示波器序列通訊協定除錯
- Sonya Chan
- 9月7日
- 讀畢需時 7 分鐘
準備好深入 UART、I2C、(Q)SPI 與 CAN 匯流排的迷人世界，您不僅能學習這些序列通訊協定，還能探索如何使用示波器進行除錯，從實用技巧到真實世界的洞見，我們已準備好基礎知識，協助您精通協定除錯。
邊緣運算裝置通常包含一個微控制器 (MCU)，用於連接感測器、致動器、按鈕與顯示器，這些離散裝置多數透過 UART、I2C 或 CAN 等數位通訊協定與 MCU 進行通訊，使用示波器對這些序列通訊協定除錯的一項優勢在於，訊號數量較少，探測更為容易，對比過去的寬並行匯流排更具效率；配合探棒使用，示波器提供深度的分析工具組，否則將需要獨立的協定分析儀，以下是一些使用示波器解碼序列通訊協定的技巧，以及針對最常見序列通訊協定的入門資訊。
示波器、邏輯分析儀與專用協定分析儀比較
在檢視協定解碼時，您可以使用示波器、邏輯分析儀或專用的協定分析儀，但這三者中哪種工具最為合適？以下是對這三種工具的簡要比較。
邏輯分析儀的通道本質上是數位比較器，因此，它們僅能判斷訊號是高電位還是低電位，典型的邏輯分析儀至少有 8 個通道，部分型號甚至提供 32 個或更多；協定分析儀與邏輯分析儀類似，但擁有針對協定的專屬硬體與軟體，用於解碼序列鏈路。
相比之下，示波器擁有高解析度，但通道數通常限制在 2 或 4 個。增加的位元深度讓您能夠觀察訊號的類比特性。
所幸，隨著現代示波器的發展，現在已鮮少需要在這三種選項中做出取捨，許多示波器，包括所有 Rohde & Schwarz 型號，同時提供邏輯通道，涵蓋類比與數位訊號。這類示波器被稱為「混合訊號示波器」。
部分示波器甚至內建序列匯流排的協定解碼工具！舉例來說，R&S®RTB2000、R&S®MXO 4 或 R&S®RTO 6 等機種，內建針對常用序列通訊協定的協定解碼與觸發功能。
示波器在協定除錯中的獨特優勢
當檢測到協定錯誤時，示波器尤其能發揮作用。透過取樣匯流排的類比通道，您可以觀察到在協定錯誤發生時或其周圍，是否存在類比訊號問題，這在邏輯分析儀上是極少見的狀況。
由於存在多種序列通訊協定，且各示波器型號的支援程度不一，以下針對最常見的匯流排，提供一些電路除錯的注意事項與技巧。
UART
通用非同步收發器 (UART，Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) 有時也簡稱為「序列通訊」，其傳輸 (TX) 與接收 (RX) 訊號線沒有獨立時脈。此協定為點對點連接，表示您通常只有兩個裝置相連。
從某種角度來看，UART 是最簡單的除錯對象，因為您只需觀察最少一個訊號：TX 或 RX，然而，在實務上，通常需要同時觀察兩個方向的訊號，才能理解完整的通訊內容。
UART 具備靈活的訊框定址方式，包含可變數量的開始與停止位元，以及一個可選的同位元，資料負載通常為 8 位元，由於 UART 是非同步的，主機與裝置必須針對這些參數以及鮑率 (Baud Rate) 達成一致。這些要求在除錯時同樣適用於示波器。
SPI 與 QSPI
SPI (Serial Peripheral Interface) 又稱為「序列週邊介面」，其運作模式類似於移位暫存器，所有裝置共用時脈、主機輸出與次級輸入 (MOSI) 訊號，以及主機輸入與次級輸出 (MISO) 訊號，這些訊號對應於 UART 的「TX」和「RX」，但它們明確標示了資料移動的方向；例如，MOSI 的資料從主機傳輸到裝置，而 MISO 的資料則從裝置傳輸到主機。這使得探測錯誤訊號的可能性大大降低！
SPI 協定支援多個裝置在同一匯流排上運作，每個裝置都有一個晶片選擇 (CS) 訊號，用於區分不同裝置；然而，若設計中僅有一個 SPI 裝置，則可能會省略或始終啟用 CS 訊號，同樣地，若資料僅單向傳輸，則只需連接相應的 MOSI 或 MISO 訊號即可。
使用示波器進行除錯時，這同樣適用，若匯流排上只有一個裝置，則無需探測 CS 訊號。若資料僅單向移動，則多數解碼器僅需探測一個訊號即可處理。然而，時脈訊號是永遠需要的。
什麼是 QSPI？
四線式 SPI (QSPI，Quad SPI) 協定是一種常用於快閃記憶體晶片的介面標準。與 SPI 類似，它具有時脈、致能與資料接腳。
