高速串行數據鏈路的自動(dòng)化一致性測試(圖)

引言

每一位從286時(shí)代就開(kāi)始接觸PC的朋友一定能深刻體會(huì )到計算機技術(shù)飛躍進(jìn)步給我們的生活和工作帶來(lái)的便利性，這些技術(shù)進(jìn)步主要體現在CPU的主頻越來(lái)越高，存儲器容量越來(lái)越大，以及芯片與芯片、模塊與模塊、系統與系統之間互連總線(xiàn)的數據傳輸率也越來(lái)越快。圖1描述了一塊典型的計算機主板，其上運轉的總線(xiàn)類(lèi)型可能包括以太網(wǎng)、USB、PCIExpress、SAS、HDMI、SATA、FBDIMM和UWB等。這些總線(xiàn)結構的共同點(diǎn)是：①都是串行數據鏈路，發(fā)送和接收采用兩對差分信號線(xiàn)傳輸，沒(méi)有單獨的時(shí)鐘線(xiàn)，數據格式已包含了時(shí)鐘；②數據傳輸速率非常高，能達到Gb/s甚至10Gb/s速率級別以上，因而串行數據也是設計中必須重點(diǎn)考慮的問(wèn)題；③同一總線(xiàn)上的多個(gè)接口器件（或模塊）很有可能由不同廠(chǎng)家制造，不同的電路原理、不同的PCB、不同的制造工藝，但卻要運行在相同的總線(xiàn)架構中，因此如何保證不同廠(chǎng)家器件的操作一致性是電子工程師必須面對的挑戰。

圖1 計算機主板上的典型總線(xiàn)標準

沒(méi)有規矩，不成方圓。各個(gè)工業(yè)標準組織為促進(jìn)行業(yè)發(fā)展，制定了相應的測試規范，要求進(jìn)行認證的產(chǎn)品都必須完成指定項目參數的測試測量。例如，IEEE802.3分委員會(huì )專(zhuān)門(mén)制定了

10BaseT/100BaseT/1000BaseT三種速率級別以太網(wǎng)電接口的測試標準，定義了幾十個(gè)測量參數的合格范圍，包括眼圖模板、抖動(dòng)、上升時(shí)間、差分輸出電平等。如果設計的總線(xiàn)產(chǎn)品經(jīng)專(zhuān)門(mén)設備測量后，所有參數均符合規范要求，則認為產(chǎn)品設計是合格的，并能與其他廠(chǎng)家互相兼容的，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為“一致性測試”。又比如USBIF組織針對USB2.0接口的一致性測試也制定了完整的規范，設計師設計的USB2.0產(chǎn)品經(jīng)測試后，必須全部符合規范要求，才被允許打上USB2.0標志，才能被其他客戶(hù)認可。

高速串行數據鏈路的一致性測試是個(gè)復雜的課題，既要求測試設備廠(chǎng)家能提供高性能的儀器，又要求測試工程師能充分利用儀器去解決問(wèn)題。大家都希望儀器是我們解決問(wèn)題的一部分，而不是問(wèn)題本身的一部分。美國力科公司在數字示波器和串行數據分析儀平臺上提出了“自動(dòng)化測試”的概念，為多個(gè)串行數據標準一致性測試提供完整的解決方案，包括最新的數字示波器和串行數據分析儀，能支持最高18GHz模擬帶寬、60GS/s實(shí)時(shí)采樣率。作為解決方案的一部分，力科還推出了自動(dòng)化一致性測試軟件包QualiPHY，致力于提高工作效率，降低工程師操作儀器和生成報告的復雜度，讓工程師不會(huì )再覺(jué)得一致性測試是枯燥無(wú)味的任務(wù)。下文向大家介紹QualiPHY是如何幫助工程師應對高速串行數據鏈路測試面臨的挑戰的。

圖2 100Base-T過(guò)沖測試的示波器設置要求

一致性測試的難點(diǎn)

目前，進(jìn)行串行數據鏈路一致性測試的主要儀器平臺是高速數字示波器或串行數據分析儀（如力科公司的SDA），工程師在利用這些設備進(jìn)行測試時(shí)，普遍面臨下面介紹的困難。

