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      “米皮”香不香?水哥為你深度解讀MIPI測試

      2022-04-26 08:03:09 來源:泰克

      MIPI全稱移動產業處理器接口(Mobile Industry Processor Interface)屬于非盈利性組織,關注于開發軟硬件標準以滿足移動終端的特殊需求。MIPI的目標是通過推動處理器與外設接口的一致性達到簡化軟硬件的設計與應用的目的,提高移動設備的可重用性與可兼容性。MIPI 為移動設備內的標準硬件和軟件接口提供了規范,改善了不同廠商生產的元器件之間的互操作能力,減少了集成工作,加快了移動終端的產品開發周期。

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      MIPI 技術發展趨勢

      MIPI致力于打造移動產品和汽車電子中的信號互聯,在移動產品中深耕多年,尤其是視頻流數據傳輸方面, 應用非常廣泛。MIPI聯盟標準中有四種物理層標準,分別是D-PHY、C-PHY、M-PHY和A-PHY。

      D-PHY是MIPI開發的第一個標準,D-PHY主要用于顯示接口DSI和攝像頭接口CSI的視頻流數據傳輸。D-PHY是當今智能手機中應用最廣泛的視頻流接口,也是最廣為人知的MIPI標準。M-PHY是家族的第二個成員,M-PHY主要用于數據傳輸,目前最常用的應用場景是UFS。C-PHY是D-PHY的改良版,其應用場景和D-PHY完全相同,C-PHY在編碼方面更加精巧,數據傳輸效率更高。A-PHY是MIPI 聯盟最近宣布采用最新版本的汽車串行器-解串器 (SerDes) 物理層接口,是為車載應用定制的高速標準。在這之前MIPI已經有了整套的通信協議在Camera和Display 領域中大量使用D-PHY、C-PHY、M-PHY進行大數據量的物理傳輸,但是這個幾個物理層協議都無法進行較長距離的傳輸,A-PHY的設計是為了能跨過整個車輛距離提供數據傳輸物理層支持。其最大傳輸距離能夠達到15米,而最大傳輸速度未來能達到甚至超過48Gbps遠遠超過LVDS的1.5Gbps。A-PHY將幫助汽車行業加速高級駕駛員輔助系統(ADAS)、自動駕駛系統和汽車環視系統的性能。

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      MIPI D-PHY 基礎

      D-PHY總線包含了顯示與攝像頭的DSI與CSI總線。D-PHY 不同于許多現有的移動接口,可以在差分模式( 高速) 和單端模式( 低功率) 之間實時切換,具體視需要傳送大量的數據,還是需要節約功率。D-PHY 接口能夠以單工或雙工配置操作,支持一條數據通路或多條數據通路,可以靈活地提供所需鏈路。D-PHY采用1對源同步的差分時鐘和1~4對差分數據線來進行數據傳輸。數據傳輸采用DDR方式,即在時鐘的上下邊沿都有數據傳輸。

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      D-PHY Tx 物理層信號實測視頻詳解。

      物理層標準:Camera CSI接口和顯示屏DSI接口的規范。

      兩種傳輸模式:高速(HS)和 低功耗(LP),HS模式下采用低壓差分信號,功耗較大,但可以傳輸很高的數據速率,可支持100mV至300mV的電壓范圍;LP模式下采用單端信號,數據速率很低,功耗低,支持0V至1.2V信號電平。兩種模式的結合保證了MIPI總線既可在需要傳輸大量數據時高速傳輸,也可在不需要大數據量傳輸時處于低速模式能夠減少功耗。

      傳輸模式在實際應用中混合交替:信號不斷在LP和HS之間切換;

      最高數據率:High Speed 模式,80Mbps to 4.5Gbps;Low Power  模式,Up to 10Mbps。

      總線端接:50歐姆,高速HS模式;Hi-Z高阻,低速LP模式。

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      MIPI D-PHY 時序

      1. 工作時,LP和HS模式交替出現;LP和HS電平不同,端接電阻不同,data rate不同;

      2. LP主要作用是節能,空閑時D-PHY會穩定處于LP11,恒壓狀態下功耗極低;HS的主要作用是數據傳輸,使用差分低電壓的方式傳輸信號,使用Double Data Rate的方式(Data: Clock=2:1);

      3. LP狀態下Data+和Data-可以是相同的邏輯狀態,比如從LP到HS,會經歷LP11 -> LP01 -> LP00 這三種狀態,LP11時Data+和Data-都處于高電平,LP00時都處于低電平。

      4. Clock有兩種不同的配置: Continuous和Normal,前者設計更簡單,后者更節能。

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      什么是 C-PHY?

