本文闡述了在實(shí)際開發(fā)中所遇到的I2C通信問題及使用示波器分析問題和解決問題的方法。
分析過程中采用了RIGOL公司最新推出的DS6104示波器，其具體特性包括：高達(dá)1GHz帶寬，足以滿足常用標(biāo)準(zhǔn)總線的帶寬需求;5GSa/s實(shí)時采樣率，確保不會遺漏信號細(xì)節(jié);每秒18萬次的波形捕獲率，最大概率捕獲感興趣的信號;標(biāo)配140M深存儲，同時滿足總覽全局和觀察局部的需求;可錄制多達(dá)18萬幀的波形，奇異信號隨意回放和分析;提供多種串行觸發(fā)，RS232、I2C、SPI、CAN、USB等。
問題探討
項(xiàng)目設(shè)計(jì)中計(jì)劃采用Cypress 68013A芯片來實(shí)現(xiàn)USB器件功能。68013A是Cypress公司出產(chǎn)的一款高速USB器件，該芯片的參考設(shè)計(jì)是通過I2C總線讀取存儲在EEPROM中的固件程序來運(yùn)行的，如圖1所示。
圖1：Cypress 68013A與EEPROM連接示意圖。
設(shè)計(jì)中，為進(jìn)一步減少器件面積、降低功耗，以及便于在后續(xù)進(jìn)行在線升級固件，決定使用DSP來模擬實(shí)現(xiàn)EEPROM與68013A之間的通信。同時，通過I2C總線在線下載固件至68013A并運(yùn)行來完成，如圖2所示。
參考68013A數(shù)據(jù)手冊編程后，卻發(fā)現(xiàn)在通過DSP模擬EEPROM與68013A通信時無法正確下載固件程序，即DSP怎樣通過I2C總線下載固件至68013A?
圖2：Cypress 68013A與DSP連接示意圖。
解決方法
首先，需要確認(rèn)通信環(huán)境無問題，即：總線連接無問題;DSP的I2C通信程序無問題;Cypress 68013A的I2C通信無問題。
經(jīng)依次驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)以上各項(xiàng)均無問題，那么，只可能是在通信過程中發(fā)生了錯誤。但是，在參考手冊中卻沒有找到關(guān)于68013A與EEPROM通信的詳細(xì)描述。為獲取兩者間在初始通信階段的詳細(xì)數(shù)據(jù)，使用RIGOL公司的DS6104示波器來捕獲初始階段的通信數(shù)據(jù)。
DS6104示波器具有I2C觸發(fā)及I2C解碼套件，為捕獲數(shù)據(jù)需設(shè)置如下：設(shè)置DS6104示波器觸發(fā)方式為“I2C”、觸發(fā)條件為“啟動”;設(shè)置觸發(fā)時鐘信源、數(shù)據(jù)信源及合適的觸發(fā)電平;打開I2C解碼并設(shè)置解碼閾值;設(shè)置示波器為單次觸發(fā)。設(shè)置完畢后，通過監(jiān)測I2C與EEPROM通信即可捕獲全部的通信數(shù)據(jù)頭，圖3所示為所得解碼數(shù)據(jù)。
圖3：Cypress 68013A與EEPROM I2C初始通信數(shù)據(jù)。
通過與讀入DSP內(nèi)存的固件數(shù)據(jù)(圖4)對比可知，圖中的“0xC2 0x47 ...”及后續(xù)數(shù)據(jù)才是真正的固件數(shù)據(jù)。因此，導(dǎo)致DSP模擬EEPROM通信失敗的原因是從起始數(shù)據(jù)至固件數(shù)據(jù)間的I2C通信(后文將稱其為握手通信)。使用DS6104的水平時基微調(diào)功能將圖中波形展開之后，便可更清楚地看到握手通信過程(圖5)，其描述如下：讀地址“0x50”，無數(shù)據(jù)返回;讀地址“0x51”，返回“0xAD”;寫地址“0x51”，寫兩個字節(jié)“0x00”。
圖4：讀入DSP內(nèi)存的68013A固件程序數(shù)據(jù)(部分)。
至此，問題得以簡化為：怎樣在DSP中模擬這部分的握手通信?通過示波器獲取可視化握手通信數(shù)據(jù)以后，則模擬其通信過程僅需以下三步：設(shè)置DSP的I2C總線地址為“0x51”，與地址“0x50”不匹配則無返回;在DSP的I2C通信程序中，下載固件時先發(fā)送“0xAD”，滿足“0x51”地址上讀到的第一個數(shù)據(jù)為“0xAD”;DSP通過I2C下載固件時，可以接收“0x00”但不進(jìn)行處理，保證握手通信的完整性。
如上所述，在DSP的I2C通信程序中包含此部分握手通信處理后，使用DSP模擬EEPROM與Cypress 68013A便可進(jìn)行正常通信，并可成功地下載68013A固件。
圖5：Cypress 68013A與EEPROM I2C通信數(shù)據(jù)頭展開。
Cypress 68013A支持直接在固件中修改配置字(如圖6所示，地址7)，從而可在固件下載完畢后配置啟動類型。
圖6：Cypress 68013A ＇C2 Load’格式。
我們按照圖7所示的Cypress文檔提供的寄存器配置格式，配置固件為啟動時斷開USB連接，并將I2C時鐘設(shè)置為400KHz(將地址7數(shù)據(jù)修改為“0x41”)。
圖7：Cypress 68013A固件配置字格式。
同樣，在下載固件時可以通過使用DS6104來監(jiān)測I2C的通信數(shù)據(jù)，并且可以明顯看到時鐘頻率的變化，如圖8所示。
圖8：固件配置字為“0x41”時的I2C通信數(shù)據(jù)頻率變化。
至此，我們通過采用RIGOL推出的DS6104數(shù)字示波器，以可視化的方式實(shí)現(xiàn)了DSP模擬EEPROM與Cypress 68013A通信和下載固件的功能。同時，在固件下載過程中，我們觀測到在固件中配置的I2C通信頻率可即時生效。
在實(shí)際項(xiàng)目中，我們還使用I2C作為DSP與68013A間的常規(guī)通信通路。顯然，在后續(xù)調(diào)試中，DS6104數(shù)字示波器提供的串行總線觸發(fā)及解碼也將成為我們優(yōu)先選擇的調(diào)試手段。
本文小結(jié)
I2C總線在嵌入式系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，在實(shí)際開發(fā)中不免碰到缺少文檔資料的情況，此時，如本文所述采用示波器調(diào)試則不失為一種快捷、有效的方法。
嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用了越來越多的總線，其開發(fā)和調(diào)試難度也在相應(yīng)提高。RIGOL推出的DS6000系列示波器以其領(lǐng)先的指標(biāo)、創(chuàng)新的技術(shù)及提供的多種總線觸發(fā)及解碼套件，可有效降低嵌入式總線調(diào)試難度，并極大提高調(diào)試效率。