混合信號(hào)嵌入式設(shè)計(jì)?是指在嵌入式系統(tǒng)中同時(shí)處理模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中非常常見(jiàn)，因?yàn)樵S多設(shè)備需要同時(shí)處理不同類(lèi)型的信號(hào)?；旌闲盘?hào)嵌入式設(shè)計(jì)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(hào)的交互等?1。

混合信號(hào)嵌入式設(shè)計(jì)的應(yīng)用場(chǎng)景和挑戰(zhàn)

?應(yīng)用場(chǎng)景?：混合信號(hào)嵌入式設(shè)計(jì)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(jī)、無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備等，需要處理射頻信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。

?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(hào)和數(shù)字控制信號(hào)。

?消費(fèi)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(hào)。

?挑戰(zhàn)?：

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

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

混合信號(hào)嵌入式設(shè)計(jì)的調(diào)試工具和方法

?混合信號(hào)示波器(MSO)?：MSO是一種將數(shù)字存儲(chǔ)示波器和邏輯分析儀功能結(jié)合在一起的測(cè)試儀器。它可以在同一個(gè)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(hào)設(shè)計(jì)。MSO的主要優(yōu)點(diǎn)包括操作簡(jiǎn)便和適用于多種信號(hào)的同時(shí)觀測(cè)?23。

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

該混合信號(hào)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(xiàn)結(jié)構(gòu)和一個(gè)包括嵌入的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，因此該 混合信號(hào)器件及相應(yīng)的外圍電路就成為用 MSO 設(shè)計(jì)和調(diào)試嵌入 式混合信號(hào)設(shè)計(jì)的極好例子。

這項(xiàng)設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)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(zhǎng)度、形狀和幅度的模擬“chirp”輸出信號(hào)(“chirp” 是包括特定周期數(shù)的 RF 脈沖模擬輸出信號(hào)，在航天國(guó)防和汽車(chē) 應(yīng)用中常遇到“chirp”信號(hào))。MCU 同時(shí)檢測(cè)如下三種輸入， 以確定輸出 chirp 信號(hào)的特性：

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

2. 通過(guò) MCU 上的一個(gè) ADC 輸入檢測(cè)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(hào)的幅度。

3. 使用 MCU 上的專(zhuān)用 I2 C 串行 I/O 端口檢測(cè)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(hào)從該嵌入式設(shè)計(jì)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(gè)輸入狀態(tài)，MCU 向外部 8bit DAC 連續(xù)輸出并行信號(hào)，以生成各種幅度、形狀和長(zhǎng)度的模擬 chirp 信號(hào)。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(hào)和降低噪聲。這一模擬濾波器也為該輸出信號(hào)引入預(yù)先 確定的相移量。最后，MCU 通過(guò)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(dòng)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(hào)嵌入式設(shè)計(jì)

在這項(xiàng)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì) / 編程 MCU 的第一步是，為 MCU 的 I/O 配置適當(dāng)數(shù)量的模擬和數(shù)字 I/O 端口。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)師要通盤(pán) 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(cè)各種輸入和產(chǎn)生規(guī)定的最終輸出信號(hào) 前，研制組決定首先開(kāi)發(fā)該嵌入式設(shè)計(jì)某一部分 / 某項(xiàng)功能的測(cè) 試代碼，在增加交互式的復(fù)雜性之前先驗(yàn)證它的正確工作和信 號(hào)完整性。所啟用和調(diào)試的第一部分電路 / 第一項(xiàng)功能是外部的 DAC 輸出和輸入，以及模擬濾波器。為驗(yàn)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(hào)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(hào)是 電平相對(duì)低的輸出信號(hào)，僅使用 8bit DAC(最大 256 電平)的 16 個(gè)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(xiàn))。

把這一特定采集設(shè)置為當(dāng) DAC 輸出到達(dá)其最高輸出電平(屏幕 中央)時(shí)觸發(fā)。傳統(tǒng)示波器在這一特定點(diǎn)觸發(fā)是不可能的，因?yàn)? 示波器觸發(fā)需要沿的跳變。為在輸出信號(hào)的這一點(diǎn)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(hào)， 建立簡(jiǎn)單的單電平碼型觸發(fā)條件。為在波形的這一精確點(diǎn)觸發(fā)， 設(shè)計(jì)師送入并行二進(jìn)制碼型“1110 0110”。由于該 MSO 使用“時(shí) 間限定”碼型觸發(fā)，示波器始終在規(guī)定碼型的開(kāi)始處觸發(fā)，而絕 不會(huì)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(diǎn)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(diǎn)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(hào)上的碼 型觸發(fā)。如前所述，并非所有 MSO 混合信號(hào)測(cè)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(hào)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(gè)模擬輸出條件， 要與上升或下降點(diǎn)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(guò)另外限定在模擬通道 1上的“低 (0)”電平(頂端的黃色跡線(xiàn))，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(hào)在高 于模擬觸發(fā)電平時(shí)被看作“高(1)”，在低于觸發(fā)電平時(shí)被看 作“低(0)”。

