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1 關(guān)于 SPI 總線

串行外設(shè)接口（SPI, Serial Peripheral Interface）總線最早由 Motorola 開(kāi)發(fā)，用于其微控制器產(chǎn)品。由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)直接，隨后被其它廠商廣泛采用，目前已在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的各類(lèi)器件中得到普及。

SPI總線通常用于微控制器或 CPU 與外設(shè)之間的芯片級(jí)通信，例如顯示模塊、ADC 和 DAC、EEPROM、SD 卡及其它存儲(chǔ)器件。

SPI 總線是一種主從式、四線制串行通信總線，包含以下四條信號(hào)線：MOSI（主輸出 / 從輸入）、MISO（主輸入 / 從輸出）、SCLK 或 SCK（串行時(shí)鐘）、SS（從設(shè)備選擇）或 CS（片選）。

圖 1 SPI 總線架構(gòu)

在 SPI 通信系統(tǒng)中，各設(shè)備以主從關(guān)系運(yùn)行。主設(shè)備通過(guò)生成共享的串行時(shí)鐘信號(hào)來(lái)發(fā)起并控制所有數(shù)據(jù)傳輸。

SPI 是一種全雙工通信協(xié)議，這意味著在每一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，主設(shè)備和從設(shè)備都可以同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。為了與多個(gè)從設(shè)備進(jìn)行通信，主設(shè)備通常為每個(gè)從設(shè)備提供一根獨(dú)立的片選（CS）信號(hào)線。

為了保證 SPI 總線的正常工作，主設(shè)備在任意時(shí)刻只能與一個(gè)從設(shè)備通信。這一機(jī)制通過(guò) CS 信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。任何未被選中的從設(shè)備都必須忽略來(lái)自主設(shè)備的 SCK 和 MOSI 信號(hào)，同時(shí)不得驅(qū)動(dòng) MISO 信號(hào)線，其輸出應(yīng)保持高阻態(tài)，以避免總線沖突。

SPI 通信通常包括以下幾個(gè)步驟：

?初始化：主設(shè)備首先將 SCK 時(shí)鐘頻率配置為目標(biāo)從設(shè)備所支持的范圍內(nèi)（通常為幾 MHz 到幾十 MHz）。

?從設(shè)備選擇：主設(shè)備將對(duì)應(yīng)從設(shè)備的 CS 信號(hào)拉低（通常為邏輯低電平，即 0 V），以選中該從設(shè)備。

?數(shù)據(jù)交換：在每一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)都會(huì)發(fā)生一次全雙工數(shù)據(jù)傳輸。主設(shè)備通過(guò) MOSI 信號(hào)線輸出一位數(shù)據(jù)，從設(shè)備進(jìn)行采樣；同時(shí)，從設(shè)備通過(guò) MISO信號(hào)線輸出一位數(shù)據(jù)，主設(shè)備進(jìn)行采樣。

?通信結(jié)束：數(shù)據(jù)交換完成后，主設(shè)備停止輸出時(shí)鐘信號(hào)，并將 CS 信號(hào)拉高，取消對(duì)從設(shè)備的選中。

圖 2 SPI 總線中的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制

SPI 的數(shù)據(jù)傳輸依賴(lài)于主設(shè)備和從設(shè)備內(nèi)部位寬相同的移位寄存器（例如 8 位）。這些寄存器通過(guò) MOSI 和 MISO 信號(hào)線相互連接，形成一個(gè)環(huán)形緩沖結(jié)構(gòu)。其工作原理如下：

?在每一個(gè)時(shí)鐘沿，主設(shè)備和從設(shè)備都會(huì)將寄存器中的一位數(shù)據(jù)（通常是最高有效位 MSB）移出到各自的輸出線上。同時(shí)，它們也會(huì)從對(duì)方的輸出線上采樣一位數(shù)據(jù)，并移入自身寄存器的最低有效位（LSB）。

?當(dāng)時(shí)鐘脈沖數(shù)量達(dá)到寄存器位寬時(shí)，主設(shè)備和從設(shè)備寄存器中的原始數(shù)據(jù)就完成了一次完整交換。

?如果需要繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，只需重新加載移位寄存器，并重復(fù)該過(guò)程即可。

