Die erste Art des erweiterten Testens von seriellen Datengeräten, die in diesem Dokument diskutiert wird, ermöglicht es dem Benutzer, die Latenzzeit zwischen einem bestimmten digitalen Paket und einem analogen Signal oder zwischen der Flanke eines analogen Signals und dem Beginn eines bestimmten digitalen Pakets zu charakterisieren . Die zweite und fortschrittlichste Methode, um ein tieferes Verständnis der Aktionen eines Geräts zu erhalten, das von einem langsamen seriellen Datenbus überwacht oder gesteuert wird, besteht darin, die Werte eines seriellen Datenstroms als Wellenform anzuzeigen. Im Wesentlichen wird das Oszilloskop zu einem Digital-Analog-Wandler (DAQ). Die in einem seriellen Datenstrom enthaltenen langen Zahlenfolgen können als Wellenform angezeigt werden, um einen Einblick in die Geräteleistung zu geben.

Charakterisierung der Zeit zwischen einer digitalen Nachricht und einem analogen Signal

Bei den unterschiedlichsten Anwendungen geht es um die Umwandlung von analogen Signalen in eine Zahlenfolge oder umgekehrt. Beispielsweise erzeugt die Stimme eines Sängers oder das Klimpern einer Gitarrensaite Klangwellenformen, die als eine Reihe digitaler Zahlen auf einem CD- oder MP3-Player aufgezeichnet werden können. Ebenso können die digitalen Zahlenreihen im MP3-Speicher in Klangwellenformen rückverwandelt werden. Oder der sich ändernde Druck eines Fußes auf eine Autobremse kann ein analoges Signal erzeugen, das eine Reihe digitaler Zahlen an die elektronischen Bremsen sendet und so die Geschwindigkeitsabnahme eines Fahrzeugs steuert. Ingenieure, die solche Systeme entwerfen, müssen sicherstellen, dass die Umwandlung von analog zu digital – oder digital zu analog – korrekt und mit einer gut kontrollierten Latenzzeit zwischen den analogen und digitalen Informationen erfolgt. Niemand möchte ein Soundsystem, bei dem die Töne um einen halben Ton versetzt sind (falsche Information) oder bei dem die Zeitverzögerung der Konvertierung uneinheitlich ist (einige Töne sind gegenüber anderen verzögert). Noch schlimmer wäre ein Bremssystem, bei dem die Wirkung der elektronischen Bremsen nicht dem entspricht, was der Fahrer erwartet, wenn sein Fuß auf das Pedal tritt.

Abbildung 1 zeigt ein Beispiel einer Messung in einem CANbus (Controller Area Network)-System. Dabei misst ein Oszilloskop die Zeit zwischen einem bestimmten CAN-Datenpaket und der Flanke eines bestimmten analogen Signals. Der Parameter P1 (Deltazeit auf Ebene CAN zu Analog) misst die Latenzzeit zwischen den digitalen Daten und der analogen Flanke. Diese Latenzzeit soll weniger als 1.33 Millisekunden betragen. Zur Überwachung dieser Eigenschaft des Systems wurde ein Pass/Fail-Test eingerichtet. Von 371 Messungen haben 370 die Spezifikation bestanden und eine ist fehlgeschlagen. Die fehlerhaften Wellenformen (sowohl das digitale Datenpaket als auch die analoge Flanke) werden oben auf dem Bildschirm angezeigt. In diesem Fall betrug die Latenzzeit 1.3316 ms. Dies sind sehr nützliche Informationen für den Konstrukteur. Vielleicht noch nützlicher ist das Histogramm der 371 Messungen. Das Balkendiagramm in der Mitte des Oszilloskopbildschirms zeigt die Verteilung der Werte von P1 (der Zeitlatenz) für alle Messungen. Der Techniker kann sehen, dass es einen langen Schwanz von Ereignissen gibt, die zu kürzeren Latenzzeiten hin abfallen (niedrige Werte befinden sich auf der linken Seite des Histogramms) und einen schärferen Schwanz von Ereignissen, bei denen die Latenz länger als der Durchschnitt war. Das erste, was ein Oszilloskopbenutzer aus dem Histogramm der Latenzzeiten schließen könnte, ist, dass 371 Messungen nicht ausreichen, um den schlimmsten Fall zu charakterisieren. Ein größeres Ensemble statistischer Daten würde mehr Vertrauen in die Angabe der Worst-Case-Leistung geben. Der Benutzer kann möglicherweise auch eine Aussage über die Konformität des Designs mit der Spezifikation machen. Wenn es erforderlich ist, dass die verstrichene Zeit zwischen dem digitalen CAN-Signal und dem analogen Signal weniger als 1.33 ms beträgt, dann versagt das derzeitige Design. Andererseits ist die Industriespezifikation vielleicht 2.0 ms und der Ingenieur hat diesen Test lediglich mit dem Schwellenwert von 1.33 ms eingerichtet, um zu sehen, wie viel Spielraum verfügbar war. In diesem Fall ist das Design wahrscheinlich in Ordnung (aber mehr Daten sollten beobachtet werden, bevor eine Schlussfolgerung gezogen wird).

