以皇晶TL2136B邏輯分析儀提供I2C信號(hào)測(cè)量解決方案

I2C 總線在電子產(chǎn)品中是很常見的一種總線，它的好處就是只需要兩條線，就可以并聯(lián)很多 IC 進(jìn)行控制；但因?yàn)槎嘌b置(Device)及開路汲極(Open drain)的架構(gòu)，常使I2C 總線除錯(cuò)工作變得困難。本文將提出一些實(shí)際的應(yīng)用案例，并使用邏輯分析儀(Logic Analyzer)之各項(xiàng)功能，來協(xié)助排除問題。

使用轉(zhuǎn)態(tài)儲(chǔ)存進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)紀(jì)錄

 在 I2C總線訊號(hào)發(fā)生異常時(shí)，常無法明確的知道是哪個(gè)裝置出錯(cuò)。因此，無法用設(shè)定觸發(fā)的方式來做問題點(diǎn)的定位。使用者多半會(huì)考慮先把所有的波形都擷取回來再慢慢分析。但邏輯分析儀基本是以采樣的方式擷取訊號(hào)，不管訊號(hào)有沒有改變，都會(huì)隨著采樣擷取動(dòng)作的進(jìn)行，而不斷地消耗內(nèi)存。

 而轉(zhuǎn)態(tài)儲(chǔ)存(Transitional Storage)功能是一種波形數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存模式，只在波形轉(zhuǎn)態(tài)(Transition)的時(shí)候才將波形數(shù)據(jù)儲(chǔ)存起來，這樣當(dāng)資料不轉(zhuǎn)態(tài)時(shí)，邏輯分析儀就可以持續(xù)的等候且不存任何數(shù)據(jù)到內(nèi)存內(nèi)。相對(duì)于每個(gè)采樣點(diǎn)都存一次資料的作法，轉(zhuǎn)態(tài)儲(chǔ)存將可以記下更多的數(shù)據(jù)。

 I2C 的傳輸速度如下表一，整體來看速度都不會(huì)很快，因此會(huì)非常地適合使用轉(zhuǎn)態(tài)儲(chǔ)存，來拉長(zhǎng)可儲(chǔ)存的時(shí)間。 

舉例來說，電路板上I2C 總線連接了裝置 A 與裝置 B，但在長(zhǎng)時(shí)間燒機(jī)測(cè)試(Burn-In Test)的過程中，I2C 總線發(fā)生錯(cuò)誤的問題。已知的現(xiàn)象是當(dāng)發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，I2C 總線上會(huì)出現(xiàn)無效的地址(Address)，并且燒機(jī)的過程中會(huì)出現(xiàn)數(shù)次。 

 如何能利用邏輯分析儀來做問題厘清？這樣的問題，若想把所有的波形數(shù)據(jù)都抓下來，其實(shí)是有困難的。 因?yàn)槌霈F(xiàn)問題的時(shí)間點(diǎn)及次數(shù)都很不一定，且長(zhǎng)達(dá)好

幾天的燒機(jī)測(cè)試也使得把所有的數(shù)據(jù)都 Log 下來顯得不切實(shí)際，又必須在大量的數(shù)據(jù)中尋找問題點(diǎn)。也是相當(dāng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工作。

 因此，可采用邏輯分析儀中的I2C 觸發(fā)功能來進(jìn)行定位。首先，先把裝置 A(Addr:12h) 與裝置 B (Addr:34h)的有效地址輸入。 然后讓邏輯分析儀找出不符合上述兩個(gè)條件的地址。實(shí)際設(shè)定如圖一所示。

圖一 利用I2C 觸發(fā)功能進(jìn)行無效地址定位

然后再搭配邏輯分析儀擷取波形后自動(dòng)儲(chǔ)存功能，就很在燒機(jī)的過程中，每次觸發(fā)成功就存盤，之后再檢視存檔波形之觸發(fā)點(diǎn)即可。善用I2C 觸發(fā)功能可以快速的協(xié)助波形定位，會(huì)比數(shù)據(jù)抓得多來的有意義很多。

 同樣的，善用整個(gè)使用I2C 參數(shù)來做為觸發(fā)條件，例如地址符合或數(shù)據(jù)符合或多階式的觸發(fā)來指定更精準(zhǔn)的觸發(fā)，這些都是單純使用邊緣觸發(fā)(Edge Trigger)所無法做到的功能。

 I2C 觸發(fā)檢查時(shí)間違反(Timing violation)的問題點(diǎn)

