混合信號嵌入式設(shè)計的應(yīng)用場景和挑戰(zhàn)

混合信號嵌入式設(shè)計?是指在嵌入式系統(tǒng)中同時處理模擬信號和數(shù)字信號的設(shè)計。這種設(shè)計在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中非常常見，因為許多設(shè)備需要同時處理不同類型的信號?；旌闲盘柷度胧皆O(shè)計的主要挑戰(zhàn)包括解碼串行通信協(xié)議、觀察模擬和數(shù)字信號的交互等?1。

混合信號嵌入式設(shè)計的應(yīng)用場景和挑戰(zhàn)

?應(yīng)用場景?：混合信號嵌入式設(shè)計廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中，包括但不限于：

?通信設(shè)備?：如手機、無線通信設(shè)備等，需要處理射頻信號和數(shù)字信號。

?工業(yè)控制?：如PLC(可編程邏輯控制器)、伺服控制系統(tǒng)等，需要處理模擬傳感器信號和數(shù)字控制信號。

?消費電子?：如智能手表、智能家居設(shè)備等，需要集成多種傳感器和處理多種信號。

?挑戰(zhàn)?：

?信號解碼?：如I2C和SPI等串行協(xié)議的解碼，需要在混合信號設(shè)計中特別注意。

?信號觀察?：觀察模擬和數(shù)字信號的交互需要特殊的測試工具和方法，如混合信號示波器(MSO)?1。

混合信號嵌入式設(shè)計的調(diào)試工具和方法

?混合信號示波器(MSO)?：MSO是一種將數(shù)字存儲示波器和邏輯分析儀功能結(jié)合在一起的測試儀器。它可以在同一個顯示器上顯示模擬和數(shù)字波形，方便調(diào)試復(fù)雜的混合信號設(shè)計。MSO的主要優(yōu)點包括操作簡便和適用于多種信號的同時觀測?23。

?調(diào)試方法?：使用MSO進行調(diào)試時，工程師可以通過觀察和分析模擬和數(shù)字信號的交互，調(diào)整電路設(shè)計，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行。調(diào)試方法包括設(shè)置合適的觸發(fā)條件、觀察波形細節(jié)等?23。

該混合信號嵌入式產(chǎn)品的核心是 Microchip PIC18F452-/PT 微控 制器，它使用內(nèi)部的 16bit 指令集工作。由于這種特殊的 MCU 有內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)和一個包括嵌入的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，因此該 混合信號器件及相應(yīng)的外圍電路就成為用 MSO 設(shè)計和調(diào)試嵌入 式混合信號設(shè)計的極好例子。

這項設(shè)計的最終目標是依據(jù)各種模擬、數(shù)字和串行 I/O 輸入條件， 產(chǎn)生各種長度、形狀和幅度的模擬“chirp”輸出信號(“chirp” 是包括特定周期數(shù)的 RF 脈沖模擬輸出信號，在航天國防和汽車 應(yīng)用中常遇到“chirp”信號)。MCU 同時檢測如下三種輸入， 以確定輸出 chirp 信號的特性：

1. 用 MCU 上的一個并行數(shù)字 I/O 端口檢測用戶系統(tǒng)控制面板 的狀態(tài)，從而確定所產(chǎn)生輸出 chirp 信號的形狀(正弦波、 三角波、方波)。

2. 通過 MCU 上的一個 ADC 輸入檢測加速度模擬輸入傳感器 的輸出電平，從而確定所產(chǎn)生輸出 chirp 信號的幅度。

3. 使用 MCU 上的專用 I2 C 串行 I/O 端口檢測串行 I2 C 通信鏈 路的狀態(tài)，從而確定輸出 chirp 中產(chǎn)生的脈沖數(shù)。這一 I2 C 通信輸入信號從該嵌入式設(shè)計中另一智能子系統(tǒng)部件產(chǎn)生。

根據(jù)模擬、數(shù)字和串行這三個輸入狀態(tài)，MCU 向外部 8bit DAC 連續(xù)輸出并行信號，以生成各種幅度、形狀和長度的模擬 chirp 信號。DAC 的未濾波階梯波輸出饋送至模擬低通濾波器，用以 平滑信號和降低噪聲。這一模擬濾波器也為該輸出信號引入預(yù)先 確定的相移量。最后，MCU 通過另一可用數(shù)字 I/O 端口產(chǎn)生并 行數(shù)字輸出，以驅(qū)動提供系統(tǒng)狀態(tài)信息的 LCD 顯示。