圖 3 SPI 在時(shí)鐘上升沿采樣的時(shí)序圖

2 Pico 串行總線解碼與協(xié)議分析解決方案簡(jiǎn)介

PicoScope示波器標(biāo)配有超過(guò)40種串行通信協(xié)議解碼功能。隨著 PicoScope 軟件的持續(xù)免費(fèi)升級(jí)，未來(lái)還將支持更多協(xié)議解碼功能。

目前支持的協(xié)議包括：

1-Wire、ARINC 429、BroadRReach、CAN、CAN FD、CAN J1939、CAN XL、DALI、DCC、DMX512、Ethernet 10BASE-T、擴(kuò)展 UART、Fast Ethernet 100BASE-TX、FlexRay、I2C、I2S、I3C BASIC v1.0、LIN、Manchester、MIL-STD-1553、MODBUS ASCII、MODBUS RTU、NMEA-0183、并行總線、PMBus、PS/2、PSI5（傳感器）、Quadrature、RS232/UART、SBS Data、SENT Fast、SENT Slow、SENT SPC、SMBus、SPI-MISO/MOSI、SPI-SDIO、USB（1.0/1.1）以及風(fēng)速傳感器協(xié)議等。

圖 4 PicoScope 支持的串行協(xié)議解碼器

解碼后的數(shù)據(jù)通過(guò)兩種互補(bǔ)的方式進(jìn)行顯示，便于高效分析。

圖形顯示方式：解碼數(shù)據(jù)以十六進(jìn)制、二進(jìn)制、十進(jìn)制或 ASCII 格式顯示在波形下方，并與原始波形共用同一時(shí)間軸。錯(cuò)誤幀會(huì)自動(dòng)以紅色高亮顯示，便于快速識(shí)別。用戶(hù)可以對(duì)任意數(shù)據(jù)幀進(jìn)行放大，以進(jìn)一步分析信號(hào)完整性或噪聲問(wèn)題。

圖 5 PicoScope 中的圖形解碼顯示方式

表格顯示方式：表格視圖提供所有解碼數(shù)據(jù)幀的完整列表，包括數(shù)據(jù)內(nèi)容、標(biāo)識(shí)符和標(biāo)志位。用戶(hù)可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，僅顯示感興趣的幀，也可以通過(guò)搜索功能查找具有特定屬性的數(shù)據(jù)幀。統(tǒng)計(jì)功能還可顯示更詳細(xì)的物理層信息，例如幀時(shí)間和電壓電平。

圖 6 PicoScope 中的表格解碼顯示方式

這兩種視圖是相互聯(lián)動(dòng)的：在表格中點(diǎn)擊任意一幀，示波器界面會(huì)自動(dòng)縮放并定位到對(duì)應(yīng)的波形位置。

為了進(jìn)一步提升分析效率，“Link File（鏈接文件）”功能允許用戶(hù)將數(shù)據(jù)字段與自定義的、易于理解的文本字符串進(jìn)行關(guān)聯(lián)。此外，PicoScope 還支持將所有解碼數(shù)據(jù)導(dǎo)出為電子表格，用于后續(xù)分析。

圖 7 顯示解碼數(shù)據(jù)的可讀文本

3 使用 PicoScope 捕獲 SPI 信號(hào)的測(cè)試設(shè)置

使用 PicoScope 對(duì) SPI 總線通信進(jìn)行有效解碼，首要前提是精確的捕獲到原始數(shù)據(jù)，這要求示波器具有足夠的帶寬和采樣率。

SPI 信號(hào)的工作頻率范圍較廣。基于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)建議：

? 示波器帶寬為 SPI 時(shí)鐘頻率的3~5 倍。

? 采樣率確保在單個(gè)數(shù)據(jù)位的上升沿或下降沿至少采集 5 個(gè)采樣點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的數(shù)字信號(hào)重構(gòu)。

為了進(jìn)行全面分析，理想情況下應(yīng)采集以下信號(hào)：

? SCK（串行時(shí)鐘）：用于同步，是必需信號(hào)

? MOSI（主輸出 / 從輸入）：主設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)

? MISO（主輸入 / 從輸出）：從設(shè)備返回的數(shù)據(jù)