1 如何掌握測試標準內容

隨著(zhù)串行總線(xiàn)技術(shù)的日益進(jìn)步，信號完整性成為設計師最頭疼的問(wèn)題，包括串擾、EMI、抖動(dòng)、反射、封裝噪聲、偏移和靜電等，這些問(wèn)題對設計、測試同樣重要。各種串行總線(xiàn)的一致性測試標準均定義了以適應高速信號龐大的信號完整性分析需求。例如，100BaseT的一致性測試規范要求測量眼圖、抖動(dòng)、上升/下降時(shí)間、過(guò)沖/下沖、差分輸出電平、高低電平對稱(chēng)性、占空比偏移等；USB2.0一致性測試規范對HighSpeed的Device分析也定義了幾十個(gè)參數。每一種參數的測量對于示波器的使用都定義了設置參數，如圖2所示就是以太網(wǎng)一致性測試對過(guò)沖參數測量的示波器設置要求。

測試規范對每種參數都有適用范圍，實(shí)際測量值必須落在這個(gè)范圍才被判定為合格。

所以，測試工程師既需要掌握完整的測試參數列表，又需要了解每種參數對應的示波器工作狀態(tài)，還需要清楚每個(gè)參數的合格測量范圍。這是非常復雜的工作。

2 如何設置測試環(huán)境

串行數據的信號質(zhì)量分析和一致性測試一般都離不開(kāi)測試夾具的輔助。夾具的主要作用是在不同的信號形式之間相互轉換，比如以太網(wǎng)測試夾具就是將雙絞線(xiàn)信號轉換成探頭信號。每個(gè)測量項目都需要測試夾具、被測器件和示波器三者之間建立合適的互連拓撲關(guān)系，準確掌握所有連接關(guān)系也是非常困難的事情。

圖3 USB2.0測試項目定制窗口

3 對儀器操作不是很熟悉

串行數據總線(xiàn)技術(shù)的飛速進(jìn)步對示波器的性能提出了更高的標準，同時(shí)也使得現代高端示波器的操作復雜度也日益加大，記住一致性測試規程中的每個(gè)步驟，示波器該如何操作，是非常不容易的事。

4 如何生成測試報告

每個(gè)硬件工程師都有這種切身體會(huì )，編寫(xiě)測試報告是非常費神費時(shí)的工作。需要收集測量結果、對比標準規范來(lái)分析某個(gè)測量參數是否合格，保存關(guān)鍵波形畫(huà)面并貼到報告中去，如果測試參數多達幾十個(gè)，比如USB2.0測試，那工作量將是非常巨大的。

5 串行數據協(xié)議類(lèi)型比較多

計算技術(shù)的不斷普及和內容需求的迅猛增長(cháng)都需要更快的數字通路，目前PCI Express、SATA、HDMI、SAS等串行數據總線(xiàn)架構已經(jīng)廣泛應用于數字環(huán)境中，而且更快速的PCIExpress2.0、HDMI1.3、SATAIII等第二代和第三代總線(xiàn)架構也已經(jīng)開(kāi)始出現或正在研發(fā)過(guò)程中，再加上更為普遍的Ethernet和USB2.0，串行總線(xiàn)協(xié)議的類(lèi)型越來(lái)越豐富，對測試工程師的要求也越來(lái)越高。不同協(xié)議測試的切換都意味著(zhù)重新開(kāi)始學(xué)習。

QualiPHY軟件特性

針對高速數字系統工程師在進(jìn)行串行總線(xiàn)一致性測試時(shí)面臨的難題，美國力科公司推出了功能強大、易于使用的QualiPHY軟件包，下面從幾個(gè)方面介紹該軟件如何幫助工程師解決這些一致性測試難題。

圖4 SATA I 1.5Gb/s 一致性自動(dòng)化測試過(guò)程示意

1 用戶(hù)可定制測量項目

完整的一致性測試包含十幾個(gè)甚至幾十個(gè)項目，但不是每次測試都要遍歷全部項目。

QualiPHY軟件支持用戶(hù)可定制化測試項目，可以選擇單個(gè)或多個(gè)項目分別測試，從而大大提高了靈活性。圖3描述的是USB2.0 High Speed的Device or Hub測試項目定制窗口。

