嵌入式开发必备技能之逻辑分析仪抓取SPI信号

SPI协议基础

SPI（Serial Peripheral Interface）是一种同步串行通信接口，由摩托罗拉公司开发，广泛应用于嵌入式系统中连接微控制器与各种外设（如Flash存储器、传感器、显示模块等）。

1.1 SPI信号线

SPI总线通常包含以下四条信号线：

• SCLK (Serial Clock)：时钟信号，由主设备产生
• MOSI (Master Out Slave In)：主设备输出，从设备输入
• MISO (Master In Slave Out)：主设备输入，从设备输出
• SS/CS (Slave Select/Chip Select)：从设备选择信号（低电平有效）

1.2 SPI工作模式

SPI有四种工作模式，由时钟极性(CPOL)和时钟相位(CPHA)决定：

• 模式0：CPOL=0，CPHA=0（时钟空闲为低电平，数据在第一个边沿采样）
• 模式1：CPOL=0，CPHA=1（时钟空闲为低电平，数据在第二个边沿采样）
• 模式2：CPOL=1，CPHA=0（时钟空闲为高电平，数据在第一个边沿采样）
• 模式3：CPOL=1，CPHA=1（时钟空闲为高电平，数据在第二个边沿采样）

逻辑分析仪准备

2.1 选择合适的逻辑分析仪

对于SPI信号分析，建议选择：

• 至少4通道的逻辑分析仪（用于SCLK、MOSI、MISO、CS）
• 采样率至少为SPI时钟频率的4倍以上（推荐8-10倍）
• 支持SPI协议解码功能

常见选择：

• Saleae Logic系列
• DSLogic
• Kingst LA系列
• 国产Chipsee等

2.2 连接逻辑分析仪

1. 将逻辑分析仪通过USB连接到电脑
2. 安装相应的驱动和软件
3. 使用探针连接SPI信号线：
• 通道0 → SCLK
• 通道1 → MOSI
• 通道2 → MISO
• 通道3 → SS/CS
4. 确保接地良好（连接逻辑分析仪的地线到被测系统的地）

逻辑分析仪设置

以Saleae Logic软件为例：

3.1 基本设置

1. 打开Logic软件
2. 选择正确的设备
3. 设置采样率：根据SPI时钟频率选择，例如：
• 对于1MHz SPI时钟，选择8-10MHz采样率
4. 设置采样时间：根据通信持续时间选择，通常1-10秒足够

3.2 SPI协议分析器设置

1. 点击"Analyzers"标签
2. 添加"SPI"分析器
3. 配置通道映射：
• Clock → 选择SCLK对应的通道
• MISO → 选择MISO对应的通道
• MOSI → 选择MOSI对应的通道
• Enable → 选择CS对应的通道
4. 设置SPI模式：根据目标设备选择正确的CPOL和CPHA
5. 设置位顺序：通常为MSB First
6. 设置CS极性：通常为Active Low

抓取SPI信号

4.1 开始捕获

1. 确保所有连接正确
2. 点击"Start"按钮开始捕获
3. 触发目标设备进行SPI通信（如执行某个操作或运行测试程序）
4. 通信完成后点击"Stop"按钮停止捕获

4.2 捕获结果分析

捕获完成后，软件会显示：

• 原始波形：显示各信号线的电平变化
• 解码结果：以十六进制或二进制显示传输的数据
• 时序信息：显示每个比特或字节的传输时间

典型SPI数据帧显示格式：

时间戳 | MOSI数据 | MISO数据
0.001s | 0x9F    | 0x00
0.002s | 0x00    | 0xEF
0.003s | 0x00    | 0x40
...

常见问题与解决方法

5.1 无信号或信号不全

可能原因及解决方法：

1. 探头接触不良：重新连接探头，确保接触良好
2. 地线未连接：确保逻辑分析仪和被测试系统共地
3. 采样率不足：提高采样率
4. 触发条件设置不当：调整触发条件或使用手动触发

5.2 信号质量差

可能原因及解决方法：

1. 信号干扰：缩短探头线长度，使用屏蔽线
2. 信号幅度不足：检查信号电平是否符合逻辑分析仪要求
3. 阻抗不匹配：在长距离传输时考虑阻抗匹配

5.3 解码错误

可能原因及解决方法：

1. SPI模式设置错误：尝试不同的CPOL/CPHA组合
2. 位顺序设置错误：尝试MSB/LSB切换
3. CS极性设置错误：尝试Active High/Low切换
4. 时钟相位偏移：调整时钟采样位置（某些高级逻辑分析仪支持）

高级技巧

6.1 触发设置

利用高级触发功能捕获特定SPI通信：

• 边沿触发：在CS下降沿或上升沿触发
• 模式触发：当MOSI出现特定数据模式时触发
• 串行触发：当出现特定数据序列时触发

6.2 时序分析

利用逻辑分析仪测量：

• 时钟频率和占空比
• 建立时间和保持时间
• 字节/帧间隔时间
• CS激活到第一个时钟边沿的时间

6.3 长时间捕获

对于间歇性通信：

• 使用分段捕获模式
• 设置预触发缓冲
• 使用外部存储保存大量数据

实际案例

7.1 案例：读取SPI Flash ID

1. 连接逻辑分析仪到SPI Flash电路
2. 设置SPI模式为0（多数Flash使用模式0或3）
3. 捕获读取ID命令（通常为0x9F）
4. 分析返回的制造商ID、设备ID

典型捕获结果：

MOSI: 0x9F 0x00 0x00 0x00
MISO: 0x00 0xEF 0x40 0x18

表示制造商ID为0xEF，设备ID为0x4018

7.2 案例：SPI显示屏初始化

1. 捕获显示屏初始化序列
2. 分析命令和数据格式
3. 验证时序是否符合规格书要求

总结

使用逻辑分析仪抓取SPI信号是开发和调试嵌入式系统的重要技能。

通过正确设置逻辑分析仪参数、合理连接探头以及准确解读捕获结果，可以有效地分析SPI通信问题、验证协议实现正确性以及优化通信性能。掌握这些技巧将大大提高嵌入式开发的效率和质量。

记住，成功的SPI信号分析关键在于：

1. 正确理解SPI协议规范
2. 选择合适的逻辑分析仪和设置
3. 确保良好的物理连接
4. 耐心细致地分析捕获结果

随着实践经验的积累，您将能够快速诊断各种SPI通信问题，并深入理解设备间的交互过程。