混合信号嵌入式设计的应用场景和挑战

混合信号嵌入式设计‌是指在嵌入式系统中同时处理模拟信号和数字信号的设计。这种设计在现代电子系统中非常常见，因为许多设备需要同时处理不同类型的信号。混合信号嵌入式设计的主要挑战包括解码串行通信协议、观察模拟和数字信号的交互等‌1。

混合信号嵌入式设计的应用场景和挑战

‌应用场景‌：混合信号嵌入式设计广泛应用于各种电子设备中，包括但不限于：

‌通信设备‌：如手机、无线通信设备等，需要处理射频信号和数字信号。

‌工业控制‌：如PLC(可编程逻辑控制器)、伺服控制系统等，需要处理模拟传感器信号和数字控制信号。

‌消费电子‌：如智能手表、智能家居设备等，需要集成多种传感器和处理多种信号。

‌挑战‌：

‌信号解码‌：如I2C和SPI等串行协议的解码，需要在混合信号设计中特别注意。

‌信号观察‌：观察模拟和数字信号的交互需要特殊的测试工具和方法，如混合信号示波器(MSO)‌1。

混合信号嵌入式设计的调试工具和方法

‌混合信号示波器(MSO)‌：MSO是一种将数字存储示波器和逻辑分析仪功能结合在一起的测试仪器。它可以在同一个显示器上显示模拟和数字波形，方便调试复杂的混合信号设计。MSO的主要优点包括操作简便和适用于多种信号的同时观测‌23。

‌调试方法‌：使用MSO进行调试时，工程师可以通过观察和分析模拟和数字信号的交互，调整电路设计，确保系统稳定运行。调试方法包括设置合适的触发条件、观察波形细节等‌23。

该混合信号嵌入式产品的核心是 Microchip PIC18F452-/PT 微控 制器，它使用内部的 16bit 指令集工作。由于这种特殊的 MCU 有内部总线结构和一个包括嵌入的模数转换器(ADC)，因此该 混合信号器件及相应的外围电路就成为用 MSO 设计和调试嵌入 式混合信号设计的极好例子。

这项设计的最终目标是依据各种模拟、数字和串行 I/O 输入条件， 产生各种长度、形状和幅度的模拟“chirp”输出信号(“chirp” 是包括特定周期数的 RF 脉冲模拟输出信号，在航天国防和汽车 应用中常遇到“chirp”信号)。MCU 同时检测如下三种输入， 以确定输出 chirp 信号的特性：

1. 用 MCU 上的一个并行数字 I/O 端口检测用户系统控制面板 的状态，从而确定所产生输出 chirp 信号的形状(正弦波、 三角波、方波)。

2. 通过 MCU 上的一个 ADC 输入检测加速度模拟输入传感器 的输出电平，从而确定所产生输出 chirp 信号的幅度。

3. 使用 MCU 上的专用 I2 C 串行 I/O 端口检测串行 I2 C 通信链 路的状态，从而确定输出 chirp 中产生的脉冲数。这一 I2 C 通信输入信号从该嵌入式设计中另一智能子系统部件产生。

根据模拟、数字和串行这三个输入状态，MCU 向外部 8bit DAC 连续输出并行信号，以生成各种幅度、形状和长度的模拟 chirp 信号。DAC 的未滤波阶梯波输出馈送至模拟低通滤波器，用以 平滑信号和降低噪声。这一模拟滤波器也为该输出信号引入预先 确定的相移量。最后，MCU 通过另一可用数字 I/O 端口产生并 行数字输出，以驱动提供系统状态信息的 LCD 显示。

图 1. 依据模拟、数字和串行 I/O 产生模拟“chirp”输出的混合信号嵌入式设计

在这项设计中，设计 / 编程 MCU 的第一步是，为 MCU 的 I/O 配置适当数量的模拟和数字 I/O 端口。嵌入式系统设计师要通盘 考虑 MicroChip 这种特殊微控制器中与数字 I/O 端口相配的模拟 I/O 数，以及与模拟 I/O 端口相配的数字 I/O 数。

在尝试编码 MCU，以检测各种输入和产生规定的最终输出信号 前，研制组决定首先开发该嵌入式设计某一部分 / 某项功能的测 试代码，在增加交互式的复杂性之前先验证它的正确工作和信 号完整性。所启用和调试的第一部分电路 / 第一项功能是外部的 DAC 输出和输入，以及模拟滤波器。为验证该电路和内部固件 的正确工作，我们最初把 MCU 编码为产生固定幅度的连续和重 复的正弦波，而不考虑输入控制 / 状态信号条件。

图 2. Keysight InfiniiVision 系列 MSO 捕获 MCU 控制 DAC 的并行数字输入和模拟输出

图 2示出 Keysight InfiniiVision 系列 MSO的屏幕图像，它捕获 至外部 DAC(MCU 数字 I/O 端口输出)的连续数字输入，以及 DAC 的阶梯波输出和经模拟滤波的输出。由于这些特定信号是 电平相对低的输出信号，仅使用 8bit DAC(最大 256 电平)的 16 个电平，我们能容易地在示波器显示上观察该转换器的阶梯 波输出特性(绿色迹线)。

