Analiza protokołów

Analiza protokołów to funkcja, którą producenci udostępniają w większości swoich najnowszych modeli oscyloskopów. Zwykle jest to jeden, czasami dwa podstawowe protokoły instalowane standardowo, pozostałe stanowią opcjonalne, płatne rozszerzenie. W oscyloskopie MSO2102A preinstalowany jest protokół magistrali równoległej („Parallel Decoding”).

Funkcja analizy protokołów nie wymaga wyposażenia oscyloskopu w analizator stanów logicznych, mimo że de facto badane są sygnały cyfrowe. Analizator protokołów jest narzędziem wirtualnym operującym na wszystkich fizycznych kanałach dostępnych w oscyloskopie, włącznie z dwoma kanałami analogowymi. Możliwość korzystania z kanałów cyfrowych ułatwia jednak pracę, szczególnie wtedy, gdy badany interfejs zawiera więcej niż dwie linie. Przykładem jest interfejs SPI, w którym można wprawdzie ograniczyć się do analizy linii SCLK i MOSI (lub MISO), ale dodatkowy podgląd linii CS (SS) w wielu przypadkach może ułatwiać na przykład ustawianie warunku wyzwalania (rys. 5).

Rys. 5. Analiza protokołu SPI z użyciem trzech kanałów cyfrowych

Po uruchomieniu analizatora protokołów przyciskiem Decode1 lub Decode2 należy wybrać rodzaj badanego interfejsu. Na liście pojawiają się tylko te pozycje, dla których odpowiednie opcje są zainstalowane w oscyloskopie. Rigol oferuje obsługę protokołów: parallel, RS232, I2C, SPI i CAN (rys. 6). Teoretycznie możliwa jest analiza dwóch interfejsów, jednak w przypadku interfejsu np. SPI dekodowana jest tylko jedna z dwóch linii danych (MOSI lub MISO). W tym przypadku pełna analiza interfejsu, a więc linii SS (CS), SCLK, MOSI i MISO wymaga uruchomienia obydwu dostępnych funkcji dekodujących.

Rys. 6. Menu wyboru protokołu

Z opcjami analizy protokołów związane są dwa zagadnienia:

• dekodowanie danych przesyłanych wybranym interfejsem,
• udostępnienie charakterystycznych dla danego interfejsu zdarzeń w menu wyzwalania.

Bardzo często ilość informacji przesyłanych interfejsem jest tak duża, że uchwycenie konkretnego fragmentu transmisji bywa trudne. Pomóc w tym mają dodatkowe opcje wyzwalania zawarte w menu „TRIGGER”. Na rys. 7 przedstawiono zdarzenia wyzwalające dla protokołu RS232. Analogiczne rozszerzenia tego menu dodawane są też dla pozostałych protokołów.

Rys. 7. Opcje wyzwalania dla analizy protokołu RS232

Po zadeklarowaniu rodzaju protokołu i zdefiniowaniu jego parametrów, np. takich jak: długość ramki, organizacja bitów w ramce, zbocza strobujące impulsów itp., analizator w czasie rzeczywistym dekoduje informacje przesyłane interfejsem i wyświetla je w postaci graficznej lub tabelarycznej na ekranie. Skuteczność i poprawność działania analizatora może zależeć od długości rekordu. Opcja automatycznego dobierania tego parametru będzie zwykle najlepsza.

Rekord akwizycji

Zakup opcji analizy protokołów może stanowić pretekst do inwestycji, niejako przy okazji, w rozbudowę pamięci. Standardowy rekord dla kanałów analogowych ma długość 14 Mpunktów (jest on współdzielony na dwa kanały). Zakupując opcję MEM-DS2000A można go wydłużyć do 56 Mpunktów. Dłuższy rekord to więcej danych zapisywanych w procesie akwizycji. Przy stałej podstawie czasu oznacza to również możliwość zwiększenia szybkości próbkowania. Długość rekordu dla kanałów analogowych jest ustalana przez użytkownika, ale może on przerzucić ten obowiązek na automat, przyjmując że parametry zostaną dobrane optymalnie. Maksymalna długość rekordu jest oczywiście ograniczona ilością zainstalowanej w oscyloskopie pamięci. Trochę inaczej przebiega podział pamięci dla kanałów cyfrowych. Użytkownik nie ma możliwości bezpośredniego określania długości rekordu kanału cyfrowego. Ustawiając parametry rekordu dla kanału analogowego następuje automatyczne przypisanie parametrów kanałom cyfrowym, co przedstawiono w tab. 1.

