Serielle Protokolle verstehen

Beispiele für serielle Protokolle

Serielle Protokolle kommen bei einer breiten Palette an Applikationen zum Einsatz. Die drei wichtigsten seriellen Protokolle für den generischen Einsatz sind UAR, I²C und SPI..

Die in der Automobilindustrie verwendeten seriellen Protokolle wie CAN, LIund FlexRaybilden eine Sonderkategorie. Diese Protokolle wurden entwickelt, um die anspruchsvollen Anforderungen von Fahrzeugen zu meistern, beispielsweise die Sicherstellung eines zuverlässigen Betriebs sowohl bei niedrigen als auch hohen Geschwindigkeiten in einer verrauschten Umgebung.

Eigenschaften von seriellen Protokollen

Obgleich sich die Implementierungsdetails zwischen den Protokollen unterscheiden, weisen sämtliche seriellen Protokolle vier Basiseigenschaften auf, die auch für die Analyse und die Decodierung von seriellen Daten wichtig sind:

• Pegel: Wie werden Nullen und Einsen mit Hilfe von Spannungen repräsentiert
• Zeitverhalten: Wie oft werden Bits gesendet (Bitzeit)
• Rahmenbildung: Wie werden Bits in Gruppen organisiert und welche Rolle spielt jedes Bit oder jede Gruppe von Bits
• Protokoll: Welche Nachrichten werden unter welchen Umständen ausgetauscht

Pegel

Vor jeglicher Art von digitaler Decodierung müssen wir in der Lage sein, zwischen Einsen und Nullen zu unterscheiden. Anders ausgedrückt: Wie werden die Bitwerte durch Spannungspegel bestimmt? Ein einfacher Ansatz wäre die Festlegung, dass eine „niedrige“ Spannung einer Null und eine „hohe“ Spannung einer Eins entspricht. Tatsächlich arbeiten einige serielle Protokolle auf diese Art und Weise.
Serielle Protokolle, die in anspruchsvollen Umfeldern wie dem Automotive-Bereich eingesetzt werden, nutzen oft eine Differenzspannung, da differenziell geführte Signale tendenziell eine höhere Störfestigkeit gegen Rauschen aufweisen. Differenziell bedeutet, dass eine 0 oder 1 auf Basis einer Differenz zwischen zwei Spannungen und nicht in Bezug auf Masse definiert ist.

Hinweis: Differenzielle Tastköpfe sind für diese Messungen äußerst hilfreich.

Zeitverhalten

Die Definition der Spannungspegel für „0“ und „1“ ist nicht ausreichend, um zu bestimmen, welche Bits empfangen werden. Darüber hinaus muss man unbedingt wissen, wie schnell die Bits erzeugt werden, anders ausgedrückt, welchen Wert „Bitzeit“ bzw. „Bitrate“ annehmen.
Um serielle Daten zu decodieren, muss der Empfänger oder das Messgerät dieselbe Bitrate wie der Sender aufweisen.

Rahmenbildung

Serielle Protokolle organisieren die Bits typischerweise in sogenannten Rahmen (Frames). Den einzelnen Bits oder Gruppen von Bits im Rahmen ist eine feste Bedeutung zugewiesen. Um Rahmen korrekt zu decodieren, muss man zu einem gewissen Grad mit dieser Struktur vertraut sein.
Beispielsweise ist es bei der Decodierung eines seriellen UART-Protokolls wichtig zu wissen, dass der Ruhezustand der Leitung durch einen hohen Spannungspegel repräsentiert wird. Ein Übergang von High zu Low steht für ein „Start Bit“, das den Beginn des Rahmens kennzeichnet. Zudem ist es erforderlich zu wissen, wie viele Datenbits gelesen werden müssen und dass am Ende des Rahmens ein Stoppbit mit einem hohen Spannungspegel steht, gefolgt von der Rückkehr in den Ruhezustand. Wenn man die Rahmenstruktur kennt, lassen sich die Nutzdaten aus dem seriellen Bitstrom extrahieren sowie weitere Informationen über die Übertragung ableiten.

Protokoll

Der letzte wichtige Aspekt ist das sogenannte „Protokoll“. Eine generische Definition für ein Protokoll ist eine Menge von Regeln für die Codierung und den Austausch von Informationen. Es können Regeln existieren, wie und wann Daten gesendet werden, sowie in Bezug auf die Typen und Bedeutungen von Nachrichten, die zwischen Endpunkten ausgetauscht werden.
Bei einem einfachen Protokoll würde das Senden von Daten sofort beginnen, sobald diese zur Verfügung stehen – ungeachtet davon, ob der Empfänger für den Datenempfang bereit ist oder nicht. Bei einem ausgeklügelteren Protokoll würde eine Art von Mechanismus existieren, um vor dem Senden der Daten um Erlaubnis zu fragen. Ist das Protokoll noch komplexer aufgebaut, würde der Sender auf eine explizite Bestätigung warten, dass die Daten korrekt empfangen wurden, bevor weitere Daten oder fehlende bzw. fehlerhafte Daten erneut gesendet werden.

Decodierung serieller Protokolle

Bislang wurden serielle Protokolle üblicherweise mit speziellen, dedizierten Protokolltestern decodiert. Heutzutage nutzt man fast immer ein modernes digitales Speicheroszilloskop mit einem oder mehreren Kanälen. Nach der Wahl des relevanten seriellen Protokolls müssen die Pegel, das Zeitverhalten und die Rahmenbildung passend zum analysierten seriellen Signal konfiguriert werden. Mithilfe dieser Informationen liefert das Oszilloskop Ergebnisse in Form von bloßen Spannungspegeln, detektierten Bits sowie Rahmen, deren Inhalt in Binär-, Hexadezimal- oder ASCII-Codierung angezeigt werden kann. Die serielle Decodierung an Oszilloskopen beinhaltet oftmals auch zusätzliche Funktionalität wie die Triggerung auf bestimmte Symbole innerhalb des Rahmens, die Zuweisung von durch Menschen lesbaren Labeln zu benutzerdefinierten Mustern sowie dem Datenexport.