摘要：隨著云計(jì)算、高清視頻的出現(xiàn)，整個(gè)電子系統(tǒng)已經(jīng)邁入了大數(shù)據(jù)時(shí)代，需要大容量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和大數(shù)據(jù)傳輸。嵌入式電子系統(tǒng)如智能手機(jī)、汽車內(nèi)的電子控制單元不僅傾向于更加小型化，還需要具備強(qiáng)大的智能處理功能，整個(gè)系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜，總線類型繁多，高速數(shù)據(jù)線也更多。對(duì)于復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試和分析也將變得更加困難，一是系統(tǒng)的參數(shù)要求更加嚴(yán)格，二是涉及到的信號(hào)更多，混合有模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，需要盡可能的同時(shí)捕獲多路信號(hào)以便進(jìn)行對(duì)比分析。本文將介紹力科的新一代8通道、12bit ADC的高精度示波器HDO8000如何助力復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試與分析。

一、典型的嵌入式控制系統(tǒng)

下圖1所示為典型的電動(dòng)車電子控制單元(ECU)的架構(gòu)圖，包括有高控制復(fù)雜度的處理器，用于控制、連接及處理外圍設(shè)備;處理器外圍接口設(shè)備通常包括有串行信號(hào)接口(如SPI，I2C，UART，RS232，ENET，USB2，CAN總線等等);傳感器和驅(qū)動(dòng)器控制信號(hào);用于連接顯示設(shè)備的MOST或者LVDS總線;音頻總線I2S，SLIMBUS等;內(nèi)存控制總線SDRAM(現(xiàn)在的智能手機(jī)中包含有DDR，LPDDR等);還有電機(jī)的控制信號(hào)線等。

上述多種總線通常并存于一塊面積不大的系統(tǒng)中，且由同一個(gè)嵌入式處理器進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)的處理，因此各類信號(hào)之間的干擾也會(huì)變得更加嚴(yán)重。

圖1 典型的電動(dòng)車電子控制單元

三、復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)的主要測(cè)試內(nèi)容及難點(diǎn)

針對(duì)嵌入式系統(tǒng)的測(cè)試主要包括三個(gè)方面：一是電源紋波的測(cè)試分析;二是標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的一致性分析;三是整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試包括串?dāng)_分析。

1、電源紋波的測(cè)試分析

對(duì)于小型復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)如手機(jī)有一項(xiàng)重要性能指標(biāo)是電池充完一次電能夠使用多長(zhǎng)時(shí)間，而且嵌入式系統(tǒng)中也出現(xiàn)了達(dá)到幾Gbps的小幅差分高速串行信號(hào)(如下一代MIPI MPHY信號(hào)可以達(dá)到6Gbps)，所以系統(tǒng)的供電電壓也越來(lái)越低，如DDR3L的供電電壓為

1.35V，供電電壓越低，對(duì)電壓波動(dòng)即紋波的要求就越高。如下圖2 所示為某DDR 對(duì)電源紋波的要求，要求紋波小于1%1，及+/-15mv：

圖2 某DDR 對(duì)電源紋波的要求

對(duì)于如此嚴(yán)格的電源紋波測(cè)試要求，傳統(tǒng)的示波器測(cè)試將會(huì)帶來(lái)更大的誤差，原因是傳統(tǒng)示波器通常只有8 位ADC，量化誤差較大，且前端放大器具有更大的噪聲。

2、標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的一致性測(cè)試

對(duì)于一些標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)如以太網(wǎng)，USB 等，有專門的規(guī)范規(guī)定了需要的測(cè)試項(xiàng)目，由于測(cè)試項(xiàng)目數(shù)量多，靠工程師一項(xiàng)一項(xiàng)的進(jìn)行測(cè)試會(huì)非常耗費(fèi)時(shí)間，影響產(chǎn)品開(kāi)發(fā)進(jìn)度。

3、各類標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的聯(lián)合調(diào)試與分析

由于復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)中有多種不同標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)、電壓信號(hào)、電流信號(hào)并存于一塊非常緊湊的電路板上，因此相互間的串?dāng)_會(huì)大大增加，通常需要多個(gè)信號(hào)同時(shí)進(jìn)行測(cè)試才能更容易的通過(guò)對(duì)比分析找到可能的問(wèn)題。傳統(tǒng)的示波器通常只有4 個(gè)通道，有很多用戶會(huì)選擇使用兩臺(tái)示波器級(jí)聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)8 個(gè)通道，這樣的方式可以捕獲8 個(gè)信號(hào)，但是無(wú)法實(shí)現(xiàn)多通道級(jí)聯(lián)觸發(fā)、多個(gè)信號(hào)在同一個(gè)屏幕上顯示、多個(gè)信號(hào)同時(shí)進(jìn)行分析等。

