowana w latach osiemdziesiątych dwudziestego wieku przez firmę Robert Bosch GmbH i pierwotnie służyła jako tani środek komunikacji między urządzeniami w zaszumionym elektrycznie środowisku. Mercedes-Benz stał się w 1992 roku pierwszym producentem, który zastosował magistralę CAN w systemach samochodowych. Obecnie prawie każdy producent samochodów używa kontrolerów i sieci CAN do sterowania takimi urządzeniami jak sterowniki silników wycieraczek, czujniki deszczu, poduszki powietrzne, zamki drzwiowe, czasowe regulatory pracy silnika, systemy ABS, sterowniki skrzyni biegów czy elektrycznie sterowane okna (to tylko niektóre przykłady). Z powodu swojej odporności na zakłócenia elektryczne, małego zużycia kabli, doskonałych właściwości serwisowych i dużej szybkości przesyłu danych, magistrale CAN szybko znalazły inne zastosowania, takie jak automatyka przemysłowa, przemysł okrętowy, medycyna, lotnictwo i inne. Działanie magistrali CAN Interfejs magistrali CAN wykorzystuje zrównoważone sygnały (różnicowe) w dwuprzewodowym kablu, którym może być skrętka ekranowana (STP), skrętka nieekranowanej (UTP) lub kabel płaski. Każdy węzeł jest wyposażony w 9-stykowy wtyk typu D. W transmisji sygnałów zastosowano kodowanie NRZ z bitami dopełniającymi, co ma na celu uzyskanie zwartości komunikatów przy minimalnej liczbie zmian stanów logicznych i wysokiej odporności na zakłócenia. Interfejs magistrali CAN posługuje się transmisją asynchroniczną, w której każdy węzeł może rozpocząć transmisję w dowolnym czasie, gdy tylko magistrala jest wolna. Komunikaty są wysyłane do wszystkich węzłów w sieci. Gdy wiele węzłów inicjuje wysyłanie komunikatu w tym samym czasie, na poziomie bitowym działa system obsługi priorytetów, który decyduje o pierwszeństwie ko- 8

9 munikatu. Rozróżnia się następujące rodzaje komunikatów definiujących ramki bitowe: Data, Remote Transmission Request (RTR), Error lub Overload. Każdy węzeł na magistrali, który wykrył błąd, wysyła ramkę błędu (Error Frame). Powoduje ona, że wszystkie węzły magistrali widzą bieżący komunikat jako niepełny i węzeł nadawczy wysyła ten komunikat ponownie. Ramki przeciążenia (Overload Frames) są wysyłane przez urządzenia odbiorcze i służą jako sygnał wskazujący, że nie są one jeszcze gotowe do odbioru danych. Ramki danych (Data Frames) są używane do przesyłania danych, zaś ramki zdalnego żądania transmisji (Remote Transmission Request Frames) sygnalizują żądanie dostarczenia danych. Ramki danych i zdalnego żądania zawierają bity sygnalizujące początek i koniec oraz następujące pola: Arbitration, Control, Data oraz ACK, (patrz rysunek 14). SOF: bit początku ramki (Start Of Frame) Arbitration: pole zawierające identyfikator (adres) oraz bit Remote Transmission Request (RTR), używane do rozróżniania między ramką danych a ramką żądania danych, zwaną także ramką zdalną. Identyfikator może mieć standardowy format (11 bitów wersja 2.0A) lub rozszerzony (29 bitów wersja 2.0B). Control: pole składające się z sześciu bitów, w tym z bitu rozszerzenia identyfikatora (IDE), który służy do rozróżniania standardowej ramki magistrali CAN 2.0A (identyfikator 11-bitowy) i ramki rozszerzonej magistrali CAN 2.0B (identyfikator 29-bitowy). Pole Control zawiera także kod długości danych (Data Length Code, DLC). DLC jest czterobitowym wskaźnikiem liczby bajtów w polu danych ramki Data albo liczbą bajtów żądanych przez ramkę Remote. Data: pole danych składające się z bajtów danych (od zera do ośmiu bajtów). CRC: 15-bitowy kod cyklicznej kontroli poprawności transmisji oraz jeden nadmiarowy bit ogranicznika. ACK: pole potwierdzenia o długości dwóch bitów. Pierwszy to bit szczeliny, przesyłany jako ustępujący, ale następnie zastępowany przez bity dominujące przesyłane z dowolnego węzła, który poprawnie odebrał przesyłany komunikat. Drugi to ustępujący bit ogranicznika. EOF: siedem ustępujących bitów sygnalizujących koniec ramki (EOF). Rysunek 14. Ramka