1關(guān)于SPI總線

串行外設(shè)接口（SPI,Serial Peripheral Interface）總線最早由Motorola開發(fā)，用于其微控制器產(chǎn)品。由于其結(jié)構(gòu)簡單、實現(xiàn)直接，隨后被其它廠商廣泛采用，目前已在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的各類器件中得到普及。

SPI總線通常用于微控制器或CPU與外設(shè)之間的芯片級通信，例如顯示模塊、ADC和DAC、EEPROM、SD卡及其它存儲器件。

SPI總線是一種主從式、四線制串行通信總線，包含以下四條信號線：MOSI（主輸出/從輸入）、MISO（主輸入/從輸出）、SCLK或SCK（串行時鐘）、SS（從設(shè)備選擇）或CS（片選）。

圖1 SPI總線架構(gòu)

在SPI通信系統(tǒng)中，各設(shè)備以主從關(guān)系運行。主設(shè)備通過生成共享的串行時鐘信號來發(fā)起并控制所有數(shù)據(jù)傳輸。

SPI是一種全雙工通信協(xié)議，這意味著在每一個時鐘周期內(nèi)，主設(shè)備和從設(shè)備都可以同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。為了與多個從設(shè)備進行通信，主設(shè)備通常為每個從設(shè)備提供一根獨立的片選（CS）信號線。

為了保證SPI總線的正常工作，主設(shè)備在任意時刻只能與一個從設(shè)備通信。這一機制通過CS信號來實現(xiàn)。任何未被選中的從設(shè)備都必須忽略來自主設(shè)備的SCK和MOSI信號，同時不得驅(qū)動MISO信號線，其輸出應保持高阻態(tài)，以避免總線沖突。

SPI通信通常包括以下幾個步驟：

?初始化：主設(shè)備首先將SCK時鐘頻率配置為目標從設(shè)備所支持的范圍內(nèi)（通常為幾MHz到幾十MHz）。

?從設(shè)備選擇：主設(shè)備將對應從設(shè)備的CS信號拉低（通常為邏輯低電平，即0 V），以選中該從設(shè)備。

?數(shù)據(jù)交換：在每一個時鐘周期內(nèi)都會發(fā)生一次全雙工數(shù)據(jù)傳輸。主設(shè)備通過MOSI信號線輸出一位數(shù)據(jù)，從設(shè)備進行采樣；同時，從設(shè)備通過MISO信號線輸出一位數(shù)據(jù)，主設(shè)備進行采樣。

?通信結(jié)束：數(shù)據(jù)交換完成后，主設(shè)備停止輸出時鐘信號，并將CS信號拉高，取消對從設(shè)備的選中。

圖2 SPI總線中的數(shù)據(jù)傳輸機制

SPI的數(shù)據(jù)傳輸依賴于主設(shè)備和從設(shè)備內(nèi)部位寬相同的移位寄存器（例如8位）。這些寄存器通過MOSI和MISO信號線相互連接，形成一個環(huán)形緩沖結(jié)構(gòu)。其工作原理如下：

?在每一個時鐘沿，主設(shè)備和從設(shè)備都會將寄存器中的一位數(shù)據(jù)（通常是最高有效位MSB）移出到各自的輸出線上。同時，它們也會從對方的輸出線上采樣一位數(shù)據(jù)，并移入自身寄存器的最低有效位（LSB）。

?當時鐘脈沖數(shù)量達到寄存器位寬時，主設(shè)備和從設(shè)備寄存器中的原始數(shù)據(jù)就完成了一次完整交換。

?如果需要繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，只需重新加載移位寄存器，并重復該過程即可。

圖3 SPI在時鐘上升沿采樣的時序圖

2 Pico串行總線解碼與協(xié)議分析解決方案簡介

PicoScope示波器標配有超過40種串行通信協(xié)議解碼功能。隨著PicoScope軟件的持續(xù)免費升級，未來還將支持更多協(xié)議解碼功能。