所需的示波器通道數(shù)量取決于具體的分析需求：

? 使用兩通道示波器時(shí)：必須將其中一個(gè)通道用于采集 SCK，因此一次只能解碼一條數(shù)據(jù)線（MOSI 或 MISO）。

? 使用四通道或更多通道時(shí)：可同時(shí)采集 SCK、MOSI、MISO 以及 CS 信號(hào)，從而對(duì)指定從設(shè)備的通信進(jìn)行完整分析。

下圖 8 展示了使用 PicoScope 進(jìn)行 SPI 測(cè)試的測(cè)試設(shè)置：

? 一臺(tái) PicoScope示波器3418E （500MHz，5GS/s，2GS）通過(guò) USB Type C 連接至 PC，用于控制和數(shù)據(jù)采集。

? 四個(gè)無(wú)源探頭連接至被測(cè)設(shè)備，用于采集 SCK、MOSI、MISO 和 CS 信號(hào)。

? PC 上運(yùn)行 PicoScope 7 軟件，用于控制示波器、顯示波形并執(zhí)行 SPI 協(xié)議解碼。

圖 8 使用 PicoScope 3418E 捕獲 SPI 信號(hào)的測(cè)試設(shè)置

4 使用 PicoScope 解碼 SPI 信號(hào)

按照以下步驟在 PicoScope 7 中完成 SPI 數(shù)據(jù)的采集與解碼。

步驟 1：在 PicoScope 7 的通道菜單中為各通道命名，便于后續(xù)操作和識(shí)別。

步驟 2：打開(kāi)“Views”，添加四個(gè)示波視圖窗口，每個(gè)窗口顯示一條波形，并為每個(gè)窗口命名為所顯示的SPI信號(hào)。

步驟 3：根據(jù)實(shí)際信號(hào)情況設(shè)置合適的垂直量程、時(shí)基和采樣率。

步驟 4：設(shè)置觸發(fā)條件以穩(wěn)定顯示 SPI 數(shù)據(jù)，推薦使用針對(duì) SCK 信號(hào)的脈沖觸發(fā)。

完成以上步驟后，即可獲得如圖 9 所示的 SPI 波形。

圖 9 PicoScope 7中的 SPI 波形顯示

步驟 5：點(diǎn)擊 “Serial decoding”，選擇 “SPI – MISO/MOSI”.

圖 10 在 PicoScope 7 中選擇 SPI 解碼器

步驟 6：將各通道分配到解碼器中對(duì)應(yīng)的解碼信號(hào)。若之前已正確命名通道，該過(guò)程會(huì)更加直觀。閾值和遲滯參數(shù)會(huì)被自動(dòng)識(shí)別，但仍可根據(jù)需要手動(dòng)調(diào)整。其它 SPI 參數(shù)按照?qǐng)D 11 進(jìn)行配置。

圖 11 在 PicoScope 7 中配置 SPI 解碼器

步驟 7：點(diǎn)擊 “Next”，為解碼器命名，并選擇解碼數(shù)據(jù)顯示格式。同時(shí)還可以限制解碼的時(shí)間范圍，以便僅采集和分析關(guān)注的數(shù)據(jù)。

圖 12 在 PicoScope 7 中選擇 SPI 解碼顯示格式

步驟 8：點(diǎn)擊 “Finish” 后，解碼結(jié)果表格將顯示在屏幕上。該表格既可以與示波器視圖聯(lián)動(dòng)縮放，也可以像其它圖表一樣單獨(dú)顯示。

圖 13 PicoScope 7 中的 SPI 解碼結(jié)果

更多功能和設(shè)置：

?解碼數(shù)據(jù)上方的工具欄提供了多種實(shí)用功能，可通過(guò)“Export”或“Data to Text”導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

?使用“Fields”可以選擇需要顯示的數(shù)據(jù)字段，并重新配置解碼內(nèi)容。

?搜索功能在深存儲(chǔ)應(yīng)用中尤為重要。由于 PicoScope 支持捕獲大量數(shù)據(jù)包，借助搜索功能可以?xún)H顯示所需數(shù)據(jù)，從而大幅節(jié)省分析時(shí)間。

?將鼠標(biāo)懸停在任意數(shù)據(jù)包上，即可查看該數(shù)據(jù)包的詳細(xì)內(nèi)容。

圖 14 PicoScope 7 中 SPI 解碼器的更多功能

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