光模塊I2C 通信自動化測試系統(tǒng)設計

王安憶，王 衡，王洪義，王 麟

（青島海信寬帶多媒體技術(shù)有限公司，山東 青島 266000）

0 引 言

光模塊是光纖通信系統(tǒng)的核心部件之一，可以用于實現(xiàn)光纖通信和無線光通信等多種通信方式，廣泛應用于數(shù)據(jù)中心、云計算、移動通信、軍事、醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域。通過將數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換為光信號傳輸，光模塊可以實現(xiàn)高速、長距離、大容量、高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸，從而滿足人們對信息通信不斷增長的需求[1]。

I2C 通信協(xié)議是一種串行通信協(xié)議，用于連接集成電路之間的通信，也稱為二線制串行總線[2]。在光模塊中，I2C 通信具有重要作用，主機通過它實現(xiàn)對光模塊的故障監(jiān)測和診斷，了解光模塊的工作狀態(tài)和異常情況，及時采取措施進行維修或更換[3]。同時主機還可以通過I2C 通信控制光模塊的參數(shù)和設置，實現(xiàn)在線升級固件等[4]。I2C 支持多個光模塊的串行連接，可以方便地實現(xiàn)光模塊之間的串行連接和控制，簡化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制[5]。

XFP、SFP+光模塊一般采用SFF8472 協(xié)議[6]；SFP28或QSFP28 光模塊一般采用8636 協(xié)議[7]；QSFP、QSFP+、QSFP-DD 一般采用CMIS 協(xié)議[8]；另外還有QSFP 協(xié)議、SFP-DD 協(xié)議、SFF8077 協(xié)議[9]等適用于不同類型的光模塊。這些協(xié)議中針對I2C 通信方式都做了明確的要求。不同協(xié)議規(guī)定模塊有不同的設備地址，比如：8472 協(xié)議有兩個設備地址A0、A2；而8636 協(xié)議有一個設備地址A0。另外，不同協(xié)議還規(guī)定了不同的頁選、密碼輸入?yún)^(qū)域、用戶可寫區(qū)等。

本文設計一套測試系統(tǒng)，可兼容不同的協(xié)議，針對I2C 相關(guān)性能進行測試。通過PC 上位機控制示波器和I2C 測試工裝實現(xiàn)自動化測試。本文設計了一套I2C 指令字符編碼規(guī)則，通過解析指令將可執(zhí)行的高低信號序列下發(fā)給I2C 測試工裝，工裝通過PDMA 方式下發(fā)SCL和SDA 時序，同時上位機通過程控示波器抓取測試指令，反饋時序指標、電壓幅度等。本文測試系統(tǒng)的時間精度控制可以達到納秒級別，功能上堪比以FPGA 芯片為核心的傳統(tǒng)測試系統(tǒng)，并且開發(fā)效率高、設備成本低、擴展兼容性強，適合高速發(fā)展的光模塊行業(yè)應用。

1 系統(tǒng)的工作原理

光模塊的I2C 自動化測試系統(tǒng)由上位機軟件、I2C 測試工裝和示波器組成。

上位機作用：

1）測試指令編碼、轉(zhuǎn)碼、發(fā)送；

2）示波器程控；

3）測試結(jié)果處理輸出。

測試工裝作用：

1）測試指令發(fā)送和反饋；

2）模塊常規(guī)讀寫指令發(fā)送和接收，涉及測試的預寫和后處理。

示波器作用：

1）顯示SCL/SDA 信號波形；

2）反饋時序指標、電壓指標等參數(shù)。

上位機采用C#編程，通過libusb 庫實現(xiàn)與測試工裝的USB 接口通信，通過Ivi.Visa 類庫實現(xiàn)與keysight 系列示波器進行USB接口通信。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)的I2C 測試工裝設計

測試工裝核心采用新唐M482LGCAE 型號單片機，它是最高頻率為192 MHz 的ARM Cortex-M4F 內(nèi)核，所以運行DMA 模塊時的精度可以達到納秒級別。工裝具體可分為供電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、測試系統(tǒng)和固件四部分。

2.1 供電系統(tǒng)