目前支持的協(xié)議包括：

1-Wire、ARINC 429、BroadRReach、CAN、CAN FD、CAN J1939、CAN XL、DALI、DCC、DMX512、Ethernet 10BASE-T、擴展UART、Fast Ethernet 100BASE-TX、FlexRay、I2C、I2S、I3C BASIC v1.0、LIN、Manchester、MIL-STD-1553、MODBUS ASCII、MODBUS RTU、NMEA-0183、并行總線、PMBus、PS/2、PSI5（傳感器）、Quadrature、RS232/UART、SBS Data、SENT Fast、SENT Slow、SENT SPC、SMBus、SPI-MISO/MOSI、SPI-SDIO、USB（1.0/1.1）以及風速傳感器協(xié)議等。

圖4 PicoScope支持的串行協(xié)議解碼器

解碼后的數(shù)據(jù)通過兩種互補的方式進行顯示，便于高效分析。

圖形顯示方式：解碼數(shù)據(jù)以十六進制、二進制、十進制或ASCII格式顯示在波形下方，并與原始波形共用同一時間軸。錯誤幀會自動以紅色高亮顯示，便于快速識別。用戶可以對任意數(shù)據(jù)幀進行放大，以進一步分析信號完整性或噪聲問題。

圖5 PicoScope中的圖形解碼顯示方式

表格顯示方式：表格視圖提供所有解碼數(shù)據(jù)幀的完整列表，包括數(shù)據(jù)內(nèi)容、標識符和標志位。用戶可以對數(shù)據(jù)進行篩選，僅顯示感興趣的幀，也可以通過搜索功能查找具有特定屬性的數(shù)據(jù)幀。統(tǒng)計功能還可顯示更詳細的物理層信息，例如幀時間和電壓電平。

圖6 PicoScope中的表格解碼顯示方式

這兩種視圖是相互聯(lián)動的：在表格中點擊任意一幀，示波器界面會自動縮放并定位到對應的波形位置。

為了進一步提升分析效率，“Link File（鏈接文件）”功能允許用戶將數(shù)據(jù)字段與自定義的、易于理解的文本字符串進行關(guān)聯(lián)。此外，PicoScope還支持將所有解碼數(shù)據(jù)導出為電子表格，用于后續(xù)分析。

圖7顯示解碼數(shù)據(jù)的可讀文本

3使用PicoScope捕獲SPI信號的測試設(shè)置

使用PicoScope對SPI總線通信進行有效解碼，首要前提是精確的捕獲到原始數(shù)據(jù)，這要求示波器具有足夠的帶寬和采樣率。

SPI信號的工作頻率范圍較廣。基于實踐經(jīng)驗建議：

?示波器帶寬為SPI時鐘頻率的3~5倍。

?采樣率確保在單個數(shù)據(jù)位的上升沿或下降沿至少采集5個采樣點，從而實現(xiàn)準確的數(shù)字信號重構(gòu)。

為了進行全面分析，理想情況下應采集以下信號：

?SCK（串行時鐘）：用于同步，是必需信號

?MOSI（主輸出/從輸入）：主設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)

?MISO（主輸入/從輸出）：從設(shè)備返回的數(shù)據(jù)

