高速串行数据链路自动化一致性测试研究

引言

    每一位从286时代就开始接触PC的朋友一定能深刻体会到计算机技术飞跃进步给我们的生活和工作带来的便利性，这些技术进步主要体现在CPU的主频越来越高，存储器容量越来越大，以及芯片与芯片、模块与模块、系统与系统之间互连总线的数据传输率也越来越快。图1描述了一块典型的计算机主板，其上运转的总线类型可能包括以太网、USB、PCIExpress、SAS、HDMI、SATA、FBDIMM和UWB等。这些总线结构的共同点是：①都是串行数据链路，发送和接收采用两对差分信号线传输，没有单独的时钟线，数据格式已包含了时钟；②数据传输速率非常高，能达到Gb/s甚至10Gb/s速率级别以上，因而串行数据也是设计中必须重点考虑的问题；③同一总线上的多个接口器件（或模块）很有可能由不同厂家制造，不同的电路原理、不同的PCB、不同的制造工艺，但却要运行在相同的总线架构中，因此如何保证不同厂家器件的操作一致性是电子工程师必须面对的挑战。

图1 计算机主板上的典型总线标准

    没有规矩，不成方圆。各个工业标准组织为促进行业发展，制定了相应的测试规范，要求进行认证的产品都必须完成指定项目参数的测试测量。例如，IEEE802.3分委员会专门制定了

    10BaseT/100BaseT/1000BaseT三种速率级别以太网电接口的测试标准，定义了几十个测量参数的合格范围，包括眼图模板、抖动、上升时间、差分输出电平等。如果设计的总线产品经专门设备测量后，所有参数均符合规范要求，则认为产品设计是合格的，并能与其他厂家互相兼容的，这个过程称为“一致性测试”。又比如USBIF组织针对USB2.0接口的一致性测试也制定了完整的规范，设计师设计的USB2.0产品经测试后，必须全部符合规范要求，才被允许打上USB2.0标志，才能被其他客户认可。

    高速串行数据链路的一致性测试是个复杂的课题，既要求测试设备厂家能提供高性能的仪器，又要求测试工程师能充分利用仪器去解决问题。大家都希望仪器是我们解决问题的一部分，而不是问题本身的一部分。美国力科公司在数字示波器和串行数据分析仪平台上提出了“自动化测试”的概念，为多个串行数据标准一致性测试提供完整的解决方案，包括最新的数字示波器和串行数据分析仪，能支持最高18GHz模拟带宽、60GS/s实时采样率。作为解决方案的一部分，力科还推出了自动化一致性测试软件包QualiPHY，致力于提高工作效率，降低工程师操作仪器和生成报告的复杂度，让工程师不会再觉得一致性测试是枯燥无味的任务。下文向大家介绍QualiPHY是如何帮助工程师应对高速串行数据链路测试面临的挑战的。

图2 100Base-T过冲测试的示波器设置要求

一致性测试的难点

    目前，进行串行数据链路一致性测试的主要仪器平台是高速数字示波器或串行数据分析仪（如力科公司的SDA），工程师在利用这些设备进行测试时，普遍面临下面介绍的困难。

1 如何掌握测试标准内容

    随着串行总线技术的日益进步，信号完整性成为设计师最头疼的问题，包括串扰、EMI、抖动、反射、封装噪声、偏移和静电等，这些问题对设计、测试同样重要。各种串行总线的一致性测试标准均定义了以适应高速信号庞大的信号完整性分析需求。例如，100BaseT的一致性测试规范要求测量眼图、抖动、上升/下降时间、过冲/下冲、差分输出电平、高低电平对称性、占空比偏移等；USB2.0一致性测试规范对HighSpeed的Device分析也定义了几十个参数。每一种参数的测量对于示波器的使用都定义了设置参数，如图2所示就是以太网一致性测试对过冲参数测量的示波器设置要求。

    测试规范对每种参数都有适用范围，实际测量值必须落在这个范围才被判定为合格。

    所以，测试工程师既需要掌握完整的测试参数列表，又需要了解每种参数对应的示波器工作状态，还需要清楚每个参数的合格测量范围。这是非常复杂的工作。

2 如何设置测试环境

    串行数据的信号质量分析和一致性测试一般都离不开测试夹具的辅助。夹具的主要作用是在不同的信号形式之间相互转换，比如以太网测试夹具就是将双绞线信号转换成探头信号。每个测量项目都需要测试夹具、被测器件和示波器三者之间建立合适的互连拓扑关系，准确掌握所有连接关系也是非常困难的事情。

图3 USB2.0测试项目定制窗口

3 对仪器操作不是很熟悉

    串行数据总线技术的飞速进步对示波器的性能提出了更高的标准，同时也使得现代高端示波器的操作复杂度也日益加大，记住一致性测试规程中的每个步骤，示波器该如何操作，是非常不容易的事。