Data/Remote magistrali CAN Pole przerwy (INT) składające się z trzech ustępujących bitów sygnalizuje, że magistrala jest wolna. Czas jałowy magistrali może mieć dowolną długość (także zerową). Zdefiniowane jest kilka szybkości transmisji danych dla magistrali CAN: największa wynosi 1 Mbit/s jest, a najmniejsza 5 kbit/s. Wszystkie moduły muszą obsługiwać co najmniej szybkość 20 kbit/s. Długość kabla zależy od używanej szybkości transmisji danych. W normalnych warunkach wszystkie urządzenia w systemie przesyłają informacje z jedną ustaloną szybkością. Maksymalna długość linii może wynosić kilka tysięcy metrów przy niskich szybkościach; typowo jest to 40 metrów przy 1 Mbit/s. Na każdym końcu kabla stosuje się obciążenia rezystorowe. Praca z magistralą CAN Moduł aplikacyjny DPO4AUTO obsługujący wyzwalanie szeregowe i analizy właściwe dla magistrali CAN. Korzystając z przycisków płyty czołowej B1 i B2 można zdefiniować magistralę CAN, wprowadzając jej podstawowe parametry, w tym rodzaj badanego sygnału oraz przypisanie go do kanału, szybkość transmisji danych, progi sygnału oraz punkt próbkowania (podany w procentach pełnego czasu trwania pojedynczego bitu). Menu magistrali CAN pokazano na rysunku 15. Rysunek 15. Menu konfiguracji magistrali CAN Wyobraźmy sobie, że trzeba zmierzyć czas zwłoki od chwili gdy kierowca naciska przycisk opuszczania okna pasażera do chwili gdy moduł CAN w drzwiach kierowcy wysyła polecenie, a także czas, po którym okno pasażera faktycznie zaczyna się przesuwać. Określając identyfikator (ID) modułu CAN w drzwiach kierowcy oraz dane związane z poleceniem opuść okno, można wyzwolić oscyloskop dokładnie tą ramką danych, która jest szukana. Jednoczesne testowanie sygnału wysyłanego przez przycisk opuszczania okna i sygnału z silnika w drzwiach pasażera, bardzo upraszcza pomiar czasów, jak to pokazano na rysunku

10 Data: wyzwalanie określonymi przez użytkownika danymi o długości od 1 do 8 bajtów. Missing Ack: wyzwalanie następuje gdy urządzenie odbiorcze nie zapewnia potwierdzenia. End of Frame: wyzwalanie polem EOF. Rysunek 16. Wyzwalanie oscyloskopu za pomocą specyficznego identyfikatora i danych z magistrali CAN oraz dekodowanie wszystkich komunikatów Takie rodzaje wyzwalania umożliwiają łatwe wyizolowanie praktycznie wszystkiego, czego można szukać w magistrali CAN. Wyzwalanie jest jednak dopiero początkiem. Wyszukiwanie uszkodzeń często wymaga sprawdzenia zawartości komunikatu zarówno przed, jak i po wystąpieniu zdarzenia. Prostą metodą podglądu zawartości wielu komunikatów w oscyloskopach z serii DPO4000 jest wyświetlenie tabeli zdarzeń szeregowych (patrz rys. 17). Białe wypełnione trójkąty na rysunku są znacznikami, które zostały umieszczone na przebiegu jako punkty odniesienia. Te znaczniki są dodawane lub usuwane z ekranu za pomocą przycisku Set/Clear na płycie czołowej oscyloskopu. Naciśnięcie przycisków Previous i Next (ze strzałkami) na płycie czołowej powoduje, że okno lupy skacze z jednego znacznika do następnego, co upraszcza nawigację między badanymi zdarzeniami w zarejestrowanym przebiegu. Wyobraźmy sobie teraz, że takie samo zadanie trzeba wykonać bez wyżej wymienionych właściwości oscyloskopu. Gdyby wyzwalanie sygnałami magistrali CAN było niemożliwe, należałoby wyzwalać oscyloskop sygnałem z samego przełącznika, wychwycić to zdarzenie (zapewne trwałoby to bardzo długo), a następnie rozpocząć ręcznie dekodowanie ramka po ramce sygnałów magistrali CAN aż do momentu znalezienia właściwej ramki. To, co zajęłoby kilkadziesiąt minut lub kilka godzin, można teraz wykonać błyskawicznie. Funkcje wyzwalania oscyloskopów z serii DPO4000 sygnałami z magistrali CAN obejmują następujące rodzaje sygnałów: Frame Type: do wyboru są ramki Data Frame, Remote Frame, Error Frame i Overload Frame. Identifier: wyzwalanie na określonych 11- lub 29- bitowych wartościach identyfikatora z kwalifikacją odczyt/zapis. Rysunek 17. Tabela zdarzeń