工裝板直接采用USB 接口的5 V 供電（VBUS），通過正向低壓降穩(wěn)壓器（AMS1117-3.3 芯片）獲得穩(wěn)定的3.3 V 電壓（VCC），為M482LGCAE 單片機供電及復位，并且將VCC 經(jīng)過分壓后接入MCU，進行ADC 轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)電壓監(jiān)控。測試工裝供電系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 測試工裝供電系統(tǒng)

2.2 通信系統(tǒng)

PC 通過USB 接口與測試工裝相連。USB（通用串行總線）是一個外部總線標準，用于規(guī)范計算機與外部設備的連接和通信，USB 接口支持設備的即插即用和熱插拔功能，有4 個pin 腳[10]，分別為VCC、GND、Data+、Data-。

如圖3 所示，USB 接口的D+通過上拉電阻連接到VCC，數(shù)據(jù)通過串聯(lián)電阻直接連接MCU 的USB_D+和USB_D-引腳。M482LGCAE 單片機具有HSUSBD 模塊（High Speed USB 2.0 Device Controller），可以實現(xiàn)高速（480 Mb/s）數(shù)據(jù)傳輸。

圖3 測試工裝通信系統(tǒng)

2.3 執(zhí)行系統(tǒng)

新唐M482LGCAE 具有QSPI 控制器，支持兩位傳輸模式以執(zhí)行全雙工兩位數(shù)據(jù)傳輸，還支持四輸入/輸出傳輸模式[11]，且控制器支持PDMA（Peripherial Direct Memory Access）功能以訪問數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。PDMA（外圍直接存儲器訪問）是一種高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，允許外圍設備直接訪問系統(tǒng)內(nèi)存，從而實現(xiàn)高效率的數(shù)據(jù)傳輸。傳統(tǒng)的DMA 技術(shù)要求CPU 控制器介入數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿總€階段[12]；而PDMA 則是完全由外圍設備控制傳輸?shù)倪^程，因此能夠避免CPU 的負載，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎退俣萚13]。QSPI 時序說明如圖4 所示。

圖4 QSPI 時序說明

針對I2C 的雙線測試要求，設計將QSPI 作為主機，它的單個模塊MISO 和MOSI 引腳通過反向器相連接，作為SCL 信號，同理通過另一個模塊作為SDA 信號，即可獲得一個雙線同步收發(fā)一體的測試時鐘信號。

由于對于單片機的MOSI 是推挽輸出，而對于I2C 信號，要求開漏輸出，總線支持多個從機[3，14]，當主機發(fā)送應答信號，對應從機可以拉低反饋，故中間連接一個開漏輸出的反向器（SN74LVC2G06）。單片機固件收到測試信號后先取反，再發(fā)送，通過漏極輸出反向器接收到測試數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了開漏模式。由于開漏模式必須接上拉電阻才能輸出高電平，設計通過MOS 管控制不同上拉電阻接入I2C 信號，實現(xiàn)不同電阻值下信號質(zhì)量測試。

信號通過PDMA 方式發(fā)送，不需要軟件參與，QSPI的每一位對應硬件測試指令的時間精度，所以最精確可以實現(xiàn)10 ns 的精度，同時上位機可以通過設置擴大MOSI 發(fā)送每一個bit 的時間，實現(xiàn)精度控制。固件采用32 bit 發(fā)送模式，由于發(fā)送buf 長度有限，單次發(fā)送數(shù)據(jù)量有限，可以通過修改分頻比實現(xiàn)數(shù)據(jù)量擴充。測試工裝執(zhí)行系統(tǒng)如圖5 所示。

圖5 測試工裝執(zhí)行系統(tǒng)

3 系統(tǒng)的PC 軟件設計

3.1 邏輯編碼原理

解析I2C 通信信號邏輯，提取特征模型，將I2C 指令分解為11 個部分，如表1 所示。

表1 邏輯編碼

由此，所有測試指令均可通過以下分解信號編碼得到，這就是本系統(tǒng)的邏輯編碼原理。

以SFF8472 協(xié)議為例，讀設備地址A2 下的80 地址寄存器，指令可以編碼為：

寫設備地址A2 下的7F 地址寄存器可以編碼為：

3.2 時域編碼原理

通過邏輯編碼后，下一步需要將邏輯指令轉(zhuǎn)化為01 數(shù)據(jù)發(fā)送給測試工裝，這就涉及時域編碼，通過以下指標控制I2C 信號時域波形。速率和步進作為已知參數(shù)。步進固定為10 ns 是由2.3 節(jié)單片機QSPI 模塊的bit精度決定。

