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1、SPI 总 线 解 码 错 误 问 题 定 位一 问题描述客户反馈，用示波器同时捕捉并解码上千帧 SPI 信号时，发现解码错误。对此，我们展开了问题定位。二 SPI 原理及 R&S 示波器测量方案1 SPI 原理SPI 接口的全称是 Serial Peripheral Interface，意为串行外设接口，是 Motorola 公司上个世纪八十年代在 MC68HCXX 系列处理器上定义的，它可以使 MCU 与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。SPI 接口主要应用在 EEPROM，FLASH，实时时钟，AD 转换器，以及数字信号处理器和数字信号解码器之间。SPI 接口以主从方式工作，负责
2、一个主机与一个或多个从机之间的通信。双向传输时，通常需要 4 根线，但在单向传输时，3 根线也可以。SPI 主要由 MISO（主机数据输入/从机数据输出）、MOSI（主机数据输出/从机数据输入）、SCLK（时钟）和 SS（片选）等组成。SPI 总线架构如图 1所示：图 1 SPI 总线架构SS：主机产生，用来使能从机，即只有从机的片选信号被主机设为预先规定的使能信号时（高电平或低电平），那么主机对该从机的操作才有效。这就使得在同一 SPI 总线上连接多个 SPI设备成为可能；SCLK：主机产生的 SPI 工作时钟，即串行同步时钟。主机/从机在 SCLK 时钟的上升沿或者下降沿（器件定义）读取相
3、应的数据；MOSI：主机输出的数据，发给从机接收；MISO：从机输出的数据，发给主机接收。 下面简单介绍一下 SPI 时序。图 2 所示的是 SCLK 上升沿工作模式，当从机的 SS 被主机使能后（置为低电平），主机开始与从机进行 SPI 通信。每当 SCLK 由低电平变为高电平时，从机就在SCLK 的上升沿读取 MOSI 数据线上的主机输出的数据；主机在 SCLK 的上升沿读取 MISO 数据线上的从机输出的数据。如此反复 8 次（即 8 个 SCLK 周期），就完成了 8bits（1 Byte）的数据传输。SCLK 下降沿工作模式，主机和从机在 SCLK 时钟下降沿读取数据，其它与上面类似
4、。图 2 SPI 接口时序（SCLK 上升沿工作模式）2 R&S 示波器在总线测量方面的特点R&S 系列示波器（ RTO，RTE 和 RTM）提供多种选件，支持广泛使用的串行总线触发和协议解码，测试包括 SPI 在内的多种协议总线。这些选件可以工作在非常高的波形捕获率上，具备丰富的功能，并且容易使用。因此在总线测量方面，R&S 系列示波器是及其优秀的验证与调试工具。R&S 系列示波器在总线测量方面的特点有：1）标配即支持 I2C, SPI, UART /RS-232 总线的触发；2）基于硬件的协议触发及解码，捕获率极高，可快速查找协议错误，排查协议故障；3）多种可选的协议触发类型，包括帧类型、
5、帧起始位置、数据/地址信息触发等；4）使用方便：总线配置方便快捷，总线解码直观。对解码数据进行颜色编码，使用不同颜色代表读、写、地址及数据等不同信号。R&S 示波器的 SmartGrid 智能网格系统可同时显示模拟波形、逻辑波形和解码数据；5）解码数据显示清晰明了，序号、解码状态、数据宽度和数值一目了然；6）解码数据可以保存为 excel 文件，方便用户比对以及重复查阅；7）图片文件和波形文件亦可有效保存；8）可选用混合信号测量方案（MSO），拥有 5GSa/s 的采样率，R&S 示波器 MSO 选件可为所有数字通道提供最高达 200ps 的时间分辨率。每通道最高达 200Mpts 的存储深度
6、，能够检测出分布密集的窄毛刺等关键性事件。三 SPI 测试条件说明1 所用设备示波器：RTO1024；示波器参数：4 通道，2G 带宽， 10GSa/s 采样率（每通道）， 100Mpts 存储深度（每通道）；探头：RT-ZP10 * 4；探头参数：500M 带宽，输入电阻 10Mohm，输入电容 9.5pF；示波器固件：V2.3.0 。2 所产生的 SPI 信号SPI 信号由 R&S 公司的 Golden Demo 产生，其 SCLK 频率为 100KHz，即周期 10us；每帧 SPI时长为 90us，两帧 SPI 数据间隔为 30us，具体波形如图 3 所示。（说明：SPI 的测试方法，