szeregowych dla magistrali CAN Tabela zdarzeń zawiera zdekodowaną zawartość każdego komunikatu w zarejestrowanym przebiegu w czytelnym formacie ze znacznikami czasowymi. Ułatwia to nie tylko oglądanie całego ruchu na magistrali, ale także umożliwia pomiary odstępów czasowych między komunikatami. Tabele zdarzeń są także dostępne dla magistral I 2 C i SPI. Wyzwalanie i wyszukiwanie Jak już wcześniej wspomniano, do wyizolowania szukanego zdarzenia na magistrali szeregowej jest potrzebny system mający odpowiednie funkcje wyzwalania. Ponieważ po zgromadzeniu danych następuje zatrzymanie oscyloskopu, gdy trzeba analizować dane, wyzwalanie już nie działa. Czyż nie byłoby dobrze, gdyby oscyloskop dysponował funkcjami podobnymi w działaniu do wyzwalania, z których można byłoby skorzystać przy analizie danych 10

11 przebiegu? Blok sterujący Wave Inspector w oscyloskopach z serii DPO4000 daje właśnie taką możliwość. Wszystkie omówione wyżej właściwości wyzwalania dla magistrali są także dostępne jako kryteria wyszukiwania dla już pobranych danych. Na rys. 18 pokazano przykład poszukiwania w długim przebiegu komunikatów CAN o określonym adresie i zawartość danych. Znalezione miejsca zostały oznaczone za pomocą konturowych trójkątów na górze ekranu. Przeskakiwanie pomiędzy kolejnymi znacznikami ogranicza się zatem do użycia przycisków Previous i Next. Rysunek 18. Wyszukiwanie specyficznego identyfikatora i danych w zarejestrowanym sygnale z magistrali CAN Oczywiście, jest także możliwe wyszukiwanie bardziej tradycyjnych rodzajów wyzwalania. Kryteria wyszukiwania obejmują rodzaje zboczy, szerokości impulsu, impulsy niepełne, czasy ustalania i utrzymania, stany logiczne oraz czasy narastania i opadania zbocza. Wnioski Z niewątpliwymi korzyściami wynikającymi z przejścia od magistral równoległych do szeregowych w systemach wbudowanych wiąże się jednak wiele wyzwań, przed którymi stają inżynierowie. Tradycyjne przyrządy pomiarowe o wiele trudniej wyzwala się szukanym zdarzeniem, a prawie niemożliwe jest stwierdzenie na podstawie oscylogramu sygnału analogowego jakie informacje są widoczne na ekranie. Szczególnie czasochłonnym i powodującym błędy procesem jest natomiast ręczne dekodowanie długiego okresu aktywności magistrali w celach diagnostycznych. Oscyloskopy z serii DPO4000 zmieniają całkowicie ten stan. Dzięki ich wspaniałym właściwościom wyzwalania, dekodowania i wyszukiwania współczesny inżynierprojektant może nadzwyczaj wydajnie rozwiązywać zagadnienia spotykane w systemach wbudowanych. Kontakt z firmą Tektronix ASEAN / Australoazja / Pakistan (65) Austria Bałkany, Izrael, Afryka Południowa i inne Belgia Brazylia i Ameryka Południowa 55 (11) Kanada 1 (800) Europa Śr.-Wschodnia, Ukraina i kraje nadbałtyckie Europa Środkowa i Grecja Dania Finlandia Francja i Afryka Północna +33 (0) Niemcy +49 (221) Hong Kong (852) Indie (91) Włochy +39 (02) Japonia 81 (3) Luksemburg +44 (0) Meksyk, Ameryka Środkowa i Karaiby 52 (55) Bliski Wschód, Azja i Afryka Północna Holandia Norwegia Chińska Republika Ludowa 86 (10) Polska Portugalia Korea Południowa 82 (2) Rosja i kraje WNP Afryka Południowa Hiszpania (+34) Szwecja Szwajcaria Tajwan 886 (2) Wielka Brytania i Irlandia +44 (0) USA 1 (800) Pozostałe regiony: kontakt z firmą Tektronix, Inc. tel. 1 (503) Zaktualizowano 15 czerwca 2005 Zaktualizowana informacja o produktach jest dostępna pod adresem: Copyright 2005, Tektronix, Inc. Wszelkie prawa zastrzeżone. Produkty firmy Tektronix są opatentowane lub zgłoszone do opatentowania w USA i innych krajach. Informacje podane w niniejszej publikacji zastępują dane opublikowane wcześniej. Firma zastrzega sobie prawo do zmiany specyfikacji i cen. TEKTRONIX i TEK są zastrzeżonymi znakami towarowymi Tektronix, Inc. Pozostałe nazwy użyte w publikacji są nazwami handlowymi lub zastrzeżonymi należącymi do odpowiednich firm. Enabling Innovation Tespol Sp. z o.o. ul. Klecińska 125 tel Wrocław fax

12 12