圖 1. 依據(jù)模擬、數(shù)字和串行 I/O 產(chǎn)生模擬“chirp”輸出的混合信號嵌入式設(shè)計

在這項設(shè)計中，設(shè)計 / 編程 MCU 的第一步是，為 MCU 的 I/O 配置適當數(shù)量的模擬和數(shù)字 I/O 端口。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計師要通盤 考慮 MicroChip 這種特殊微控制器中與數(shù)字 I/O 端口相配的模擬 I/O 數(shù)，以及與模擬 I/O 端口相配的數(shù)字 I/O 數(shù)。

在嘗試編碼 MCU，以檢測各種輸入和產(chǎn)生規(guī)定的最終輸出信號 前，研制組決定首先開發(fā)該嵌入式設(shè)計某一部分 / 某項功能的測 試代碼，在增加交互式的復(fù)雜性之前先驗證它的正確工作和信 號完整性。所啟用和調(diào)試的第一部分電路 / 第一項功能是外部的 DAC 輸出和輸入，以及模擬濾波器。為驗證該電路和內(nèi)部固件 的正確工作，我們最初把 MCU 編碼為產(chǎn)生固定幅度的連續(xù)和重 復(fù)的正弦波，而不考慮輸入控制 / 狀態(tài)信號條件。

圖 2. Keysight InfiniiVision 系列 MSO 捕獲 MCU 控制 DAC 的并行數(shù)字輸入和模擬輸出

圖 2示出 Keysight InfiniiVision 系列 MSO的屏幕圖像，它捕獲 至外部 DAC(MCU 數(shù)字 I/O 端口輸出)的連續(xù)數(shù)字輸入，以及 DAC 的階梯波輸出和經(jīng)模擬濾波的輸出。由于這些特定信號是 電平相對低的輸出信號，僅使用 8bit DAC(最大 256 電平)的 16 個電平，我們能容易地在示波器顯示上觀察該轉(zhuǎn)換器的階梯 波輸出特性(綠色跡線)。

把這一特定采集設(shè)置為當 DAC 輸出到達其最高輸出電平(屏幕 中央)時觸發(fā)。傳統(tǒng)示波器在這一特定點觸發(fā)是不可能的，因為 示波器觸發(fā)需要沿的跳變。為在輸出信號的這一點相位處觸發(fā)， 我們依據(jù)與外部 DAC 最高輸出模擬電平相一致的數(shù)字輸入信號， 建立簡單的單電平碼型觸發(fā)條件。為在波形的這一精確點觸發(fā)， 設(shè)計師送入并行二進制碼型“1110 0110”。由于該 MSO 使用“時 間限定”碼型觸發(fā)，示波器始終在規(guī)定碼型的開始處觸發(fā)，而絕 不會在不穩(wěn)定的跳變的條件處觸發(fā)。

圖 3. 使用模擬和數(shù)字碼型觸發(fā)的組合 , Keysight MSO 在 50% 渡越點觸發(fā)

圖 3 示出 MSO 把觸發(fā)精確設(shè)置在 DAC 50% 輸出電平點的觸發(fā) 條件，除了模擬觸發(fā)條件外，還使用在并行數(shù)字輸入信號上的碼 型觸發(fā)。如前所述，并非所有 MSO 混合信號測量解決方案都允 許在模擬和數(shù)字條件上組合的混合信號觸發(fā)。但由于在相同電平 (50% 上升電平和 50% 下降電平)上存在兩個模擬輸出條件， 要與上升或下降點的觸發(fā)保持一致性，所需要的將不僅僅是在 8bit 輸入碼型上的碼型觸發(fā)。通過另外限定在模擬通道 1上的“低 (0)”電平(頂端的黃色跡線)，示波器就能使用模擬和數(shù)字 碼型觸發(fā)的組合，在所需要的相位上觸發(fā)。注意，模擬信號在高 于模擬觸發(fā)電平時被看作“高(1)”，在低于觸發(fā)電平時被看 作“低(0)”。

圖 3 中也示出對濾波輸出信號的自動參數(shù)測量，包括相對未濾波 DAC 輸出的幅度、頻率和相移。

圖 4. 傳統(tǒng)示波器的沿觸發(fā)不能同步特定長度的 chirp

在啟用和驗證了外部 DAC 和模擬濾波電路的正確工作后，該設(shè) 計啟用過程的下一步是根據(jù)串行 I2 C 輸入產(chǎn)生規(guī)定的非重復(fù)正弦 波脈沖(chirp)數(shù)。圖 4 示出使用標準的示波器邊沿觸發(fā)，所 得到的不同長度 chirp 的重疊(無限余輝)。而傳統(tǒng)示波器的沿 觸發(fā)是不可能限定在規(guī)定長度 chirp 上觸發(fā)的。