Abbildung 1:

Oben zeigt der CAN-Trace ein digitales Datenpaket, gefolgt von einer steigenden Flanke auf Kanal 3 des Oszilloskops. Parameter 1 (P1 unten links) misst die verstrichene Zeit zwischen dem Paket und der Kante. Das Histogramm stellt die Ergebnisse von 371 Messungen grafisch dar. Pass/Fail zählt, wie oft P1 weniger als 1.33 ms war

Abbildung 1 zeigt eine Messung der verstrichenen Zeit von einem Datenpaket bis zur Flanke eines analogen Signals. Dies wird als „Message-to-Analog“-Timing bezeichnet. Genauso kann der Benutzer eines LeCroy-Oszilloskops auch „Analog to Message“-Timing oder „Message to Message“ messen. In allen Fällen spezifiziert der Benutzer ein bestimmtes analoges Signal und eine bestimmte Art von digitaler Nachricht. Für das Message-to-Message-Timing können sich die beiden Nachrichten auf demselben digitalen Signal oder auf zwei verschiedenen Signalen befinden (sie können sogar zwei verschiedene Protokolle sein). Natürlich ist es auch möglich, die Zeiten zwischen zwei analogen Flanken zu messen – entweder zwei Flanken auf demselben Signal oder zwei Flanken auf zwei verschiedenen Signalen. Zusätzlich ist es möglich, dem Oszilloskop einen Parameter zuzuweisen, um die verschiedenen Zeiten zu messen (und auf Wunsch ein Histogramm zu zeichnen), zu denen eine bestimmte Nachricht erscheint (Time at Message).

Manchmal ist das genaue Timing einer Nachricht auf dem Bus nicht so wichtig wie die Kenntnis der Nachrichtenlast auf dem Bus oder ihrer Bitrate. Für diese Anwendungen geben Busstatusmessungen wie Buslast, Nachrichtenbitrate und Anzahl der Nachrichten einen Gesamtstatus des Dekodierungsprotokolls, damit der Techniker weiß, ob der Bus überlastet ist, und um zu überprüfen, ob die Bitrate den Erwartungen entspricht.

Darstellung serieller Datenströme als Wellenformen

Digitale Oszilloskope sind sehr gut darin, eine Reihe von Zahlen über der Zeit darzustellen. Am häufigsten betrachtet der Benutzer des Oszilloskops Wellenformen, die die Spannung über der Zeit darstellen – die Form eines elektronischen Signals. In Systemen, in denen ein Ingenieur die Leistung eines Geräts charakterisieren muss, das über einen seriellen Datenbus mit niedriger Geschwindigkeit überwacht oder gesteuert wird, kann es sinnvoller sein, eine andere Reihe von Zahlen zu betrachten – nicht die Spannung. Abbildung 2 zeigt die Erfassung und Dekodierung eines Datenpakets. Der Benutzer kann die Paket-ID und die Anzahl der Datenbytes leicht lesen (3)

Abbildung 2:

Ein digitales Datenpaket wird dekodiert – oben in Hex-Werte und unten in physikalische Einheiten

und Wert des CRC. Er kann auch die Hex-Werte der Datenbytes lesen. Diese werden über die Wellenform des elektronischen Signals geschrieben. Geht man noch einen Schritt weiter, kann das Oszilloskop dem Benutzer die physikalischen Werte mitteilen, denen diese Datenbytes entsprechen – geschrieben im Klartext unter der Spannungs-Zeit-Wellenform. In Bild 2 überwachen die Datenwerte das Kühlmittel in einem Motor (Druck, Temperatur und Kühlmittelstand). Wenn Sie der für das Kühlmittelsystem verantwortliche Ingenieur wären, könnte es für Sie sehr nützlich sein, Wellenformen zu beobachten, die den Druck gegenüber der Zeit und die Temperatur gegenüber der Zeit darstellen. Wenn das Oszilloskop die Busleitung überwacht und alle Werte dekodiert, „kennt“ das Oszilloskop natürlich die Zahlen. Es geht einfach (!) darum, die Zahlenreihe gegen die Zeit grafisch darzustellen.

Abbildung 3 zeigt ein Beispiel für das Zeichnen einer Wellenform basierend auf den erfassten und dekodierten Werten eines seriellen Datenstroms. In diesem Fall stammt das serielle Datenprotokoll von einer Audioanwendung: I2S (Inter-IC-Ton). Beachten Sie, dass in der unteren rechten Ecke der Abbildung im Triggerfeld „I2S“ steht. Neben I2S Das Audiobus-Trigger-, Dekodierungs- und Grafikpaket von LeCroy unterstützt Left Justified (LJ), Right Justified (RJ) und TDM (Time Division Multiplex) codiert

Abbildung 3:

Eine Audioanwendung. Die seriellen Daten werden dekodiert. P1 und P2 sind Parameter, die die decodierten Werte messen. Die unteren beiden Kurven zeigen die Werte von P1 und P2 über der Zeit

Signale. In Abbildung 3 erfassen die Kanäle 1, 2 und 3 des Oszilloskops elektronische Signale, die gezoomt (um mehr Details zu sehen) und in der oberen Hälfte des Bildschirms angezeigt werden. Sie können die Dekodierung des seriellen Datensignals von Kanal 1 (Z1) oben auf dem Bildschirm sehen. Der Benutzer hat zwei Parameter, P1 und P2, eingestellt, die Werte aus dem seriellen Datenstrom messen. Die Werteverläufe von P1 und P2 über der Zeit werden in den unteren beiden Kurven in der unteren Hälfte des Bildschirms angezeigt.

