Một mô-đun camera trên điện thoại không gửi dữ liệu liên tục. Nó im lặng phần lớn thời gian ở mức điện áp thấp, rồi bật sang chế độ tốc độ cao trong vài chục micro-giây để đẩy hết một hàng ảnh, rồi lại im. Chính kiểu truyền theo cụm đó khiến kiểm thử MIPI khó hơn hẳn một liên kết nối tiếp thông thường: máy đo phải bám được cả tín hiệu đơn cực biên độ hơn một vôn lẫn tín hiệu vi sai biên độ vài trăm mili-vôn, và phải bắt đúng khoảnh khắc chuyển giữa hai chế độ đó. Bài viết này đi vào cấu trúc lớp vật lý của D-PHY và C-PHY, các nguồn sai số hay bị bỏ qua, và cây quyết định chọn máy hiện sóng cho từng loại bài đo.
Kiểm thử MIPI bắt đầu từ đâu: CSI-2, DSI và lớp vật lý bên dưới
MIPI Alliance tách rõ hai tầng. Phía trên là các giao thức ứng dụng: CSI-2 cho cảm biến ảnh, DSI cho màn hình. Phía dưới là lớp vật lý chịu trách nhiệm biến bit thành điện áp trên dây — và đây mới là nơi phép đo bằng máy hiện sóng diễn ra. Hai lớp vật lý di động phổ biến cho camera và màn hình là D-PHY và C-PHY.
Điểm cần nắm ngay từ đầu: cùng một giao thức CSI-2 có thể chạy trên D-PHY hoặc C-PHY. Khi nhận một board mới để đo, câu hỏi đầu tiên không phải “đây là CSI-2 hay DSI” mà là “lớp vật lý bên dưới là D-PHY hay C-PHY”, vì hai lớp này khác nhau cả về số dây, cách mã hoá lẫn bộ phép đo hợp chuẩn.
D-PHY: hai chế độ LP và HS chạy chung một đôi dây
D-PHY dùng các lane dữ liệu vi sai kèm một lane clock riêng. Điều làm nó khác biệt là mỗi đôi dây phải phục vụ hai chế độ điện hoàn toàn khác nhau.
Ở chế độ tốc độ thấp Low Power, tín hiệu là đơn cực với biên độ khoảng 1,2 V và tốc độ tối đa 10 Mb/s. Chế độ này lo phần bắt tay, báo hiệu bắt đầu và kết thúc cụm truyền, và quay chiều bus.
Ở chế độ High Speed, tín hiệu chuyển sang vi sai với biên độ nhỏ hơn gần một bậc: tối thiểu 140 mV, danh định 200 mV và tối đa 270 mV. Toàn bộ dữ liệu ảnh đi qua chế độ này. Tốc độ tuỳ phiên bản: các thế hệ đầu dừng ở khoảng 1 Gb/s mỗi lane, còn D-PHY v3.0 nâng lên 9 Gbps trên kênh tiêu chuẩn và 11 Gbps trên kênh ngắn, đồng thời bổ sung các cơ chế như quay chiều bus nhanh và chế độ công suất thấp thay thế.
Hệ quả cho phép đo rất cụ thể. Dải động của kênh đo phải phủ từ 1,2 V đơn cực xuống 140 mV vi sai mà không cắt đỉnh cũng không chìm vào nền nhiễu. Và vì dữ liệu chỉ tồn tại trong cụm, trigger theo mức thông thường gần như vô dụng — máy hiện sóng phải nhận diện được thời điểm đường truyền rời LP để vào HS.
C-PHY: ba dây một trio và mã hoá 2,28 bit mỗi symbol
C-PHY đi theo hướng khác. Thay vì cặp vi sai cộng lane clock, nó gom ba dây thành một nhóm gọi là trio và dùng mã hoá ba pha. Mỗi symbol mang khoảng 2,28 bit, và clock được nhúng thẳng vào dòng symbol nên không cần lane clock riêng.
Con số cho thấy vì sao cách này hấp dẫn với thiết kế bị giới hạn số chân. Ba trio chạy ở 2,5 Gsym/s cho khoảng 17,1 Gbps trên tổng cộng 9 chân. Trong khi đó bốn lane dữ liệu D-PHY cộng một lane clock cũng chạy 2,5 Gbps mỗi lane chỉ đạt 10 Gbps nhưng tiêu tốn 10 chân. Đặc tả C-PHY hỗ trợ tốc độ symbol tới 6 Gsym/s, tương đương 13,7 Gbps trên kênh tiêu chuẩn, và tới 8 Gsym/s trên kênh ngắn. Bỏ được lane clock còn kéo theo hai lợi ích phụ: các trio gán linh hoạt cho những liên kết khác nhau, và không còn bức xạ nhiễu đặc trưng của lane clock.
Đổi lại, phép đo phức tạp hơn. Với D-PHY, kỹ sư nhìn một cặp vi sai. Với C-PHY, ba dây trong một trio phải được đo đồng thời và phân tích theo quan hệ ba pha, nên số kênh máy hiện sóng cần cho mỗi trio là ba chứ không phải hai. Một thiết kế ba trio đã ngốn chín kênh nếu muốn nhìn toàn bộ cùng lúc.
Bốn nguồn sai số hay bị bỏ qua khi kiểm thử MIPI
Điểm đo không phải điểm cần đo. Biên độ HS chỉ vài trăm mili-vôn, nên vài chục mili-vôn sụt trên đồ gá đã đủ đẩy kết quả qua ngưỡng. Nếu điểm probe cách xa chân IC, phần kênh nằm giữa phải được bù lại bằng de-embedding thay vì bỏ qua — cùng nguyên tắc đã bàn trong bài de-embedding đồ gá và đo kênh tốc độ cao.