使用 I2 C 觸發(fā)能力，Keysight MSO 示波器就能在特定串行輸入條 件下同步它的采集，并指示 MCU 產(chǎn)生規(guī)定長度(脈沖數(shù))的輸 出 chirp。

圖 5. 用 Keysight MSO 中的 I2C 觸發(fā)和解碼在 3 周期 chirp 上觸發(fā)

圖 5 描述了示波器使用在規(guī)定串行地址和數(shù)據(jù)內(nèi)容上的 I2 C 觸 發(fā)，在 3 周期 chirp 上觸發(fā)的能力。數(shù)據(jù)通道 D14 和 D15 分別 定義為 I2 C 時鐘和數(shù)據(jù)輸入觸發(fā)信號。實際上我們能把 16 個數(shù) 字通道及 2 個或 4 個示波器通道中的任何通道定義為對這樣 2 個輸入信號的串行觸發(fā)。在監(jiān)測串行輸入和模擬輸出信號的同時， D0-D7 設(shè)置為在“總線”疊加顯示中檢測外部 DAC 輸入(MCU 輸出)信號。

圖 6. I2C 信號可通過時間相關(guān)形式查看，也可以通過上半部分表格解碼的形式進行查看。

圖 6圖下半部示出了時間相關(guān) I2 C 串行解碼基線;而該圖上半 部分也用表格形式顯示了串行解碼。 雖然圖中沒有示出，但可以把示波器的其他模擬通道設(shè)置為同時 檢測和采集來自加速度傳感器的模擬輸入信號，以確定輸出信號 的幅度。此外，未使用的 MSO 數(shù)字通道也可用于檢測和或進一 步限定數(shù)控面板輸入和 / 或 LCD 輸出驅(qū)動器信號上的觸發(fā)。

總結(jié)

混合信號示波器(MSO)是用于調(diào)試和驗證今天許多 基于 MCU 和 DSP 混合信號設(shè)計正 常工作的新工具。MSO 在一臺一體化的儀器上提供模擬和數(shù)字波形的時間相關(guān)顯示，以 及所有模擬和數(shù)字通道的強大混合信號觸發(fā)能力，因此能讓設(shè)計師使用他們熟悉的、基于 示波器用戶界面和使用方式的工具，更快地調(diào)試混合信號嵌入式設(shè)計。 今天市場上有著各式各樣的 MSO 和綜合性的混合信號測量工具，在做出購買決定前，一 定要仔細評估這些儀器的測量能力和可使用性。

您應(yīng)特別關(guān)注混合信號示波器MSO如下七項特性：

1. MSO 的工作方式要像熟悉的示波器——而不是像邏輯分析儀。

2. MSO 應(yīng)當具備示波器的全部測量能力，同時不會犧牲其他特性，例如自動定標，觸 發(fā)釋抑，無限余輝(適合模擬和數(shù)字通道)以及探頭 / 通道偏移校正等。

3. MSO 要像示波器那樣提供快的波形更新率，而不能像邏輯分析儀那樣提供慢的更新率。

4. MSO 數(shù)字 / 邏輯通道采集系統(tǒng)的性能(采樣率和探測帶寬)要與示波器的模擬采集 系統(tǒng)性能相適配。

5. MSO 要能在模擬和數(shù)字通道上同時觸發(fā)(混合信號觸發(fā))，具有精確的時間校準功能。

6. MSO 要能根據(jù)最小限定時間在碼型上觸發(fā)，從而避免在不穩(wěn)定的跳變的切換條件上 觸發(fā)。

7. MSO 要能提供基于實時模擬比較器技術(shù)的模擬和數(shù)字觸發(fā)——而非會在重復(fù)波形上 產(chǎn)生顯著觸發(fā)抖動的基于波形樣本的觸發(fā)。

《Cypress PSoC設(shè)計指南系列:混合信號嵌入式設(shè)計實驗指南》將唯一一個設(shè)計目標一一帶溫度補償?shù)娘L扇控制器，分成12節(jié)內(nèi)容進行詳細說明。前6節(jié)主要介紹了模擬電路的設(shè)計，內(nèi)容包括：CPU和通用I/O、中斷、脈沖寬度調(diào)制、三線風扇、轉(zhuǎn)速計、全局輸入、集成溫度控制器、I2C串行接口。后6節(jié)介紹了數(shù)字電路的設(shè)計，內(nèi)容包括：模擬地和DAC、比較器、調(diào)制、用熱敏電阻測量溫度、濾波器和系統(tǒng)集成。這些內(nèi)容的介紹，緊緊圍繞帶溫度補償?shù)娘L扇控制器展開，內(nèi)容由淺入深，易于理解和掌握。