所需的示波器通道數(shù)量取決于具體的分析需求：

?使用兩通道示波器時：必須將其中一個通道用于采集SCK，因此一次只能解碼一條數(shù)據(jù)線（MOSI或MISO）。

?使用四通道或更多通道時：可同時采集SCK、MOSI、MISO以及CS信號，從而對指定從設(shè)備的通信進行完整分析。

下圖8展示了使用PicoScope進行SPI測試的測試設(shè)置：

?一臺PicoScope 3418E示波器（500MHz，5GS/s，2GS）通過USB Type C連接至PC，用于控制和數(shù)據(jù)采集。

?四個無源探頭連接至被測設(shè)備，用于采集SCK、MOSI、MISO和CS信號。

?PC上運行PicoScope 7軟件，用于控制示波器、顯示波形并執(zhí)行SPI協(xié)議解碼。

圖8使用PicoScope 3418E捕獲SPI信號的測試設(shè)置

4使用PicoScope解碼SPI信號

按照以下步驟在PicoScope 7中完成SPI數(shù)據(jù)的采集與解碼。

步驟1：在PicoScope 7的通道菜單中為各通道命名，便于后續(xù)操作和識別。

步驟2：打開“Views”，添加四個示波視圖窗口，每個窗口顯示一條波形，并為每個窗口命名為所顯示的SPI信號。

步驟3：根據(jù)實際信號情況設(shè)置合適的垂直量程、時基和采樣率。

步驟4：設(shè)置觸發(fā)條件以穩(wěn)定顯示SPI數(shù)據(jù)，推薦使用針對SCK信號的脈沖觸發(fā)。

完成以上步驟后，即可獲得如圖9所示的SPI波形。

圖9 PicoScope 7中的SPI波形顯示

步驟5：點擊“Serial decoding”，選擇“SPI – MISO/MOSI”.

圖10在PicoScope 7中選擇SPI解碼器

步驟6：將各通道分配到解碼器中對應的解碼信號。若之前已正確命名通道，該過程會更加直觀。閾值和遲滯參數(shù)會被自動識別，但仍可根據(jù)需要手動調(diào)整。其它SPI參數(shù)按照圖11進行配置。

圖11在PicoScope 7中配置SPI解碼器

步驟7：點擊“Next”，為解碼器命名，并選擇解碼數(shù)據(jù)顯示格式。同時還可以限制解碼的時間范圍，以便僅采集和分析關(guān)注的數(shù)據(jù)。

圖12在PicoScope 7中選擇SPI解碼顯示格式

步驟8：點擊“Finish”后，解碼結(jié)果表格將顯示在屏幕上。該表格既可以與示波器視圖聯(lián)動縮放，也可以像其它圖表一樣單獨顯示。

圖13 PicoScope 7中的SPI解碼結(jié)果

更多功能和設(shè)置：

?解碼數(shù)據(jù)上方的工具欄提供了多種實用功能，可通過“Export”或“Data to Text”導出數(shù)據(jù)。

?使用“Fields”可以選擇需要顯示的數(shù)據(jù)字段，并重新配置解碼內(nèi)容。

?搜索功能在深存儲應用中尤為重要。由于PicoScope支持捕獲大量數(shù)據(jù)包，借助搜索功能可以僅顯示所需數(shù)據(jù)，從而大幅節(jié)省分析時間。

?將鼠標懸停在任意數(shù)據(jù)包上，即可查看該數(shù)據(jù)包的詳細內(nèi)容。

圖14 PicoScope 7中SPI解碼器的更多功能

關(guān)于Pico Technology

Pico Technology是高性能電子測試儀器的全球領(lǐng)先制造商。源于英國劍橋強大電子工程傳統(tǒng)，自創(chuàng)立以來，通過創(chuàng)建和領(lǐng)導創(chuàng)新的基于PC的測試儀器，比克實現(xiàn)了連續(xù)33年的增長。其獨特的解決方案和完整的產(chǎn)品線為電子工程師提供了高性能且經(jīng)濟高效的工具，涵蓋了從物理層到協(xié)議層的整個設(shè)計驗證周期：

具有內(nèi)置AWG，F(xiàn)G，邏輯分析儀，頻譜分析儀，串行協(xié)議分析儀的實時示波器，提供高達16位ADC分辨率，4G超深存儲器，8個高分辨率通道和真正的差分探測。緊湊的30GHz采樣示波器使工程師能夠輕松實現(xiàn)TDR特征阻抗測試，眼圖和時鐘恢復等。PicoVNA（矢量網(wǎng)絡分析儀），RFSynthesizer（射頻信號合成器）和PicoConnect高帶寬探頭可擴展到RF應用。此外，還有最暢銷的PicoLogger系列數(shù)據(jù)記錄儀產(chǎn)品。

SDK允許用戶與實現(xiàn)測試自動化的其他儀器一起開發(fā)自定義應用程序。終身免費軟件和5年保修可保護客戶的投資。

比克科技是未來。