4 如何生成测试报告

    每个硬件工程师都有这种切身体会，编写测试报告是非常费神费时的工作。需要收集测量结果、对比标准规范来分析某个测量参数是否合格，保存关键波形画面并贴到报告中去，如果测试参数多达几十个，比如USB2.0测试，那工作量将是非常巨大的。

5 串行数据协议类型比较多

    计算技术的不断普及和内容需求的迅猛增长都需要更快的数字通路，目前PCI Express、SATA、HDMI、SAS等串行数据总线架构已经广泛应用于数字环境中，而且更快速的PCIExpress2.0、HDMI1.3、SATAIII等第二代和第三代总线架构也已经开始出现或正在研发过程中，再加上更为普遍的Ethernet和USB2.0，串行总线协议的类型越来越丰富，对测试工程师的要求也越来越高。不同协议测试的切换都意味着重新开始学习。

QualiPHY软件特性

    针对高速数字系统工程师在进行串行总线一致性测试时面临的难题，美国力科公司推出了功能强大、易于使用的QualiPHY软件包，下面从几个方面介绍该软件如何帮助工程师解决这些一致性测试难题。

图4 SATA I 1.5Gb/s 一致性自动化测试过程示意

1 用户可定制测量项目

    完整的一致性测试包含十几个甚至几十个项目，但不是每次测试都要遍历全部项目。

    QualiPHY软件支持用户可定制化测试项目，可以选择单个或多个项目分别测试，从而大大提高了灵活性。图3描述的是USB2.0 High Speed的Device or Hub测试项目定制窗口。

2 自动化测试

    根据选择好的测试项目，QualiPHY随即展开一系列自动化测试过程：自动设置示波器工作参数包括采样率、存储深度、采集时间、纵轴刻度、触发电平等；自动定义测量参数；自动调用第三方软件如Matlab对波形运算，自动分析波形和测量结果，自动输出分析结果，整个测试过程完全是自动化的，无须任何人工干预。在测试过程中会同步显示测试状态和过程提示。

    QualiPHY软件针对工程师操作示波器进行一致性测试的使用特点而优化自动化测试流程，有效提高了一致性测试效率，并大大降低了操作仪器难度和重复劳动量，使得测试过程充满乐趣而不再是枯燥无味的任务，因而一推出即深受工程师的喜爱。图4是SATA一致性自动测试界面。

3 图表化提示

    QualiPHY软件的用户界面设计非常人性化和直观实用，它会以图表化的方式显示出一致性测试的每个环节中测试夹具、示波器主机和DUT三者之间的拓扑关系，使用者无须记忆，就能正确设置测试环境。

4 自动分析测量数据

    示波器采集波形后，并按规范测量参数后，QualiPHY软件会自动将其与标准做对比，并输出此参数通过或失败的结论。图5展示了QualiPHY软件包对10BaseT峰值差分输出电压分析的结果，实际测量值为2.52V，802.3标准合格范围是2.20～2.80V，显然此参数测试通过。

5 集成多种串行数据协议

    QualiPHY软件集成了多种串行协议，包括流行的SATA、UWB、PCIE、SAS、FBDIMM、HDMI、USB、ENET等。不同的串行协议采用相同的用户界面和操作方法，工程师无须重复学习，举一反三即可快速掌握全部协议的一致性测试流程。

6 自动输出报告

    QualiPHY软件在完成所有指定项目的测量和分析任务后，会自动生成美观、实用、符合标准规范的测试报告，报告格式可以选择是XML、HTML或PDF格式。节省了编写测试报告的时间，工程师就可以把更多精力放在产品设计上，而不是测试上。

图6 QualiPHY系统设置

QualiPHY系统设置

    QualiPHY软件包支持多种串行数据标准协议，既可以直接运行在数字示波器上，也可以运行在其他计算机上。推荐的执行方式是单独运行在一台控制计算机上，通过TCP/IP协议与测试示波器建立通信连接。这样做的主要好处是示波器上显示波形，QualiPHY软件显示分析结果，两种界面可以同时被用户观测。QualiPHY软件下发设置参数和测量命令到示波器上，示波器上传捕获波形到QualiPHY分析，QualiPHY将分析结果在控制PC上输出美观、实用和符合规范的结果报告。图6描述了QualiPHY_for_ENET测试环境。用户可以去www.lecroy.com自由下载QualiPHY软件包，亲身体会它给高速串行数据一致性测试带来的高效和便利性。

结语

    QualiPHY自动化一致性测试软件运行在中高端数字示波器或串行数据分析仪上，针对典型高速串行数据链路一致性测试的流程特点，提供了全面而丰富的软件功能和人机界面，有效降低了工程师操作仪器的复杂度，提高了测试效率，从而使得一致性测试成为一件非常有趣的工作，而非枯燥无味的任务。