Tải của đầu dò làm méo chính tín hiệu đang đo. Điện dung đầu dò mắc song song vào một đường truyền trở kháng thấp sẽ kéo dài sườn và làm hẹp mắt. Với tín hiệu vài Gbps, chênh lệch giữa một đầu dò tải thấp và một đầu dò phổ thông đủ để đảo kết luận đạt hay không đạt.
Lệch thời gian giữa các kênh. C-PHY phân tích quan hệ pha giữa ba dây, nên sai lệch thời gian giữa ba kênh máy hiện sóng đi thẳng vào kết quả. Bước hiệu chỉnh de-skew giữa các kênh phải làm trước, không phải làm khi số liệu đã sai.
Nhầm giữa gỡ lỗi và hợp chuẩn. Nhìn thấy dạng sóng không đồng nghĩa với việc chứng minh được thiết bị đạt đặc tả. Phép đo hợp chuẩn phải chạy đúng bộ test theo bản CTS tương ứng, với ngưỡng và điều kiện do đặc tả quy định.
Chọn máy hiện sóng cho kiểm thử MIPI: cây quyết định ba nhánh
Câu hỏi quyết định là mục tiêu của phép đo, không phải ngân sách.
Nhánh một — cần kết luận hợp chuẩn. Keysight cung cấp phần mềm hợp chuẩn riêng cho từng lớp vật lý: D9020DPHC cho D-PHY, chạy trọn đặc tả D-PHY v2.1 trở xuống theo mục 9 và bám bản CTS D-PHY v2.0; D9010CPHC cho C-PHY, phủ C-PHY v1.0, v1.1, v1.2 và v2.0. Cả hai đều chạy các bài LP và HS ở mọi tốc độ và kèm phân tích biên độ dự trữ, cho biết thiết bị vượt hay trượt ngưỡng bao nhiêu chứ không chỉ đạt hay không đạt. Điều kiện quan trọng: D9020DPHC yêu cầu máy hiện sóng Infiniium thuộc V-Series, Z-Series hoặc 90000 Series. Keysight DSOV254A là một lựa chọn trong nhóm này: băng thông 25 GHz trên 4 kênh, tốc độ lấy mẫu 80 GSa/s, bộ nhớ tới 2 Gpts, nền nhiễu 1,73 mVrms ở thang 50 mV/div và nền jitter 100 fs. Với biên độ HS chỉ 140 mV, nền nhiễu thấp không phải thứ xa xỉ mà là điều kiện để con số có nghĩa.
Nhánh hai — gỡ lỗi thiết kế trên bàn. Giai đoạn bring-up cần nhiều kênh và nhiều loại phân tích hơn là cần băng thông cực đại. Keysight MXR608B có 8 kênh băng thông 6 GHz dùng đồng thời, bộ số hoá 10 bit ở 16 GSa/s trên tất cả các kênh và bộ nhớ 200 Mpts mỗi kênh. Máy tích hợp sẵn nhiều chức năng trong một khung: phân tích logic, phân tích phổ, giải mã giao thức nối tiếp, bộ phát sóng tuỳ ý 50 MHz và vôn kế số. Tám kênh đủ để nhìn hai trio C-PHY cùng lúc, còn 10 bit giúp phân giải biên độ HS tốt hơn hẳn bộ số hoá 8 bit.
Nhánh ba — quan sát mức hệ thống và tín hiệu LP. Không phải bài đo nào cũng chạm tới HS. Kiểm tra trình tự khởi động, xác nhận thời điểm bus quay chiều, soi tín hiệu LP ở 10 Mb/s hay đối chiếu với các bus điều khiển đều nằm trong tầm của máy phổ thông. Keysight MSOX3104G cho băng thông 1 GHz, 4 kênh tương tự cộng 16 kênh số, lấy mẫu 5 GSa/s, bộ nhớ 4 Mpts và tốc độ cập nhật một triệu dạng sóng mỗi giây — hữu ích khi cần bắt sự kiện hiếm trong chuỗi khởi động. Cần nói rõ giới hạn: 1 GHz là đủ cho tín hiệu LP và cho công việc mức hệ thống, nhưng không đủ để kết luận hợp chuẩn cho tín hiệu HS nhiều Gbps.
Kết luận
Kiểm thử MIPI đòi hỏi tách bạch ba việc thường bị gộp làm một: quan sát mức hệ thống, gỡ lỗi lớp vật lý, và chứng minh hợp chuẩn. Ba việc đó cần ba cấu hình máy khác nhau, và dùng nhầm cấu hình sẽ dẫn tới kết luận sai chứ không chỉ tốn thời gian. Ba con số đáng nhớ khi bước vào bài đo: 140 mV là biên độ HS tối thiểu mà kênh đo phải phân giải được, 10 Mb/s là trần của chế độ LP, và 2,28 bit mỗi symbol là điều làm C-PHY không thể phân tích như một cặp vi sai thông thường.
Sau khi chọn được cấu hình, giá trị đo chỉ có ý nghĩa khi chuỗi truy xuất chuẩn còn hiệu lực. Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam và vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025, hỗ trợ hiệu chuẩn định kỳ cho máy hiện sóng, đầu dò và thiết bị đo tín hiệu tốc độ cao. Để được tư vấn cấu hình hoặc đặt lịch hiệu chuẩn, vui lòng liên hệ hotline 0908 173 345.
