I2C總線是PHLIPS公司上世紀(jì)80年代推出的一種兩線式串行總線，最初為音頻,、視頻設(shè)備所開發(fā),，如今則多在各種嵌入式系統(tǒng)中用于連接微控制器及其外圍設(shè)備,。
I2C總線僅需采用兩根通信線（一根為串行數(shù)據(jù)線“SDA”,，一根為串行時(shí)鐘線“SCL”）,，而傳輸速率在高速模式下可達(dá)3.4Mbit/s,，并且是多主總線,。每一個(gè)掛接在I2C總線上的I2C器件均可通過(guò)唯一的地址進(jìn)行訪問(wèn),。
在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中應(yīng)用I2C總線可有效縮減元器件面積,、改善抗干擾能力及增強(qiáng)設(shè)計(jì)的兼容性。當(dāng)然,，在享受其設(shè)計(jì)便利性的同時(shí),，信號(hào)的復(fù)雜性也將提高系統(tǒng)調(diào)試的難度。
本文闡述了在實(shí)際開發(fā)中所遇到的I2C通信問(wèn)題及使用示波器分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的方法,。
分析過(guò)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(shí)采樣率,，確保不會(huì)遺漏信號(hào)細(xì)節(jié)；每秒18萬(wàn)次的波形捕獲率,，最大概率捕獲感興趣的信號(hào),；標(biāo)配140M深存儲(chǔ)，同時(shí)滿足總覽全局和觀察局部的需求,；可錄制多達(dá)18萬(wàn)幀的波形,，奇異信號(hào)隨意回放和分析；提供多種串行觸發(fā),，RS232,、I2C、SPI,、CAN,、USB等。
問(wèn)題探討
項(xiàng)目設(shè)計(jì)中計(jì)劃采用Cypress 68013A芯片來(lái)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(guò)I2C總線讀取存儲(chǔ)在EEPROM中的固件程序來(lái)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(jí)固件,，決定使用DSP來(lái)模擬實(shí)現(xiàn)EEPROM與68013A之間的通信。同時(shí),，通過(guò)I2C總線在線下載固件至68013A并運(yùn)行來(lái)完成,，如圖2所示。
參考68013A數(shù)據(jù)手冊(cè)編程后,，卻發(fā)現(xiàn)在通過(guò)DSP模擬EEPROM與68013A通信時(shí)無(wú)法正確下載固件程序,，即DSP怎樣通過(guò)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(wú)問(wèn)題，即：總線連接無(wú)問(wèn)題,；DSP的I2C通信程序無(wú)問(wèn)題,；Cypress 68013A的I2C通信無(wú)問(wèn)題。
經(jīng)依次驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)以上各項(xiàng)均無(wú)問(wèn)題,，那么,，只可能是在通信過(guò)程中發(fā)生了錯(cuò)誤。但是,，在參考手冊(cè)中卻沒(méi)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(lái)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(dòng)”,；設(shè)置觸發(fā)時(shí)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(guò)監(jiān)測(cè)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(guò)與讀入DSP內(nèi)存的固件數(shù)據(jù)（圖4）對(duì)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(shí)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(guò)程（圖5），其描述如下：讀地址“0x50”,，無(wú)數(shù)據(jù)返回,；讀地址“0x51”，返回“0xAD”,；寫地址“0x51”,，寫兩個(gè)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(wèn)題得以簡(jiǎn)化為：怎樣在DSP中模擬這部分的握手通信？通過(guò)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(guò)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(wú)返回；在DSP的I2C通信程序中,，下載固件時(shí)先發(fā)送“0xAD”,，滿足“0x51”地址上讀到的第一個(gè)數(shù)據(jù)為“0xAD”,；DSP通過(guò)I2C下載固件時(shí),，可以接收“0x00”但不進(jìn)行處理，保證握手通信的完整性,。
I2C總線是PHLIPS公司上世紀(jì)80年代推出的一種兩線式串行總線,，最初為音頻、視頻設(shè)備所開發(fā),，如今則多在各種嵌入式系統(tǒng)中用于連接微控制器及其外圍設(shè)備,。
I2C總線僅需采用兩根通信線（一根為串行數(shù)據(jù)線“SDA”，一根為串行時(shí)鐘線“SCL”）,，而傳輸速率在高速模式下可達(dá)3.4Mbit/s,，并且是多主總線。每一個(gè)掛接在I2C總線上的I2C器件均可通過(guò)唯一的地址進(jìn)行訪問(wèn),。