Tab. 1. Możliwe długości rekordu akwizycji

Aby mieć pełną świadomość wykonywanych pomiarów trzeba pamiętać o pewnych ograniczeniach wynikających z korelacji parametrów charakteryzujący układ akwizycji. Są one opisane wzorem:

Długość rekordu [B] = szybkość próbkowania [Sa/s] * podstawa czasu [s/dz] * 14

Liczba 14 w powyższym wzorze wynika z szerokości ekranu oscyloskopu MSO2102A liczonej w działkach. Z prostego rachunku wynika jeden oczywisty, ale niemiły wniosek: dla ustalonej długości rekordu istnieje pewna graniczna podstawa czasu, po przekroczeniu której układ akwizycji musi zmniejszyć szybkość próbkowania. Gdyby to nie nastąpiło, dane nie mieściłyby się w rekordzie. Na przykład dla rekordu 14000 punktów i podstawy czasu 1 ms/dz próbkowanie nie może być szybsze niż 1 GSa/s, gdyż wymagałoby większej ilości pamięci. Wydłużenie rekordu do 56 Mpunktów pozwala przesunąć to ograniczenie do 2 ms/dz. Teraz dopiero przy podstawie czasu wolniejszej niż 2 ms/dz układ akwizycji musi zmniejszyć szybkość próbkowania.

Akwizycja

Wybór trybu pracy układu akwizycji jest uzależniony od charakteru pomiaru i rodzaju sygnału. Użytkownicy oscyloskopów Rigola niższych rodzin doskonale znają i potrafią stosować trzy tryby akwizycji: Normal, Average i Peak detect. Tryb Normal, jak wynika z nazwy, jest najbardziej naturalnym  trybem akwizycji. Sygnał jest próbkowany ze stałymi interwałami czasowymi określonymi przez długość rekordu i aktualną podstawę czasu. Zebrane w ten sposób próbki są bezpośrednio wykorzystywane do wykreślania oscylogramu. Fragmenty sygnału występujące między momentami próbkowania nie są w ogóle analizowane, a mogą zawierać istotne elementy przebiegu, np. zakłócenia typu glitch. Tak działający oscyloskop zupełnie nie nadawałby się do badania tego typu anomalii sygnału. Rozwiązaniem jest zastosowanie trybu Peak Detect. Zapis danych do rekordu akwizycji nadal musi przebiegać z tymi samymi interwałami czasowymi co w trybie Normal – długość rekordu pozostaje niezmienna. Aby więc możliwa była analiza sygnału z największą dokładnością układ akwizycji próbkuje sygnał z maksymalną dla danego oscyloskopu szybkością (2 GSa/s w oscyloskopie MSO2102A). Jednocześnie w każdym interwale zapisu do rekordu wyznaczana jest próbka maksymalna i minimalna, i te wartości dopiero tworzą rozmyty w pewnym sensie punkt w rekordzie. Na rys. 8a przedstawiono sygnał sinusoidalny zakłócany impulsami widocznymi na rys. 9, wyświetlany w trybie Normal. Impuls zakłócający jest wielokrotnie krótszy niż okres próbkowania, większość próbek nie trafia w niego. W efekcie, patrząc na oscylogram z rys. 8a można sądzić, że badany jest czysty sygnał sinusoidalny, zakłócenia są prawie niewidoczne. Jeśli jednak układ akwizycji zostanie przełączony w tryb Peak Detect, to pobieranie próbek następuje co 0,5 ns bez względu na podstawę czasu. Rekord akwizycji jest zapisywany natomiast co 50 ms, wynika to z podanej wcześniej zależności między długością rekordu, podstawą czasu i szybkością próbkowania (t=50 [ms/dz] * 14/14000). Zapisywane są wartości maksymalne i minimalne wyznaczone dla każdego 50-mikrosekundowego przedziału, co powoduje rozmycie wykresu pozwalające jednak zorientować się o występujących zakłóceniach (rys. 8b).

Rys. 8. Oscylogramy uzyskane w trybie: a) Normal, b) Peak Detect

Rys. 9. Impulsy zakłócające przebieg z rys. 8

W oscyloskopie MSO2102A są jeszcze dwa tryby akwizycji przydatne podczas pomiaru zaszumionych sygnałów. Jest to tryb Average, w którym do rekordu zapisywane są próbki uśrednione z kilku cykli akwizycji. W tym trybie wyraźnie daje się odczuć czas ustalania się oscylogramu, szczególnie wtedy, gdy wybrano dużą liczbę uśrednień. Drugim trybem uśredniającym jest High Res. Układ akwizycji pracuje w nim, podobnie jak w trybie Peak Detect, z maksymalną szybkością. Do rekordu jest natomiast zapisywana jedna uśredniona wartość obliczana w każdym cyklu akwizycji.