Understanding serial protocols

Примеры последовательных протоколов

Последовательные протоколы используются в самых разных прикладных задачах. К трем основным последовательным протоколам, используемым для общих задач, относятся UART, I²C и SPI.

Особую категорию последовательных протоколов составляют протоколы, используемые в автомобильной промышленности, такие как CAN, LIN и FlexRay. Эти протоколы были разработаны для удовлетворения высоких требований, существующих в транспортных средствах, таких как обеспечение надежной работы при смешивании низких и высоких скоростей передачи данных и в среде с высоким уровнем шумов.

Характеристики последовательных протоколов

Хотя детали реализации для разных протоколов различаются, все последовательные протоколы имеют четыре основные характеристики, которые также важны для анализа и декодирования последовательных данных:

• Уровни: какие напряжения используются для представления нулей или единиц
• Тактирование: с какой частотой передаются биты (битовый интервал)
• Кадрирование: как биты организованы в группы и роль каждого бита или группы битов
• Протокол: какими сообщениями идет обмен при различных обстоятельствах

Уровни

Прежде чем выполнять цифровое декодирование любого вида, нам нужно научиться различать единицы и нули. Другими словами, необходимо знать, какие значения битов какими уровнями напряжения определяются? Простой подход состоит в том, чтобы задать, что «низкое» напряжение соответствует нулю, а «высокое» напряжение соответствует единице. Фактически, именно так работают некоторые последовательные протоколы.
Последовательные протоколы, используемые в сложных условиях, например в автомобильной сфере, часто используют дифференциальное напряжение, поскольку дифференциальные сигналы, как правило, более устойчивы к шуму. «Дифференциальный» означает, что 0 или 1 определяется разницей между двумя напряжениями, а не значением относительно уровня земли.

Примечание — Для таких измерений очень удобно использовать дифференциальные пробники.

Тактирование

Задания уровней напряжения «0» и «1» недостаточно, чтобы определить принимаемые биты. Важно также понимать, с какой скоростью генерируются биты, или, другими словами, что такое «битовый интервал» или «битовая скорость».
Для декодирования последовательных данных приемник или прибор должны использовать ту же скорость передачи данных, что и передатчик.

Кадрирование

Последовательные протоколы обычно организуют биты в так называемые кадры (фреймы). Отдельные биты или группы битов в кадре имеют определенное значение. Чтобы правильно декодировать кадры, необходимо знать эту структуру.
Например, при декодировании последовательного протокола UART важно знать, что состоянию ожидания линии соответствует высокий уровень напряжения. Переход от высокого уровня к низкому — это «стартовый бит», указывающий на начало кадра. Кроме того, необходимо понимать, сколько битов данных нужно считать, а также тот факт, что есть стоповый бит уровня высокого напряжения, который завершает кадр с последующим возвратом в состояние ожидания. Зная структуру кадра, из последовательного потока битов можно извлечь пользовательские данные, а также получить другую информацию о передаче.

Протокол

Последний учитываемый аспект можно назвать «протоколом». Общее определение протокола — набор правил для кодирования и обмена информацией. Могут существовать правила того, как и когда передаются данные, а также типы и значения сообщений, которыми обмениваются конечные точки.
В простом протоколе данные передаются, как только они становятся доступными, независимо от того, готов ли приемник к их получению или нет. В более сложном протоколе может использоваться некоторый механизм для запроса разрешения перед передачей данных. Еще более сложный протокол предполагает, что отправитель будет ожидать явного подтверждения того, что данные были правильно получены, прежде чем передавать дополнительные данные или повторно передавать отсутствующие или ошибочные данные.

Декодирование последовательных протоколов

В прошлом последовательные протоколы обычно декодировались с помощью специальных тестеров протоколов. Сегодня наиболее распространенным способом декодирования является использование современного цифрового запоминающего осциллографа с одним или несколькими каналами. После выбора интересующего последовательного протокола уровни, тактирование и кадрирование должны быть настроены в соответствии с анализируемым последовательным сигналом. Используя эту информацию, осциллограф выдает результаты в виде исходных уровней напряжения, обнаруженных битов и кадров, содержимое которых может отображаться в двоичном, шестнадцатеричном или ASCII формате. Последовательное декодирование на осциллографах также часто включает в себя дополнительные функции, такие как запуск по определенным символам в кадре, присвоение удобочитаемых меток пользовательским шаблонам и экспорт данных.