调试嵌入式系统设计中的低速串行总线

I2C或“I squared C”是指集成电路间总线。它最初是飞利浦公司在20世纪80年代研制的，为把控制器连接到电视机上的外设芯片提供了一种低成本方式，但之后其已经发展成为嵌入式系统设备之间通信的一项全球标准。它采用简单的两线设计，广泛用于领先芯片制造商生产的各种芯片中，如I/O、模数转换器、数模转换器、温度传感器、微控制器和微处理器，芯片制造商则包括：Analog Devices, Atmel, Infineon, Cyprus, 英特尔, Maxim, 飞利浦, Silicon Laboratories, ST Microelectronics, 德州仪器, Xicor等等。

　　工作方式

　　I2C的物理两线接口由双向串行时钟(SCL)和数据(SDA)线组成。I2C支持总线上多个主从设备，但一次只能激活一个主设备。任何I2C设备可以连接到总线上，允许任何主设备与从设备交换信息。每台设备都使用唯一的地址识别，可以作为发射机或接收机操作，具体取决于设备功能。在开始时，I2C只使用7位地址，但随着时间推移，它演变成也支持10位地址。它支持三种位速率：100 kbps (标准模式), 400 kbps (快速模式)和3.4 Mbps (高速模式)。最大设备数量取决于400 pf的最大容量，或大约支持20-30台设备。I2C标准规定了下述格式，如图4所示：

　　– Start – 表明设备控制总线，一条消息将开始传送
　　– Address –7位或10位数字，表示将要读取或写入的设备地址
　　– R/W Bit – 1位，表明是否将从设备中读取数据或向设备写入数据
　　– Ack – 1位，来自从设备，确认主设备的操作。通常每个地址和数据字节有一个确认位，但不总是有确认位
　　– Data – 从设备中读取或写入设备的字节的整数
　　– Stop – 表明消息结束，主设备已经释放总线

　　处理I2C

　　通过DPO4EMBD串行触发和分析应用模块，DPO4000系列成为处理I2C总线的嵌入式系统设计人员的强大工具。前面板有两个总线按钮(B1和B2)，允许用户把到示波器的输入定义为一条总线。I2C总线的设置菜单如图5所示。

　　通过简单地定义时钟和数据位于哪条通道上及用来确定逻辑1和0的门限，示波器可以理解通过总线传输的协议。有了这些知识，示波器可以触发任何指定的消息级信息，然后把得到的采集数据解码成有意义的、容易理解的结果。边沿触发已经过了好多天了，希望您已经采集到感兴趣的事件，然后逐条消息手动解码消息，找到问题。

　　例如，考虑一下图6中的嵌入式系统。I2C总线连接到多台设备上，包括CPU、EEPROM、风扇速度控制器、数模转换器和大量的温度传感器。

　　这部仪器被退回工程部分析故障，该产品持续过热，自动关机。要检查的第一件事是风扇控制器和风扇本身，但似乎一切正常。然后要检查温度传感器是否有问题。风扇速度控制器定期轮询两个温度传感器(位于仪器中不同的区域)，调节风扇速度，稳定内部温度。您怀疑其中一个或两个温度传感器读数不正确。为查看传感器与风扇速度控制器之间的交互。我们只需连接到I2C时钟和数据线，在DPO4000上设置总线。我们知道，两个传感器在I2C总线上的地址分别是18和19，因此我们决定设置触发事件，查找地址18上的写入操作(风扇速度控制器轮询传感器的当前温度)。触发的采集结果如图7中的屏幕图所示。

　　在这种情况下，通道1 (黄色) 连接到SCLK，通道2 (青色)连接到SDA。紫色波形是我们向示波器中输入一些简单的参数定义的I2C 总线。显示器的上方部分显示了整个采集。在这种情况下，我们已经捕获了大量的总线空闲时间，中间是我们放大的突发活动。显示屏下方的较大部分是缩放窗口。您可以看出，示波器已经解码了经过总线的每条消息的内容。DPO4000系列上的总线使用表1中的颜色/标记，表明消息中的重要部分。

　　看一下采集的波形，我们可以看到，示波器触发地址18上的写入操作(如显示屏左下方所示)。事实上，风扇速度控制器试图写入地址18两次，但在这两种情况下，在试图写入温度传感器时它没有收到确认。然后它检查地址19上的温度传感器，收回希望的信息。因此，为什么第一个温度传感器没有对风扇控制器作出响应呢？看一下电路板上的实际部件，我们发现其中一条地址线焊接不当。温度传感器不能在总线上通信，结果导致设备过热。由于DPO4000系列的 I2C触发和总线解码功能，我们只需几分钟时钟，就成功地隔离了这个潜在的难检问题。

　　在图7所示的实例中，我们触发了写入操作，但DPO4000强大的I2C触发还包括许多其它功能。

　　– Start – 在SDA变低、SCL为高时触发。
　　– Repeated Start – 在没有上一个停止条件下发生开始条件时触发。这通常是主设备发送多条消息、而没有释放总线时发生的情况。
　　– Stop – SDA为高、SCL为高时触发。
　　– Missing Ack – 从设备通常配置成在每个地址和数据字节后发送确认。在从设备没有生成确认位的情况下示波器可以触发采集。
　　– Address – 触发用户指定的地址或任何预先编程的专用地址，包括全呼、开始字节、HS模式、EEPROM或CBUS。地址可以是7位或10位地址，以二进制或十六进制输入。