圖 3 中也示出對(duì)濾波輸出信號(hào)的自動(dòng)參數(shù)測(cè)量，包括相對(duì)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(zhǎng)度的 chirp

在啟用和驗(yàn)證了外部 DAC 和模擬濾波電路的正確工作后，該設(shè) 計(jì)啟用過(guò)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(biāo)準(zhǔn)的示波器邊沿觸發(fā)，所 得到的不同長(zhǎng)度 chirp 的重疊(無(wú)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(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)鐘和數(shù)據(jù)輸入觸發(fā)信號(hào)。實(shí)際上我們能把 16 個(gè)數(shù) 字通道及 2 個(gè)或 4 個(gè)示波器通道中的任何通道定義為對(duì)這樣 2 個(gè)輸入信號(hào)的串行觸發(fā)。在監(jiān)測(cè)串行輸入和模擬輸出信號(hào)的同時(shí)， D0-D7 設(shè)置為在“總線(xiàn)”疊加顯示中檢測(cè)外部 DAC 輸入(MCU 輸出)信號(hào)。

圖 6. I2C 信號(hào)可通過(guò)時(shí)間相關(guān)形式查看，也可以通過(guò)上半部分表格解碼的形式進(jìn)行查看。

圖 6圖下半部示出了時(shí)間相關(guān) I2 C 串行解碼基線(xiàn);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(méi)有示出，但可以把示波器的其他模擬通道設(shè)置為同時(shí) 檢測(cè)和采集來(lái)自加速度傳感器的模擬輸入信號(hào)，以確定輸出信號(hào) 的幅度。此外，未使用的 MSO 數(shù)字通道也可用于檢測(cè)和或進(jìn)一 步限定數(shù)控面板輸入和 / 或 LCD 輸出驅(qū)動(dòng)器信號(hào)上的觸發(fā)。

總結(jié)

混合信號(hào)示波器(MSO)是用于調(diào)試和驗(yàn)證今天許多 基于 MCU 和 DSP 混合信號(hào)設(shè)計(jì)正 常工作的新工具。MSO 在一臺(tái)一體化的儀器上提供模擬和數(shù)字波形的時(shí)間相關(guān)顯示，以 及所有模擬和數(shù)字通道的強(qiáng)大混合信號(hào)觸發(fā)能力，因此能讓設(shè)計(jì)師使用他們熟悉的、基于 示波器用戶(hù)界面和使用方式的工具，更快地調(diào)試混合信號(hào)嵌入式設(shè)計(jì)。 今天市場(chǎng)上有著各式各樣的 MSO 和綜合性的混合信號(hào)測(cè)量工具，在做出購(gòu)買(mǎi)決定前，一 定要仔細(xì)評(píng)估這些儀器的測(cè)量能力和可使用性。

您應(yīng)特別關(guān)注混合信號(hào)示波器MSO如下七項(xiàng)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(dāng)具備示波器的全部測(cè)量能力，同時(shí)不會(huì)犧牲其他特性，例如自動(dòng)定標(biāo)，觸 發(fā)釋抑，無(wú)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(cè)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(shí)觸發(fā)(混合信號(hào)觸發(fā))，具有精確的時(shí)間校準(zhǔn)功能。

6. MSO 要能根據(jù)最小限定時(shí)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(shí)時(shí)模擬比較器技術(shù)的模擬和數(shù)字觸發(fā)——而非會(huì)在重復(fù)波形上 產(chǎn)生顯著觸發(fā)抖動(dòng)的基于波形樣本的觸發(fā)。

《Cypress PSoC設(shè)計(jì)指南系列:混合信號(hào)嵌入式設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)指南》將唯一一個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)一一帶溫度補(bǔ)償?shù)娘L(fēng)扇控制器，分成12節(jié)內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。前6節(jié)主要介紹了模擬電路的設(shè)計(jì)，內(nèi)容包括：CPU和通用I/O、中斷、脈沖寬度調(diào)制、三線(xiàn)風(fēng)扇、轉(zhuǎn)速計(jì)、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(jì)，內(nèi)容包括：模擬地和DAC、比較器、調(diào)制、用熱敏電阻測(cè)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(bǔ)償?shù)娘L(fēng)扇控制器展開(kāi)，內(nèi)容由淺入深，易于理解和掌握。