 I2C 總線會(huì)規(guī)范 SCL與 SDA 必須按規(guī)定時(shí)間送出，不然整個(gè)總線的行為將會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤，導(dǎo)致通訊失敗。有時(shí)候?qū)嶋H波形的時(shí)間已經(jīng)超出規(guī)格，但卻無法在開發(fā)及驗(yàn)證被挑出來，因?yàn)橛袝r(shí)候時(shí)間誤差都不大，使得產(chǎn)品仍可正常使用。 

但問題常常會(huì)留到量產(chǎn)時(shí)才爆發(fā)出來，造成量產(chǎn)不良率攀升，甚至到使用者手上才出現(xiàn)問題；這都是產(chǎn)品開發(fā)所不樂于見到的結(jié)果。

 以圖二所示，可啟用邏輯分析儀之時(shí)間違反檢查當(dāng)作觸發(fā)條件,設(shè)定所需檢查的時(shí)間值，再讓邏輯分析儀協(xié)助挑出時(shí)間違反的地方。邏輯分析儀系統(tǒng)采用 200MHz 采樣率來進(jìn)行采樣。

 因此，可檢查之最小時(shí)間寬度為 5ns；這樣就可以輔助使用者利用觸發(fā)來做時(shí)間違反檢查，非常適合于燒機(jī)測(cè)試時(shí)，用這個(gè)方式檢測(cè)I2C 總線的訊號(hào)時(shí)間。

采用舒密特觸發(fā)電路架構(gòu)擷取質(zhì)量良好的I2C 訊號(hào)

 使用邏輯分析儀進(jìn)行量測(cè)時(shí)，常會(huì)看到一些噪聲。但使用示波器看的時(shí)候似乎又沒有，是甚么原因？要如何排除？這是因?yàn)镮2C 總線是開路汲極架構(gòu)，總線上又同時(shí)接了很多裝置，還有一些靜電防護(hù)零件等等，可能使得I2C波形不見得會(huì)是很好的方波。

 常見的I2C 波形如圖三、四所示。但這樣的波形在I2C 規(guī)范里面，是正�？山邮艿�，并沒有問題。

 也因?yàn)檫@樣，一般I2C芯片，都會(huì)規(guī)范在訊號(hào)輸入腳位必須要有舒密特觸發(fā)(Schmitt trigger)電路，以便于完善的解決訊號(hào)輸入后能正確的處理邏輯訊號(hào)。為此，邏輯分析儀也可循此法做較完善的訊號(hào)解擷取動(dòng)作。

 圖五為一般邏輯分析儀，此用單一個(gè)觸發(fā)準(zhǔn)位的方式來做邏輯0與邏輯1 的區(qū)分。這樣的作法，很容易在待測(cè)訊號(hào)經(jīng)過觸發(fā)準(zhǔn)位(Threshold)附近時(shí)，產(chǎn)生很多不可預(yù)期的邏輯變化。 使得擷取出來的訊號(hào)像是噪聲或彈跳的現(xiàn)象。

若采用低通濾波(Low-pass filter)的做法，是可以濾除噪聲，但又使得可能造成線路問題的高頻噪聲也同時(shí)被濾掉了。無論如何，這都不是適當(dāng)?shù)慕鉀Q方案。

 而圖六則是啟用了舒密特觸發(fā)電路之后的畫面，此架構(gòu)采用了兩組觸發(fā)電壓，分別為 Thres-high 與 Thres-low。兩個(gè)電壓間，就是所謂不轉(zhuǎn)態(tài)區(qū)域，在這個(gè)區(qū)間內(nèi)，不管訊號(hào)怎么改變，都不會(huì)影響邏輯判斷。這樣就可以正常的擷取到I2C 訊號(hào)，且真正的高頻噪聲也不會(huì)漏掉，也符合I2C 芯片設(shè)計(jì)規(guī)范。

 堆棧示波器可同時(shí)看到I2C數(shù)字與模擬訊號(hào)

 在使用了邏輯分析儀所提供的I2C總線觸發(fā)與分析功能后。擷取下來的波形開始要進(jìn)行問題分析階段，常常很多項(xiàng)目都是軟硬件共同合作，參與的人很多，若無法同時(shí)看到對(duì)應(yīng)的模擬訊號(hào)，對(duì)于厘清問題幫助不大。尤其是線路造成的問題，數(shù)字訊號(hào)并無法清楚地呈現(xiàn)出問題點(diǎn)。

 圖七就是利用堆棧并設(shè)定觸發(fā)之后同時(shí)抓到數(shù)字與模擬訊號(hào)，用戶可以將它發(fā)送給需要看波形的人，I2C總線數(shù)字譯碼的部分可讓用戶快速理解他所看到波形。而模擬訊號(hào)的部分，則忠實(shí)的呈現(xiàn)出波形的原貌。兩者這樣的結(jié)合，成為最佳的量測(cè)方案。