2 自動(dòng)化測試

根據選擇好的測試項目，QualiPHY隨即展開(kāi)一系列自動(dòng)化測試過(guò)程：自動(dòng)設置示波器工作參數包括采樣率、存儲深度、采集時(shí)間、縱軸刻度、觸發(fā)電平等；自動(dòng)定義測量參數；自動(dòng)調用第三方軟件如Matlab對波形運算，自動(dòng)分析波形和測量結果，自動(dòng)輸出分析結果，整個(gè)測試過(guò)程完全是自動(dòng)化的，無(wú)須任何人工干預。在測試過(guò)程中會(huì )同步顯示測試狀態(tài)和過(guò)程提示。

QualiPHY軟件針對工程師操作示波器進(jìn)行一致性測試的使用特點(diǎn)而優(yōu)化自動(dòng)化測試流程，有效提高了一致性測試效率，并大大降低了操作儀器難度和重復勞動(dòng)量，使得測試過(guò)程充滿(mǎn)樂(lè )趣而不再是枯燥無(wú)味的任務(wù)，因而一推出即深受工程師的喜愛(ài)。圖4是SATA一致性自動(dòng)測試界面。

3 圖表化提示

QualiPHY軟件的用戶(hù)界面設計非常人性化和直觀(guān)實(shí)用，它會(huì )以圖表化的方式顯示出一致性測試的每個(gè)環(huán)節中測試夾具、示波器主機和DUT三者之間的拓撲關(guān)系，使用者無(wú)須記憶，就能正確設置測試環(huán)境。

4 自動(dòng)分析測量數據

示波器采集波形后，并按規范測量參數后，QualiPHY軟件會(huì )自動(dòng)將其與標準做對比，并輸出此參數通過(guò)或失敗的結論。圖5展示了QualiPHY軟件包對10BaseT峰值差分輸出電壓分析的結果，實(shí)際測量值為2.52V，802.3標準合格范圍是2.20～2.80V，顯然此參數測試通過(guò)。

5 集成多種串行數據協(xié)議

QualiPHY軟件集成了多種串行協(xié)議，包括流行的SATA、UWB、PCIE、SAS、FBDIMM、HDMI、USB、ENET等。不同的串行協(xié)議采用相同的用戶(hù)界面和操作方法，工程師無(wú)須重復學(xué)習，舉一反三即可快速掌握全部協(xié)議的一致性測試流程。

6 自動(dòng)輸出報告

QualiPHY軟件在完成所有指定項目的測量和分析任務(wù)后，會(huì )自動(dòng)生成美觀(guān)、實(shí)用、符合標準規范的測試報告，報告格式可以選擇是XML、HTML或PDF格式。節省了編寫(xiě)測試報告的時(shí)間，工程師就可以把更多精力放在產(chǎn)品設計上，而不是測試上。

圖6 QualiPHY系統設置

QualiPHY系統設置

QualiPHY軟件包支持多種串行數據標準協(xié)議，既可以直接運行在數字示波器上，也可以運行在其他計算機上。推薦的執行方式是單獨運行在一臺控制計算機上，通過(guò)TCP/IP協(xié)議與測試示波器建立通信連接。這樣做的主要好處是示波器上顯示波形，QualiPHY軟件顯示分析結果，兩種界面可以同時(shí)被用戶(hù)觀(guān)測。QualiPHY軟件下發(fā)設置參數和測量命令到示波器上，示波器上傳捕獲波形到QualiPHY分析，QualiPHY將分析結果在控制PC上輸出美觀(guān)、實(shí)用和符合規范的結果報告。圖6描述了QualiPHY_for_ENET測試環(huán)境。用戶(hù)可以去www.lecroy.com自由下載QualiPHY軟件包，親身體會(huì )它給高速串行數據一致性測試帶來(lái)的高效和便利性。

結語(yǔ)

QualiPHY自動(dòng)化一致性測試軟件運行在中高端數字示波器或串行數據分析儀上，針對典型高速串行數據鏈路一致性測試的流程特點(diǎn)，提供了全面而豐富的軟件功能和人機界面，有效降低了工程師操作儀器的復雜度，提高了測試效率，從而使得一致性測試成為一件非常有趣的工作，而非枯燥無(wú)味的任務(wù)。