四、力科的8 通道/12 位的高精度示波器HDO8000 助力嵌入式系統(tǒng)測(cè)試

力科(Teledyne LeCroy)的HDO8000 系列示波器具有8 個(gè)模擬通道、12 位ADC、1GHz帶寬、2.5GS/s、250MS 存儲(chǔ)深度、16 個(gè)數(shù)字通道、具有19 種串行觸發(fā)和解碼選項(xiàng)的高精度示波器HDO8000 系列。

8 個(gè)模擬通道和16 個(gè)數(shù)字通道可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)觀察和測(cè)量8 路模擬信號(hào)和16 路數(shù)字信號(hào)的能力，能夠快速的觀察和調(diào)試信號(hào)，分析多通道信號(hào)之間的串?dāng)_，這將特別適合于復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試與分析，解決了傳統(tǒng)示波器通道數(shù)不夠的問(wèn)題。

1GHz 帶寬、2.5GS/s 采樣率不僅可以完全包括電源系統(tǒng)的測(cè)試需求，而且能夠滿足功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的嵌入式控制信號(hào)的測(cè)試，如I2C，SPI，RS232，ENET，USB 等串行控制接口。

12 位ADC 能夠更加充分的觀察信號(hào)的細(xì)節(jié)和實(shí)現(xiàn)更加精確的測(cè)量，具有更大的量化等級(jí)數(shù)，更小的量化誤差，配合示波器低噪聲的前端放大器結(jié)構(gòu)，是復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)中小電壓電源紋波測(cè)試的理想選擇。

250MS 的存儲(chǔ)深度能夠捕獲足夠長(zhǎng)時(shí)間的低頻電源信號(hào)進(jìn)行充分的整體和細(xì)節(jié)的分析。

力科的8 通道高精度示波器下圖3 所示：

圖3 力科的8通道/12Bit示波器

下圖4左側(cè)上下兩幅圖所示為12位示波器的測(cè)試結(jié)果，右側(cè)上下兩幅圖所示為8位示波器的測(cè)試結(jié)果。從圖中可見(jiàn)，12bit示波器能夠更加清晰的觀察信號(hào)幅值區(qū)域以及波動(dòng)區(qū)域的細(xì)節(jié)，而8bit示波器卻出現(xiàn)明顯的量化誤差。

圖4 8bit&12bit示波器的測(cè)試對(duì)比

此外對(duì)于復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)的一致性測(cè)試和調(diào)試方面的難點(diǎn)，力科的HDO8000示波器也配置了相應(yīng)的工具為工程師實(shí)現(xiàn)更加高效的測(cè)試。

其一是一致性測(cè)試軟件QualiPHY，如下圖5所示，力科QualiPHY軟件包集成多種串行標(biāo)準(zhǔn)，包括ENET，USB2.0，USB3.0，PCI Express，DDR2 ，HDMI，DisplayPort，SATA，SAS，F(xiàn)B_DIMM，UWB;圖文并茂顯示測(cè)試連接設(shè)置和測(cè)試報(bào)文發(fā)送步驟;對(duì)參數(shù)測(cè)量結(jié)果自動(dòng)進(jìn)行合格判斷;自動(dòng)生成規(guī)范、全面、美觀的測(cè)試報(bào)。QualiPHY一致性測(cè)試軟件的核心價(jià)值是通過(guò)簡(jiǎn)化串行數(shù)據(jù)一致性測(cè)試過(guò)程，從而縮短了新產(chǎn)品的上市時(shí)間，有效降低了研發(fā)成本。

圖5 力科QualiPHY一致性測(cè)試軟件

其二是一系列的解碼和觸發(fā)分析軟件，解碼和觸發(fā)分析軟件有助于查找物理層或者協(xié)議層問(wèn)題導(dǎo)致的協(xié)議層錯(cuò)誤。如下圖6所示為I2C的解碼分析結(jié)果，力科的解碼軟件能夠?qū)?shù)據(jù)、地址等信息以不同顏色進(jìn)行顯示，解碼的結(jié)果信息直接疊加在波形上，同時(shí)以表格的方法進(jìn)行顯示，數(shù)據(jù)信息可以顯示為二進(jìn)制格式，十六進(jìn)制格式以及ASCII格式。通過(guò)協(xié)議層數(shù)據(jù)、地址或者其它控制信息的觸發(fā)，可以快速的捕獲到工程師希望的數(shù)據(jù)信息。

圖6 I2C總線的解碼分析