SPI總線簡介

SPI是串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface）的縮寫，是一種高速、全雙工、同步的通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，節(jié)約了芯片的管腳，同時(shí)為PCB的布局上節(jié)省空間，提供方便。其現(xiàn)已發(fā)展成為一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，目前，各半導(dǎo)體公司推出了大量的帶有SPI接口的具有各種各樣功能的芯片，如RAM，EEPROM，F(xiàn)lashROM，A／D（D／A）轉(zhuǎn)換器、LED顯示驅(qū)動器、I／O接口芯片、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、UART收發(fā)器等等，為用戶的外圍擴(kuò)展提供了極其靈活而經(jīng)濟(jì)的選擇。這也使得對SPI信號的測試分析需求更加廣泛。

SPI總線包含四種輸出方式（SPI0,SPI1,SPI2,SPI3）,SPI0和SPI3方式比較常用。SPI模塊為了和外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，根據(jù)外設(shè)工作要求，其輸出串行同步時(shí)鐘極性和相位可以進(jìn)行配置，時(shí)鐘極性（CPOL）對傳輸協(xié)議沒有重大的影響。如果CPOL=0,串行同步時(shí)鐘的空閑狀態(tài)為低電平；如果CPOL=1,串行同步時(shí)鐘的空閑狀態(tài)為高電平。時(shí)鐘相位（CPHA）能夠配置用于選擇兩種不同的傳輸協(xié)議之一進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。如果CPHA=0,在串行同步時(shí)鐘的第一個(gè)跳變沿（上升或下降沿）數(shù)據(jù)即被采樣；如果CPHA=1,在串行同步時(shí)鐘的第二個(gè)（上升或下降沿）數(shù)據(jù)才被采樣。

圖1 SPI信號四種輸出方式時(shí)序圖

SPI總線測試需求

工程師對SPI總線測試和分析的需求主要涵蓋以下兩個(gè)方面：

1.了解總線正在發(fā)生什么：軟件工程師設(shè)計(jì)SPI主設(shè)備發(fā)出的消息內(nèi)容，硬件工程師則需要確定消息是不是被準(zhǔn)確無誤的傳送到從設(shè)備上。傳統(tǒng)的方法是使用示波器把信號捕獲下來，然后根據(jù)高低電平特點(diǎn)轉(zhuǎn)換成“1”或“0”，然后再去對比SPI協(xié)議，將其還原成有意義的消息幀。顯然這種方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，在轉(zhuǎn)換的過程中還容易出錯(cuò)。SDS3000X系列智能示波器支持SPI總線解碼功能，可以直接對總線傳輸信號進(jìn)行觸發(fā)解碼。并以不同的方式動態(tài)顯示在示波器屏幕上。不同的顯示方式可以更好地適應(yīng)不同的分析需求：比如硬件工程師可能希望以二進(jìn)制的方式查看SPI消息內(nèi)容，底層驅(qū)動工程師希望以16進(jìn)制方式分析波形，而應(yīng)用軟件工程師則希望以ASCII碼的方式去了解總線上實(shí)際運(yùn)行的數(shù)據(jù)內(nèi)容。

2.調(diào)試總線上有故障的節(jié)點(diǎn):SPI設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)主設(shè)備連接多個(gè)從設(shè)備的需求，通過片選信號（SS/CS）來選擇需要操作的從設(shè)備。當(dāng)主設(shè)備切換傳輸對象的時(shí)候，我們需要關(guān)注總線所發(fā)送的信息是否與所選擇的從設(shè)備一致。有可能出現(xiàn)所發(fā)送的信息與當(dāng)前所選擇的從設(shè)備并不一致的狀況。

SPI總線模擬測試方法

本例中我們使用SDS3000X系列智能示波器以及STB-3信號演示板進(jìn)行單向SPI總線測試模擬。

圖2 實(shí)驗(yàn)連接圖

單向的SPI總線信號包括一根時(shí)鐘線SCLK、一根片選信號線CS和一根數(shù)據(jù)線SDA，可由鼎陽的STB-3板模擬輸出，其輸出信號速率為1Mbps，數(shù)據(jù)內(nèi)容為：（XX為隨機(jī)字符）96'h53_49_47_4C_45_4E_54_5F_XX_XX_XX_XX。

SPI觸發(fā)

SPI 總線是為芯片間的數(shù)據(jù)通信而設(shè)計(jì)的，因此，在大多數(shù)情況下，由于傳輸數(shù)據(jù)的不同使得信號并非周期性信號。這就要求在對該總線進(jìn)行測試時(shí)，要能準(zhǔn)確地觸發(fā)到數(shù)據(jù)幀的“頭”，并將其“穩(wěn)定”顯示在儀器上，便于觀察和分析。

SDS3000X系列智能示波器支持串行總線觸發(fā)功能，按下前面板上側(cè)菜單欄區(qū)域的“觸發(fā)–觸發(fā)設(shè)置”喚出觸發(fā)設(shè)置對話框，設(shè)定好信號對應(yīng)的探頭（本例設(shè)置為CH1:SDA；CH2: SCLK；CH3：CS），就可以直接對SPI信號進(jìn)行觸發(fā)。

圖3 SPI信號觸發(fā)功能

在模擬測試前，我們已知STB-3演示板所輸出的SPI信號輸出方式為SPI3（在實(shí)際測試中，SPI從設(shè)備的工作模式也會在數(shù)據(jù)手冊里標(biāo)明，或者在時(shí)序圖中給出）。因此我們在觸發(fā)的時(shí)候就要進(jìn)行相應(yīng)的配置。SDS3000X智能示波器支持在觸發(fā)和解碼時(shí)對SPI輸出方式進(jìn)行選擇。

圖4 SPI觸發(fā)信號設(shè)置

PS：SDS3000X系列智能示波器支持串行總線觸發(fā)解碼功能，支持的協(xié)議有IIC、IIS、SPI、UART/RS232、LIN、CAN、CAN-FD、FlexRay、MIL 1553、USB 2.0。

SPI解碼

在成功捕獲到待測試的SPI總線信號后，接下來我們關(guān)注的問題是對SPI總線信號進(jìn)行解碼。

如圖5所示，選擇“分析-串行解碼”選項(xiàng),進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，即可獲得解碼的結(jié)果，并可以列表顯示出來，便于查看。(解碼的結(jié)果可以二進(jìn)制、16進(jìn)制以及ASCALL碼的形式顯示)解碼的結(jié)果與輸入信號一致。

圖5 SPI解碼設(shè)置

圖6 SPI解碼結(jié)果（十六進(jìn)制）

以上只是簡單的使用SDS3000X系列智能示波器對SPI信號進(jìn)行觸發(fā)和解碼。在實(shí)際應(yīng)用中，SDS3000X系列智能示波器的串行總線觸發(fā)解碼功能可以快速的使我們獲得“總線上正在發(fā)生什么”；并可根據(jù)示波器界面所呈現(xiàn)的解碼結(jié)果分析總線所傳輸?shù)牡男畔⑹欠窈臀覀冾A(yù)想的一致，從而精準(zhǔn)快速地發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)并進(jìn)行調(diào)試。