在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中應(yīng)用I2C總線可有效縮減元器件面積,、改善抗干擾能力及增強(qiáng)設(shè)計(jì)的兼容性。當(dāng)然,，在享受其設(shè)計(jì)便利性的同時(shí),，信號(hào)的復(fù)雜性也將提高系統(tǒng)調(diào)試的難度。
本文闡述了在實(shí)際開發(fā)中所遇到的I2C通信問(wèn)題及使用示波器分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的方法。
分析過(guò)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(shí)采樣率,，確保不會(huì)遺漏信號(hào)細(xì)節(jié),；每秒18萬(wàn)次的波形捕獲率，最大概率捕獲感興趣的信號(hào),；標(biāo)配140M深存儲(chǔ),，同時(shí)滿足總覽全局和觀察局部的需求；可錄制多達(dá)18萬(wàn)幀的波形,，奇異信號(hào)隨意回放和分析,；提供多種串行觸發(fā)，RS232,、I2C,、SPI、CAN,、USB等,。
問(wèn)題探討
項(xiàng)目設(shè)計(jì)中計(jì)劃采用Cypress 68013A芯片來(lái)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(guò)I2C總線讀取存儲(chǔ)在EEPROM中的固件程序來(lái)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(jí)固件,，決定使用DSP來(lái)模擬實(shí)現(xiàn)EEPROM與68013A之間的通信。同時(shí),，通過(guò)I2C總線在線下載固件至68013A并運(yùn)行來(lái)完成,，如圖2所示。
參考68013A數(shù)據(jù)手冊(cè)編程后,，卻發(fā)現(xiàn)在通過(guò)DSP模擬EEPROM與68013A通信時(shí)無(wú)法正確下載固件程序,，即DSP怎樣通過(guò)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(wú)問(wèn)題，即：總線連接無(wú)問(wèn)題,；DSP的I2C通信程序無(wú)問(wèn)題,；Cypress 68013A的I2C通信無(wú)問(wèn)題,。
經(jīng)依次驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)以上各項(xiàng)均無(wú)問(wèn)題，那么,，只可能是在通信過(guò)程中發(fā)生了錯(cuò)誤,。但是，在參考手冊(cè)中卻沒(méi)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(lái)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(dòng)”；設(shè)置觸發(fā)時(shí)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(guò)監(jiān)測(cè)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(guò)與讀入DSP內(nèi)存的固件數(shù)據(jù)（圖4）對(duì)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(shí)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(guò)程（圖5），其描述如下：讀地址“0x50”,，無(wú)數(shù)據(jù)返回,；讀地址“0x51”,，返回“0xAD”,；寫地址“0x51”，寫兩個(gè)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(wèn)題得以簡(jiǎn)化為：怎樣在DSP中模擬這部分的握手通信,？通過(guò)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(guò)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(wú)返回,；在DSP的I2C通信程序中,，下載固件時(shí)先發(fā)送“0xAD”,，滿足“0x51”地址上讀到的第一個(gè)數(shù)據(jù)為“0xAD”；DSP通過(guò)I2C下載固件時(shí),，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(dòng)類型,。
圖6：Cypress 68013A ‘C2 Load’格式。
我們按照?qǐng)D7所示的Cypress文檔提供的寄存器配置格式,，配置固件為啟動(dòng)時(shí)斷開USB連接,，并將I2C時(shí)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(shí)可以通過(guò)使用DS6104來(lái)監(jiān)測(cè)I2C的通信數(shù)據(jù)，并且可以明顯看到時(shí)鐘頻率的變化,，如圖8所示,。
圖8：固件配置字為“0x41”時(shí)的I2C通信數(shù)據(jù)頻率變化。
至此,，我們通過(guò)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(shí),，在固件下載過(guò)程中,，我們觀測(cè)到在固件中配置的I2C通信頻率可即時(shí)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(shí),，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(lái)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。
作者：趙凈
應(yīng)用工程師