把这一特定采集设置为当 DAC 输出到达其最高输出电平(屏幕 中央)时触发。传统示波器在这一特定点触发是不可能的，因为 示波器触发需要沿的跳变。为在输出信号的这一点相位处触发， 我们依据与外部 DAC 最高输出模拟电平相一致的数字输入信号， 建立简单的单电平码型触发条件。为在波形的这一精确点触发， 设计师送入并行二进制码型“1110 0110”。由于该 MSO 使用“时 间限定”码型触发，示波器始终在规定码型的开始处触发，而绝 不会在不稳定的跳变的条件处触发。

图 3. 使用模拟和数字码型触发的组合 , Keysight MSO 在 50% 渡越点触发

图 3 示出 MSO 把触发精确设置在 DAC 50% 输出电平点的触发 条件，除了模拟触发条件外，还使用在并行数字输入信号上的码 型触发。如前所述，并非所有 MSO 混合信号测量解决方案都允 许在模拟和数字条件上组合的混合信号触发。但由于在相同电平 (50% 上升电平和 50% 下降电平)上存在两个模拟输出条件， 要与上升或下降点的触发保持一致性，所需要的将不仅仅是在 8bit 输入码型上的码型触发。通过另外限定在模拟通道 1上的“低 (0)”电平(顶端的黄色迹线)，示波器就能使用模拟和数字 码型触发的组合，在所需要的相位上触发。注意，模拟信号在高 于模拟触发电平时被看作“高(1)”，在低于触发电平时被看 作“低(0)”。

图 3 中也示出对滤波输出信号的自动参数测量，包括相对未滤波 DAC 输出的幅度、频率和相移。

图 4. 传统示波器的沿触发不能同步特定长度的 chirp

在启用和验证了外部 DAC 和模拟滤波电路的正确工作后，该设 计启用过程的下一步是根据串行 I2 C 输入产生规定的非重复正弦 波脉冲(chirp)数。图 4 示出使用标准的示波器边沿触发，所 得到的不同长度 chirp 的重叠(无限余辉)。而传统示波器的沿 触发是不可能限定在规定长度 chirp 上触发的。

使用 I2 C 触发能力，Keysight MSO 示波器就能在特定串行输入条 件下同步它的采集，并指示 MCU 产生规定长度(脉冲数)的输 出 chirp。

图 5. 用 Keysight MSO 中的 I2C 触发和解码在 3 周期 chirp 上触发

图 5 描述了示波器使用在规定串行地址和数据内容上的 I2 C 触 发，在 3 周期 chirp 上触发的能力。数据通道 D14 和 D15 分别 定义为 I2 C 时钟和数据输入触发信号。实际上我们能把 16 个数 字通道及 2 个或 4 个示波器通道中的任何通道定义为对这样 2 个输入信号的串行触发。在监测串行输入和模拟输出信号的同时， D0-D7 设置为在“总线”叠加显示中检测外部 DAC 输入(MCU 输出)信号。

图 6. I2C 信号可通过时间相关形式查看，也可以通过上半部分表格解码的形式进行查看。

图 6图下半部示出了时间相关 I2 C 串行解码基线;而该图上半 部分也用表格形式显示了串行解码。 虽然图中没有示出，但可以把示波器的其他模拟通道设置为同时 检测和采集来自加速度传感器的模拟输入信号，以确定输出信号 的幅度。此外，未使用的 MSO 数字通道也可用于检测和或进一 步限定数控面板输入和 / 或 LCD 输出驱动器信号上的触发。

总结

混合信号示波器(MSO)是用于调试和验证今天许多 基于 MCU 和 DSP 混合信号设计正 常工作的新工具。MSO 在一台一体化的仪器上提供模拟和数字波形的时间相关显示，以 及所有模拟和数字通道的强大混合信号触发能力，因此能让设计师使用他们熟悉的、基于 示波器用户界面和使用方式的工具，更快地调试混合信号嵌入式设计。 今天市场上有着各式各样的 MSO 和综合性的混合信号测量工具，在做出购买决定前，一 定要仔细评估这些仪器的测量能力和可使用性。

您应特别关注混合信号示波器MSO如下七项特性：

1. MSO 的工作方式要像熟悉的示波器——而不是像逻辑分析仪。

2. MSO 应当具备示波器的全部测量能力，同时不会牺牲其他特性，例如自动定标，触 发释抑，无限余辉(适合模拟和数字通道)以及探头 / 通道偏移校正等。

3. MSO 要像示波器那样提供快的波形更新率，而不能像逻辑分析仪那样提供慢的更新率。

4. MSO 数字 / 逻辑通道采集系统的性能(采样率和探测带宽)要与示波器的模拟采集 系统性能相适配。

5. MSO 要能在模拟和数字通道上同时触发(混合信号触发)，具有精确的时间校准功能。

6. MSO 要能根据最小限定时间在码型上触发，从而避免在不稳定的跳变的切换条件上 触发。

7. MSO 要能提供基于实时模拟比较器技术的模拟和数字触发——而非会在重复波形上 产生显著触发抖动的基于波形样本的触发。

《Cypress PSoC设计指南系列:混合信号嵌入式设计实验指南》将唯一一个设计目标一一带温度补偿的风扇控制器，分成12节内容进行详细说明。前6节主要介绍了模拟电路的设计，内容包括：CPU和通用I/O、中断、脉冲宽度调制、三线风扇、转速计、全局输入、集成温度控制器、I2C串行接口。后6节介绍了数字电路的设计，内容包括：模拟地和DAC、比较器、调制、用热敏电阻测量温度、滤波器和系统集成。这些内容的介绍，紧紧围绕带温度补偿的风扇控制器展开，内容由浅入深，易于理解和掌握。