原创 了解ISP布线

了解ISP布线

随着当前在线烧录协议高比特率的逐步发展，工程师们必须考虑到烧录器与烧录/测试设备之间的具体接线。

接线越短，信号传输速度越高

在线烧录 (ISP) 正在成为小型和大型原始设备供应商/电子制造服务商们的首选烧录方案。由于每家半导体制造商均推出其自有的烧录协议，每个器件家族拥有其独有的烧录接口。尽管如此，在这几年里，烧录典型的器件所需的接线数量已经减少了。现代器件只需要极少数的引脚进行烧录，在某些情况下，只需一根线（图一）。

图一

与此同时，非易失性存储器存储容量在迅速地增长（图二）。

图二

为了保持较短的烧录时间，ISP接线必须对应保持较高的通讯比特率，为了满足这一要求，烧录/测试设备内部的ISP接线布线必须谨慎考虑。

治具布线

通常情况下，自动测试设备(ATE)对放在客制化的、指定单元的测试治具内的待测物(UUT)进行参数和功能测试。这台测试治具连接几组ATE控制线到不同的待测物测试点，此台治具也同样用于对待测物上的目标器件（或待烧录器件）进行在线烧录。在线烧录通常在零件参数测试后、功能测试前进行。多连板烧录增加了治具内布线的复杂性，数百个针点也并不罕见（图三）。

图三

虽然电路板测试需要的连接线绝大多数都是低速传输线，但是用于烧录的布线必须作为现代ISP的高速传输加以考虑。

ISP布线问题

导致ISP布线问题的最重要的因素之一是接线长度。通常（但是测试工程师们并不是都知道），保持ISP信号完整性始于降低接线长度至40-50cm。因此烧录器必须放置在离治具尽可能近的地方，最好在治具内。50cm限制不应被作为最大绝对值：长度由采用的ISP协议决定。异步通讯协议，如UART，允许稍长的接线，Freescale的BDM协议，则由于其高比特率和驱动特性，要求更短的布线。

在电气通讯领域一个重要的角色由传输线担当。由于大量的连接线和其连接类型（通常是绕线），治具布线采用典型的规格为AWG 20至30的单芯绝缘线。

由于几乎所有的可编程器件（串行存储器、微控制器等）具有单端特性，CMOS接线，市场上几乎所有的在线烧录器都具有单端特性，ISP接线采用CMOS驱动（图四）。

图四

这种传输方式比差分输入容易实现，但其排除共模干扰的能力较弱。烧录器和待烧录器件通常共用相同的接地，并且伴随着同时活跃的几路数字信号线，电噪声也随之增加到发送端和接收端，可能导致传输发生错误。图五显示共模干扰对信号的影响。

图五

另一个干扰源便是串扰现象，串扰在一个信号影响另一个附近信号时发生。通常是与最近的信号电容性耦合，但是其它形式的耦合和信号的进一步影响有时也很重要。图六显示治具内两个导体间产生的串扰的示例。

CH1信号被CH2信号影响，CH2信号边沿越陡，CH1线阻越高，串扰越强。ISP协议如I2C, ICC等，在通过开漏驱动获得高逻辑状态的地方，更容易遭受串扰。

为了降低串扰，应该在屏蔽信号（只有一端连接到地，通常在烧录器侧）与主信号布在一起的地方采用双绞线（也可选用同轴电缆），图七显示这样布线的好处，图八显示怎样实现双绞。

图八

高速信号

串扰影响会与现代在线烧录器产生互扰，为了达到如今ISP协议的较高比特率，工程师们采用高速信号端引线驱动。而为了帮助避开串扰，应该在治具针板上覆盖接地平面。此外，接地连接线应该多接几根，所有的烧录器接地线应该分别连接到治具的接地针点上，并且这些线应该互相连通，图九所示。

图九

阻抗匹配

阻抗匹配是可改善信号传送的另一个因素。传输线在当其阻抗特性(Zo)等于传送阻抗特性(ZoTX)和接收阻抗特性(ZoRX)时被称为是“匹配”。当传输匹配时，信号的反射和干扰均为零（图十）。

图十

在真实世界条件下，完美的阻抗匹配是不可能获取的。特别地，烧录器的输出阻抗(ZoTX)的典型值为几百欧姆，与此同时单片机的输入阻抗(ZoRX)通常在成百上千欧姆，被传输线钳制的待测物的外部电路可能会更糟。未匹配传输线示例，见图十一。

图十一

一个强负脉冲在信号上出现，一个加在信号和地之间的下拉电阻弱化了这个现象。一个390欧姆的电阻（根据经验推算）加在接触点和治具地平面之间，图十二显示下拉电阻的影响。

图十二

不管怎样，下拉电阻在传输端引出了一个很大的电流，电流值为I = 5V / 390Ohm = 13mA，这等同于CMOS接线的最大源电流。建议使用无感电阻，如碳膜电阻。

眼图

眼图可以用来评估传输线的质量。用一个示波器跨接在接收滤波器的输出端，然后调整示波器扫描周期，使示波器水平扫描周期与接收码元的周期同步，这时示波器屏幕上看到的图形就称为眼图。一个开眼模式相当于最小的信号失真，由于串扰干扰和噪声的信号波形的失真，出现作为封闭的眼图。图十三显示从SPI烧录协议MOSI信号脚捕获的眼图。

图十三

如果信号太长、太短、系统时钟不同步，太高、太低、太干扰，或变化太慢，或有太多负脉冲或过脉冲，都可以在眼图中观察到。虽然建议使用眼图分析来排除信号故障，但这不是强制的，在ISP过程中，传统的信号捕捉范围已足以评价设备连接的质量。