I2C (Inter-Integrated Circuit)
I2C (Inter-Integrated Circuit) 協定最初由飛利浦開發，後併入 NXP，部分支援 I2C 的裝置為規避商標或授權問題，會使用「兩線式 (two-wire)」的名稱。
匯流排上的所有裝置共用時脈與資料線，且每個裝置都必須具備獨一無二的位址，一般來說，使用 I2C 的感測器或裝置會具備一個基本位址，並透過少數幾個位元來設定位址的最低有效位元，當匯流排上有多個相同感測器時，此技術非常實用，同時也能將接腳數量降至最低。
在示波器上對 I2C 進行除錯需要兩個通道。時脈僅在主機與裝置通訊時運行，因此示波器必須同時擷取時脈與資料訊號。
I2C：7 位元或 8 位元 (或 10 位元)
I2C 位址可能會因兩種不同的位址模式而產生混淆：7 位元與 10 位元。7 位元模式更為常見，但其具備一個容易混淆的特點：有時它被視為 8 位元位址！
這種混淆來自於位址後方的讀/寫 (R/W) 位元，對於 READ (讀取) 交易，此值為「1」；對於 WRITE (寫入) 交易，此值為「0」，因此，若在除錯 I2C 時，預期的位址觸發失敗，請嘗試將位址左移一位元並包含 R/W 值。
CAN 匯流排
CAN (Controller Area Network) 匯流排最初開發用於汽車，並持續在運輸產業中被廣泛使用，其差分訊號傳輸提高了對電氣雜訊的抗擾性，使其成為工業應用的理想選擇。
儘管是差分訊號，但在多數情況下，它不需要差分示波器探棒，相反，只需在 CANH 或 CANL 訊號上使用單端探棒，就足以讓示波器解碼器對匯流排進行解碼。
CAN 2.0 共有兩種版本：基本型 (11 位元位址) 與擴展型 (29 位元位址)。它們的資料訊框在仲裁與控制欄位上略有不同，但其封包其餘部分均相同。
CAN 匯流排僅使用兩條訊號線，且皆非時脈，因此，若解碼內容顯得混亂，請嘗試調整取樣點，以改變解碼器取樣資料的位置。
解碼與觸發：硬體與軟體方法的區別
解碼是一種後處理方法，用於分析已擷取的波形，並將協定解碼為人類可讀的格式，通常，解碼後的資料會以波形顯示的疊加圖層或表格形式呈現。（部分示波器，如 R&S®RTE、RTO6 與 RTP，也提供額外的分析工具，例如匯流排利用率。）具備深記憶體的示波器可以擷取長時間的訊號，然後進行搜尋以找出感興趣的事件 (或這些事件發生的頻率)，此技術主要是軟體層面的方法。
然而，觸發則發生在示波器的觸發系統內部，協定觸發持續監控序列匯流排，以確定何時發生事件，例如，兩個常見的觸發條件是 I2C 位址或錯誤狀況 (如 NAK 或同位元錯誤)，觸發選項通常僅限於少數與協定相關的交易，且可能受限於位址、資料或負載的位元深度，此技術主要是硬體層面的方法。
有時，示波器會結合這兩種技術：觸發系統可能會「自動觸發」，而協定解碼器則找出感興趣的事件，並將其置於螢幕中央。如果您的示波器「遺漏」了某些事件，請查閱手冊以確定哪些觸發條件屬於「硬體」基礎，哪些屬於「軟體」基礎。
總結
多數邊緣運算裝置使用 UART、SPI、I2C 或 CAN 等數位協定與微控制器進行通訊。
示波器提供廣泛的工具，用於解碼序列通訊協定。
部分示波器甚至內建序列匯流排的協定解碼工具。
UART 沒有獨立的時脈，且為點對點連接，表示僅有兩個裝置相連。
SPI 運作類似於移位暫存器，所有裝置共用時脈、MOSI 與 MISO 訊號。
對於 I2C，除錯需要兩個通道。時脈僅在主機與裝置通訊時運行，因此示波器必須同時擷取時脈與資料訊號。
儘管 CAN 匯流排是差分訊號，但通常不需使用差分示波器探棒。相反，只需在「CANH」或「CANL」訊號上使用單端探棒，就足以讓示波器解碼匯流排。
所有 Rohde & Schwarz 示波器都具備可選的序列通訊協定功能。可用的觸發條件會因示波器型號及其頻寬能力而異。然而，大多數機種都支援本文列出的基本序列通訊協定。
對於一般用途且涉及典型序列通訊協定的除錯，可考慮 RTB2000 或 RTM3000。對於速率快於 480 Mbit/s 的協定，可考慮 MXO4 (1.5 GHz)、RTO 與 RTP 示波器。
