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，FlashROM，A／D（D／A）轉(zhuǎn)換器、LED顯示驅(qū)動(dòng)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(duì)SPI信號(hào)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(duì)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(hào)四種輸出方式時(shí)序圖

SPI總線測試需求

工程師對(duì)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(hào)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(duì)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(duì)總線傳輸信號(hào)進(jìn)行觸發(fā)解碼。并以不同的方式動(dòng)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(dòng)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(hào)（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(duì)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(hào)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(hào)包括一根時(shí)鐘線SCLK、一根片選信號(hào)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(hào)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(hào)并非周期性信號(hào)。這就要求在對(duì)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(duì)話框，設(shè)定好信號(hào)對(duì)應(yīng)的探頭（本例設(shè)置為CH1:SDA；CH2: SCLK；CH3：CS），就可以直接對(duì)SPI信號(hào)進(jìn)行觸發(fā)。

圖3 SPI信號(hào)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(hào)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(huì)在數(shù)據(jù)手冊(cè)里標(biāo)明，或者在時(shí)序圖中給出）。因此我們?cè)谟|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(duì)SPI輸出方式進(jìn)行選擇。

圖4 SPI觸發(fā)信號(hào)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(hào)后，接下來我們關(guān)注的問題是對(duì)SPI總線信號(hào)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)

圖5 SPI解碼設(shè)置

圖6 SPI解碼結(jié)果（十六進(jìn)制）

解碼的結(jié)果與輸入信號(hào)一致。

以上只是簡單的使用SDS3000X系列智能示波器對(duì)SPI信號(hào)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。

關(guān)于鼎陽

鼎陽科技（SIGLENT）是一家專注于通用電子測試測量儀器及相關(guān)解決方案的公司。

從2005推出第一款數(shù)字示波器產(chǎn)品至今，10余年來鼎陽科技一直是全球發(fā)展速度最快的數(shù)字示波器制造商。歷經(jīng)多年發(fā)展，鼎陽產(chǎn)品已擴(kuò)展到數(shù)字示波器、手持示波表、函數(shù)/任意波形發(fā)生器、頻譜分析儀、臺(tái)式萬用表、直流電源等通用測試測量儀器產(chǎn)品。2007年，鼎陽與高端示波器領(lǐng)導(dǎo)者美國力科建立了全球戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系。2011年，鼎陽發(fā)展成為中國銷量領(lǐng)先的數(shù)字示波器制造商。2014年，鼎陽發(fā)布了中國首款智能示波器SDS3000系列，引領(lǐng)“人手一臺(tái)”型實(shí)驗(yàn)室使用示波器由功能示波器向智能示波器過渡的趨勢(shì)。2017年，鼎陽發(fā)布打破行業(yè)壟斷，多項(xiàng)參數(shù)突破國內(nèi)技術(shù)瓶頸的SDG6000X系列脈沖/任意波形發(fā)生器，其輸出帶寬高達(dá)500MHz。目前，鼎陽已經(jīng)在美國克利夫蘭和德國漢堡成立分公司，產(chǎn)品遠(yuǎn)銷全球70多個(gè)國家，SIGLENT正逐步成為全球知名的測試測量儀器品牌。

關(guān)于鼎陽硬件設(shè)計(jì)與測試智庫

鼎陽硬件設(shè)計(jì)與測試智庫（簡稱鼎陽硬件智庫）由深圳市鼎陽科技有限公司領(lǐng)銜創(chuàng)辦，是中國第一家“智力眾籌”模式的硬件智庫。

鼎陽硬件智庫順時(shí)順勢(shì)，倡導(dǎo)“連接-分享-協(xié)作-創(chuàng)造”的理念，高舉志愿者服務(wù)的大旗，相信互聯(lián)網(wǎng)是“愛”的大本營，相信人們都有發(fā)自內(nèi)心分享的愿望。

鼎陽硬件智庫選擇硬件領(lǐng)域最普遍的七類問題：電源，時(shí)鐘，DDR，低速總線，高速總線，EMC，測試測量進(jìn)行聚焦。尋找“最針尖”的問題進(jìn)行研討，針對(duì)“最針尖”的問題組織專家答疑，將硬件大師積累的寶貴知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)變成公眾財(cái)富，惠及更多硬件人。