7、详见用户手册，这里不再讨论）图 3 Gold Demo 产生的 SPI 信号四 时基的选择客户要求测到一千多帧 SPI 信号，这就需要尽可能地调大时基，保证捕获到更多的 SPI 数据，直到捕获上千帧 SPI 数据为止。需要说明的是，1 、如果时基太大（如：1s/div ），示波器会自动进入滚动模式，导致 SPI 总线测试异常。建议：此类测试场景下，关闭进入滚动模式的使能；2、时基调整，可能需要反复调整，才能找到合适的时基。这就需要打开总线解码显示框，并且将显示框拉倒底部，这样就可以实时观察捕获到的 SPI 数据的帧个数。3、为了保证屏幕能够显示更多的被 SPI 信号，将水平reference
8、Point 设为 10%，触发偏置 trigger offset 设为 0s。 经过调整，将时基设为 100ms/div 时，可以捕获到 1613 帧 SPI 数据，满足测试要求。在调整时基时，持续观察 SPI 的解码显示，但是始终没有解码错误，并且将解码后数据保存为 excel 文件，逐步比对也没有发现问题。这说明 RTO 示波器的总线测量功能一切正常，但是为什么会出现客户所说的总线解码错误的问题哪？图 4 选择正确的时基，显示上千帧 SPI 数据，且解码正确五 问题定位1 问题根因与客户交流，详细情况如下：1、所测试的 SPI 数据源正常，没有错误；2、当时基较小时，SPI 解码正确； 当
9、把时基调大到某一时刻，开始出现 SPI 解码错误；3、该客户所用的 SPI 数据，SCLK 为 26MHz。根据第 2 和第 3 点，我们立刻联想到了现代数字示波器的特点：默认时基和采样率存在关联，即增大时基，采样率减小。进而推测，客户为了捕捉更多的 SPI 数据，调大了时基，而忽略了采样率的减小，这样导致了 SPI 总线解码错误。利用现有测试环境，观察示波器采样率与解码状态的关系。调整采样率发现，当采样率大于200KSa/S 时，SPI 总线可以被正确解码；反之，则错误。由此可以判断，示波器的采样率至少是SCLK 时钟频率的两倍，SPI 总线才能被正确解码。而客户的 SPI 的 SCLK 频
10、率为 26MHz，调整时基的时候，采样率很有可能降到 52MHz 以下，导致了 SPI 解码错误。客户据此结论，调整采样率大于 52MHz，问题迎刃而解。图 5 175KSa/S 采样率：SPI 总线解码错误图 6 200kSa/S 采样率：SPI 总线解码正确2 理论分析根据奈奎斯特定律，信号采样速度至少是其最高频率成分的两倍。然而，这一定理假设记录的是长度无穷大并且时间连续的信号。由于没有一台示波器能够提供无穷大的记录长度，并且采集的数据头尾有可能是不连续的，所以采样率仅仅为最高频率成分的两倍通常是不够的。对于波形采样而言，我们要求过采样而不要欠采样。那么如何确保采样率是足够的呢？奈奎斯特
11、定律告诉我们，当采样率是被测信号的最高频率的两倍以上时，才能保证不失真地重构原始信号。但在实际中,我们无法直观地判别最高频率是多少。 推荐的一个有效方法是:对波形进行局部放大，判断被测试信号的上升沿是否有 35 个点。但是问题又来了，为什么对于 SPI 总线测量，当采样率刚好是 SCLK 频率两倍时，就能正确解码，而不需要对 SPI 数据采取更多的采样点哪？其实问题很好解释：由于是总线测试，只需测出信号的高低电平即可，不需要太多的信号细节（如信号毛刺，时钟边沿台阶）。 SCLK 为 100KHz，因此采样率为 200KSa/S，就能分别采样到SCLK 的高、低电平，进而还原出 SCLK 的边沿
12、，再利用 SCLK 的边沿就可以正确地分别读出 MOSI和 MISO 信号。 3 极限测试保证示波器时基为 100ms/div，增大采样率到 100MSa/s，保证存储深度达到 100MSa/每通道（存储深度极限），示波器的响应速度正常，用户体验度良好！由此，我们可以得出：在总线测量时，调大示波器的采样率，可以捕获感兴趣信号的更多细节，以便将示波器存储深度的优势发挥到极致。图 7 时基 100ms/div，采样率 100MSa/S，存储深度 100MSa（示波器最大存储深度）六 结论1、 捕获长时间信号时，建议将水平 reference Point、触发偏置 trigger offset 调到屏幕左方，如 10%。跟水平 reference Point、触发偏置 trigger offset 在屏幕中央相比，可以捕获更多的波形，时基也可以相对调小；2、 进行长时间信号测量时，建议关闭滚动模式；3、 总线测量，示波器采样率大于总线时钟信号频率的两倍，即可以正确解码。当然，采样率越大，捕获到的信号细节越多；4、 总线测量时，打开解码显示，有助于及时发现问题。
