2020年02月18日 | 技术文章—MIPI D-PHY物理层自动一致性测试

对低功耗高清显示器的需求，正推动着对高速串行总线的采用，特别是移动设备。MIPI D-PHY是一种标准总线，是为在应用处理器、摄像机和显示器之间传送数据而设计的。该标准得到了MIPI联盟的支持，MIPI联盟是由多家公司（主要来自移动设备行业）组成的协会。该标准由联盟成员使用，而一致性测试则在保证设备可靠运行及各厂商之间互操作方面发挥着重要作用。自动测试系统采用可靠的示波器和探头，帮助设计人员加快测试速度，改善可重复性，简化报告编制工作。

高速运行的物理层

D-PHY的物理层由一个时钟和四条数据通路[D0:D3]组成，可以以非常高的速度运行。物理层可以支持不同的协议层。例如，摄像机捕捉的影像可以通过采用CSI-2协议的D-PHY物理层传送到处理器，再传送到应用处理器，然后通过采用DSI协议的D-PHY物理层传送到显示器。这里的CSI和DSI指D-PHY上运行的协议。每条通路上的数据在使用V1.2标准时传送速率可以达到2.5 Gbps，在使用V2.1标准时可以达到4.5 Gbps，从而可以传送高分辨率和高清晰度的影像。

数据通路[D0:D3]的D0通路是双向通路，用于总线周转(BTA)功能。在主发射机要求外设响应时，它会在传输最后的数据包时向其PHY发出一个请求，告诉PHY层在传输结束(EoT)后确认总线周转(BTA)命令。其余通路和时钟都是单向的，数据在不同通路中被剥离。例如，第一个字节将在D0上传送，然后第二个字节将在D1上传送，依此类推，第五个字节将在D0上传送。根据设计要求，数据通路结构可以从一路扩充到四路。图3是1时钟3路系统上的数据剥离图。每条通路有一个独立的传输开始(SoT)和传输结束(EoP)，SoT在所有通路之间同步。但是，某些通路可能会在其他通路之前先完成HS传输(EoT)。

在四条通路之间，在以2.5 Gbps/路运行时，D-PHY 1.2信号的最大吞吐量约为10 Gbps。物理层信号有两种模式：高速(HS)模式和低功率(LP)模式。高速[HS]模式用于快速传送数据。在系统处于空闲时，低功率[LP]模式用来传送控制信息，以延长电池续航时间。HS和LP模式有不同的端接方式，系统应能够动态改变端接方式，以支持这两种模式。

HS数据的速度越高，显示器能够支持的分辨率越高，影像的清晰度也就越好。数据速率与分辨率之间的关系，还要看一下其他几个参数。

  像素时钟：决定着像素传送的速率

刷新速率：屏幕每秒刷新次数

色彩深度：用来表示一个像素的颜色的位数

像素时钟的推导公式如下：像素时钟 = 水平样点数 x 垂直行数 x 刷新速率。其中水平样点数和垂直行数包括水平和垂直消隐间隔。

图1. D-PHY数据通路在连续时钟模式下的模式和状态。(MIPI联盟D-PHY规范第1.2版，MIPI联盟公司)

图2. D-PHY时钟通路在正常时钟模式下的模式和状态。(MIPI联盟D-PHY规范第1.2版，MIPI联盟公司)

如何测试电接口信令？

数据在HS模式下传送，在线路空闲时，发射机切换到低功率模式，以便节能。在高速(HS)模式下，差分电压最小值是140 mV，标称值是200 mV，最大值是270 mV，数据速率扩展到最大2.5 Gb/s。HS模式由两种可能状态组成：Differential-0 (HS-0)和Differential-1 (HS-1)。

在低功率(LP)模式下，信令采用两条单端线路，摆幅为1.2 V，最大运行数据速率为10 Mb/s。数据+(Dp)线路和数据-(Dn)线路相互独立。每条线路可以有两种状态：0和1，这会导致LP模式，其有四种可能的状态：LP-00, LP-01, LP-10, LP-11。

为了适应两种不同的运行模式，接收机端的端接必须是动态的。在HS模式下，接收机端必须以差分方式端接100 Ω；在LP模式下，接收机开路(未端接)。HS模式下的上升时间与LP模式下是不同的。

接收机端动态端接加大了D-PHY信号测试的复杂度，这给探测带来极大挑战。探头必须能够在HS信号和LP信号之间无缝切换，而不会给DUT带来负载。必须在HS进入模式下测量大多数全局定时参数，其需要作为仅时钟测试、仅数据测试和时钟到数据测试来执行。还要在示波器的不同通道上同时采集Clock+ (Cp)、Clock- (Cn)、Data+ (Dp)、Data- (Dn)。

鉴于D-PHY1.2规范支持的最大速度是2.5 Gbps，所以要求的最低带宽是8 GHz，那么探头在8 GHz以下带宽时应拥有稳定的特点，以便能够捕获HS-LP和LP-HS跳变区域中的波形。

D-PHY正成为汽车显示器和摄像机应用中流行的标准。在不同的汽车温度范围内进行测试，也可能带来挑战，特别是在探测方面。

用MSO6进行自动一致性测试

示波器和探头要求的最低带宽是4 GHz。在2.5 Gbps的最高数据速率时，示波器和探头建议带宽是8 GHz。设置包括：示波器，4 只低负载单端探头，TekExpress D-PHY 1.2 自动测试解决方案，高级抖动分析 ( 推荐 )，探测、端接电路板。

TekExpress解决方案把速度最快的自动测试解决方案与6系列MSO、MSO/DPO7000/DX和DPO70000SX示波器整合在一起。TekExpress软件提供了一个图形用户界面(GUI)，其架构包含从设置到测试的直观工作流程，而不管采用哪个通路端接。在线工作情况下执行一致性测量，并可以针对特定DUT数据速率来配置设置，调节极限，并进行量身定制。在配置高级抖动分析(选项DJA)的仪器上，TekExpress D-PHY解决方案为数据到时钟时延测试绘制眼图，清楚地表明数据和时钟之间的时延信息。 

图3. 采用6 系列MSO 的单端测试设置

图4. HS-TX时钟到数据通路定时测试中使用的眼图。

TekExpress自动测试框架是市场上速度最快的D-PHY合规性解决方案，明显节省了测试时间，特别是在各种环境条件下表征DUT性能时。该解决方案还可以在预录模式下测试离线波形，可以先捕获多轮数据，后面再对数据进行处理，省时省力。

报告功能支持多种格式和定制内容。结果可以按测试名称(默认值)、通路名称或测试结果分组。可以作为选项包括第一个分析区域的图像。报告不仅提供了测试合格/不合格摘要表，还包括每项测试的裕量细节，这些都包括在一个合并报告中，并可以导出。

图5. TekExpress D-PHY自动软件会引导用户从设置到报告完成整个测试。

自动一致性测试的速度和可重复性都要远远高于手动测试，特别是在测试MIPI D-PHY物理层时。TekExpress自动软件与相应的示波器和探头相结合，如6系列MSO和TDP7700，可以帮助工程师加快测试速度，改善可重复性，简化报告编制工作。