Multidomänen-Signalanalyse

Bei der Charakterisierung eines Geräts ist es oft sinnvoll, die Leistung in mehreren Domänen zu untersuchen. In Abbildung 4 werden die beiden Seiten eines Differenzsignals von Kanal 2 und 3 des Oszilloskops erfasst. Diese beiden Spuren werden durch die mathematische Funktion F1 subtrahiert. Die Verwendung einer Differenzsonde würde ein genaueres Bild des Differenzsignals liefern, aber die hier gezeigte Technik ist angemessen, um die decodierten Werte des seriellen Datenstroms zu untersuchen. Der Datenstrom wird decodiert (obere Spur) und die aus dem seriellen Datenstrom extrahierten Werte werden als Wellenform im Zeitbereich betrachtet (2nd verfolgen). Dieser Trace ist ein Parametertrack der Werte von P1 (CAN to Value). Auf der Parameterspur (3rd Trace), um die Variation der Datenwerte im Frequenzbereich anzuzeigen. Es sollte betont werden, dass dies keine FFT des Spannungs-Zeit-Signals ist – sondern stattdessen eine Spektrumanalyse der Wellenform, die durch die Reihe digital dekodierter Werte im seriellen Datenstrom erzeugt wird. Schließlich wird ein Histogramm der Datenwerte in der unteren Spur angezeigt, um Informationen über die Geräteleistung im statistischen Bereich zu erhalten. Jede Ansicht gibt unterschiedliche Einblicke in die Produktleistung und kann zur Diagnose des Geräteverhaltens verwendet werden.

Abbildung 4:

Trace F1 ist die Differenz zwischen den Eingängen C2 und C3. Diese differentiellen seriellen Daten werden dekodiert und die Werte der Motordrehzahl in der zweiten Spur verfolgt. Die dritte Kurve ist eine FFT der RPM-Spur und die 4. Kurve ist ein Histogramm der RPM-Werte

Fig. 5 ist ein letztes Beispiel, das die Verwendung von Sensoren, die Dekodierung des seriellen Datenbusses und die Verfolgung der Werte von Parametern, die im seriellen Datenstrom transportiert werden, kombiniert. Die Sensoren an einem Lenkrad erfassen den Winkel, in den das Rad zeigt, und die Änderungsrate der Position des Rads. Diese beiden Datenwerte werden gemessen

Abbildung 5:

Eine lange Reihe von Datenpaketen wird erfasst, dekodiert und zwei Arten von Parametern werden als Wellenformen verfolgt. Sie sind die extrahierten Werte für den Lenkradwinkel und die Änderungsgeschwindigkeit des Lenkradwinkels

häufig und über einen seriellen Datenstrom übertragen. Der serielle Datenstrom wird vom Oszilloskop erfasst und dekodiert, das die Daten extrahiert und als Parametermessungen (P1 und P2) speichert. Der Ingenieur, der das Lenksystem entwirft/prüft, kann nun den Lenkradwinkel und seine Änderungsrate als Wellenformen auf dem Bildschirm des Oszilloskops anzeigen. Dies gibt ihm viel mehr Einblick, als er durch die Betrachtung der obersten Kurve erhalten würde, die einfach eine Reihe decodierter Zahlen zeigt.

Zusammenfassung

Die oben beschriebenen Messungen wurden mit den Optionen AudioBus, CANbus TD (Trigger, Decode) und PROTObus MAG (Measure, Analyze, Graph) erfasst. Obwohl für die WaveSurfer-Oszilloskope die Fähigkeit zum Triggern auf und Dekodieren von seriellen Datenbussen mit niedriger Geschwindigkeit verfügbar ist, wird für die Grafikfähigkeit ein leistungsfähigerer Prozessor benötigt, der in WaveRunner und LeCroy-Oszilloskopen mit höherer Bandbreite zu finden ist. Die Fähigkeit, eine Reihe von Zahlen aus einem seriellen Datenstrom zu dekodieren und diese Zahlen als Wellenform auf dem Oszilloskop darzustellen, ist einzigartig bei LeCroy. LeCroy war auch das erste Unternehmen (vor vielen Jahren), das die Verwendung von FFT zur Analyse von Oszilloskopsignalen im Frequenzbereich einführte, und das erste, das die Verwendung von Parameterhistogrammen für Erkenntnisse im statistischen Bereich einführte. All diese Methoden zur Charakterisierung serieller Datenströme und der an diese Busse angeschlossenen Geräte können äußerst nützlich sein.