      C-PHY發送端有High、Mid、Low三種信號電壓高度,接收端計算AB、BC、CA間的差值做解碼,同時恢復時鐘,C-PHY有5種狀態轉移的可能。與D-PHY以0、1的電平表示編碼不同,C-PHY用狀態的跳轉表示編碼,每個符號可編碼的數據為log25= 2.3219bit/sym,理論上的帶寬是D-PHY的2.3219倍,編碼效率大大提升。

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      MIPI D-PHY 和C-PHY 時序比較

      D-PHY是源同步系統,有同步時鐘通道,C-PHY沒有同步時鐘,時鐘是嵌入數據當中。D-PHY和C-PHY的物理層結構是不同的,從線路上看,C-PHY是A、B、C三線系統。由于MIPI C-PHY不傳輸時鐘,需要CDR先恢復時鐘,然后再用恢復的時鐘去采樣數據并尋找同步頭。

      MIPI D-PHY 測試挑戰

      MIPI D-PHY總線工作于LP與HS兩種工作狀態:LP(Low Power)狀態,工作速率最高不超過10Mbps,信號擺幅1.2V,端接阻抗為高阻;HS(High Speed)狀態,工作速率從80Mbps到4.5Gbps,信號擺幅200mV,端接阻抗為50歐姆。由于信號擺幅的差異,使得D-PHY信號測試所需的動態范圍較高,并且其對噪聲的容限較低,在實際的測試中信號質量可能不會太理想,見下圖。

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      MIPI信號測試難點

      1. CTS 測量項繁多: 64 for D-PHY,  41 for C-PHY

      2. HS和LP兩種完全不同的工作模式下的信號完整性和相應時序

      3. 使用探頭焊接的方式測量

      4. 測量精度:使用可靠的算法篩選出特定波形并進行精確測量

      5. 被測波形有時候很差

      6. 自動檢測跳變沿,測量項目

      7. 最小化探頭的負載效應

      8. 板子密度越來越高,測試點很難焊接

      9.自動測試設置,適應HS和LP模式

      MIPI D-PHY 解碼

      在實際調試工程中,工程師通常需要找到設備不正常工作的原因,不僅需要D-PHY物理層信號的一致性測試,還需要對D-PHY信號的串行觸發與解碼功能,下面是D-PHY信號的解碼、同步與錯誤告警以及協議事件列表導出功能,為D-PHY信號的開發與調試提供了極大的便利。

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      D-PHY Tx 信號測試和連接圖

      針對MIPI D-PHY多條差分總線的測試,需要利用三根或四根探頭完成對數據和時鐘信號的探測,如果時鐘是連續時鐘,至少需要三根探頭完成探測,如果時鐘是Normal非連續時鐘,需要四根探頭完成測試;然后利用 D-PHY Tx物理層一致性測試軟件完成全自動化測試。

      大多數情況采用左下圖的連接方式。待測物是一個完整的系統,里面包含D-PHY的Controller和Device,探頭在不破壞系統工作狀態的情況下,連接待測物并測量信號質量;如果被測的芯片,可能采用右下圖的連接方式,芯片通過評估板來測量信號質量,只有一個D-PHY controller 芯片和一些外圍電路,通過評估板上的SMA接頭將信號引出。需要在評估板外接一塊終端板(Termination Board)來提供D-PHY的動態端接,探頭連接在端接板上的測試點進行信號觀測。

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      D-PHY 實測眼圖

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      C-PHY 實測眼圖

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      D-PHY Tx 物理層測試參考配置

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      小結

      MIPI D-PHY Tx物理層信號一致性測試需要利用三根或四根探頭完成對數據和時鐘信號的探測,然后利用實時示波器和 D-PHY Tx物理層一致性測試軟件完成全自動化測試,提高了測試效率, 從而幫助工程師快速驗證產品,加速產品市場化的過程。

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