針對一般的I2C 測試系統(tǒng)，設置比例系數(shù)如下：

以Step 為單位，在時域按位編碼測試指令，SDA 為通道1，SCL 為通道2，將數(shù)據(jù)以64 bit 一幀的方式編碼。SDA為通道1，長度為32 bit；SCL為通道2，長度為32 bit，分別編碼，結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

數(shù)字化后通過USB 發(fā)送給測試工裝，再讀取返回值，通過反向編碼獲取到應答位、數(shù)據(jù)位值。由此完成時域編碼，如表2 所示。

3.3 信號抓取

上位機完成信號發(fā)送后，通過程控示波器實現(xiàn)信號的獲取和具體指標的反饋。通過SCPI 指令集的Set 控制指令定位捕捉窗口，通過Query 查詢指令返回時序參數(shù)[15]。上位機通過指令解析獲取當前測試指令總時長，再通過具體參數(shù)bit 位置定位到待測點。同時示波器的測量設置還可以測試信號過沖幅度、信號質(zhì)量等。

4 測試系統(tǒng)

測試系統(tǒng)設置了6 個模塊，分別針對標準時序、亂序、九時鐘、特殊時序、重復時序、過沖進行了系統(tǒng)全面測試。

由于測試涉及寄存器讀寫，故針對不同光模塊協(xié)議的用戶可寫區(qū)，設置了不同的待測區(qū)域，例如：SFF8472協(xié)議的A2 設備地址00 頁、8636 協(xié)議的A0 設備地址02 頁，CMIS 協(xié)議的A0 設備地址03 頁等。預寫數(shù)據(jù)后配置示波器trigger 采樣時間，發(fā)送測試指令，通過測試應答位確認從機反饋，通過數(shù)據(jù)回讀確認是否誤改，通過示波器返回波形數(shù)據(jù)判斷時間指標是否合格。

標準時序：測試I2C 協(xié)議下的讀寫邏輯和時序指標。

亂序：測試主機時序混亂、欠缺情況下從機的反饋。

九時鐘：測試主機阻塞后，發(fā)送9 個時鐘信號，從機是否能解鎖。

特殊時序：測試主機I2C 信號邊沿重合或者超極限情況下從機是否能正常反饋。

重復時序：長時間壓力測試，主機持續(xù)發(fā)送讀寫指令，測試從機抗壓能力。

過沖測試：測試I2C 信號的電性能，測試主機下沖幅度、從機應答信號電平等。

測試系統(tǒng)PC 軟件測試結(jié)果如圖7 所示。

圖7 測試系統(tǒng)軟件測試結(jié)果

表3展示了標準時序下的部分測試結(jié)果，系統(tǒng)可以在10 min內(nèi)完成6個模塊的測試，極大提高了產(chǎn)品測試效率。

表3 測試結(jié)果

4 結(jié) 論

本文提出一種基于光模塊I2C 的自動化測試系統(tǒng)，利用MCU 的DMA 和QSPI 模塊實現(xiàn)了按bit 發(fā)送測試指令；并根據(jù)I2C 時序設計了一套自由編碼方式，可以實現(xiàn)多種測試環(huán)境搭建。系統(tǒng)可以實現(xiàn)100 kHz～1 MHz 的I2C 特性測試，也可以兼容SFF8472、SFF8636、CMIS 等多種光模塊協(xié)議，測試時序精度可達到10 ns，可以涵蓋所有I2C 測試需求，在光模塊相關(guān)產(chǎn)業(yè)有著良好的應用前景和價值。I2C 測試工裝與示波器等通過USB 連接，未來可以將系統(tǒng)集成化，進一步提升測試系統(tǒng)完整性。