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从物理层到协议层USB2.0的测试方案
以示波器为基础

【作者: 馬卓凡】2009年12月01日 星期二

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USB发展概述


自从1995年USB诞生起,由于USB接口的简单易用、支持热插入、速度快等特点,因此被广泛应用于当今的电子产品中。USB堪称是PC平台上最成功的I/O技术,除PC及外设外,也成为打印机、手机及各种消费电子产品标准的扩展接口。USB标准规范历经多年的发展从第一代的1.0 Low Speed/1.1 Full Speed,演进到2.0 High Speed标准,补充标准On-The-Go(OTG)允许便携设备之间直接交换数据,在2008年底USB 3.0 Super Speed规范也已经发布。这些接口标准都是向下兼容的,接口速度也由1.5Mbps,12Mbps,480Mbps发展到5Gbps。



随着接口传输速度提高,信号完整性的问题也越来越重要,此外串行传输结构在协议层和互操作方面也有更大的挑战。USB实施者论坛(USB-IF)制定了一致性测试规范,在电气层、功能层、互操作层等规定认证测试方案,并授权测试实验室认证测试,USB相关产品通过测试后则取得USB徽标认证。



USB 2.0基本规范


USB 2.0规范定义了三种讯号速率,电气特性如表一所示:




《表一 USB 2.0电气特性规范示意表》




USB系统设备类型包括主机(Host)、集线器(Hub)、装置(Device)。USB Host负责管理I/O系统及应用软件,管理外设列举(Enumeration),在运作过程中初始化对特定装置的操作;每个装置接受操作并做出回应,另外主机也将装置纳入系统的电源管理体系。Hub提供扩展的USB装置接口,最多可以级联5级,最多可以连接127个USB设备。Device接受Host发起的操作,发送或接收数据。设备可以自供电或者由主机供电,主机供电设备最大吸收电流为500mA。上行和下行分别定义了数据从装置到主机以及从主机到装置的方向。




《图一 USB2.0 高速收发器的结构图》




高速USB测试需要高速讯号质量,接收灵敏度,CHIRP时序,包参数等等,低速和全速测试则还包括了信号质量,冲击电流,Droop/Drop测试等内容。信号质量测试又包括眼图、包尾宽度、信号速率、上升/下降时间、交叉点电压范围、JK/KJ抖动、连续抖动等等。



以示波器为基础的USB2.0物理层测试



《图二 USB2.0测试方案示意图 》




如图二所示,以示波器为基础的USB2.0物理层测试包括示波器、运作于示波器的USB一致性测试软件、主动放大器及插座式探棒前端,再配合高速测试夹具、全速/低速测试夹具、以及OTG测试夹具,可对Host,Device,Hub,OTG等不同类型的USB待测物进行测试。



为了完成一致性测试,USB2.0规范规定了USB主机、装置、Hub必须支持测试模式Test_Packet、Test_J、Test_K、Test_SE0_NAK等,通常来说可以采用USB-IF发布的USBHSET软件来控制待测物,或者藉由搭配设备芯片的控制存取器设置相关模式,如图三示。



《图三 USB-IF高速电气测试工具》


《图四 示波器测试夹具》


示波器测试夹具


USB测试夹具套件包括了设备TDR/信号质量测试夹具、主机TDR/信号质量测试夹具、设备接收机灵敏度测试夹具、主机切断测试夹、下跌和衰落测试夹具。



USB高速测试夹具上提供主机和被测设备的初始化通路及待测物的测试(Test Load)状态,在初始化设置待测物进入测试模式后,藉由继电器开关切换至测试模式,由示波器完成信号测试。



一致性测试软件


如图五所示,USB2.0一致性测试软件以自动化的方式可以同时选择多个测量参数,软件自动依次执行每一参数的设置及测试,可大大提高测试效率。




《图五 一致性测试软件测试参数选择接口》




另外一致性测试软件提供了Debug模式,可以手动调整某些参数比如迟滞阈值、触发电平、选择模板,选择测试方法使用MATLAB或是使用串行数据分析的方法等等,能让厂商更灵活地调校获得相应测试结果,另外,一致性测试软件可在测试时选择多次重复测量,得到有统计意义的结果,并标记最差结果。



测试软件会根据测量参数的选择提示夹具、探棒及示波器的连接向导,和控制软件设置方法,以及波形图例,可方便用户进行在线测试。




《图六 一致性测试软件测试向导接口》




如图六所示,在测试完成后会自动生成完整的HTML报告,测试报告里包含所有被选参数的测量结果和图片,并且在测试目录下自动保存PNG、HTML或TSV档,用户可方便地把测试报告存放在测试文件夹里。



确保测试一致性


USB-IF发布了一致性测试的软件USBET,传统方法为了保证与官方算法的一致性,需要将示波器捕获的数据存储成.tsv档格式,调入USBET软件进行脱机分析。而量测厂商的一致性测试软件整合USBET的Matlab脚本算法,以此算法直接在示波器内完成相关参数的测试,可提高测试效率,更重要的是这种方法能够保证测试结果与USB-IF认证测试结果的一致性。



《图七 串行译码基本设置接口》


以示波器为主的USB2.0协议层测试


USB总线采用串行数据传送,如果使用传统的示波器方式进行协议层的分析,往往需要把示波器捕获的波形储存下来,再做脱机的数据分析,这会大大增加分析时间,而且也会额外引入人为因素所造成的误差。另外如果需要触发一些特殊的协议层条件,传统的示波器往往是没有办法实现的。



量测厂商所开发的USB触发和译码应用选件,可有效解决上述问题,并在示波器上完成对高速、全速、低速USB协议的调校和测试。



如图七所示,在设置好速率、分配好信道后,Auto Setup 自动配置触发电平、测量阈值、电压垂直灵敏度、垂直偏置、储存深度、采样率、触发抑释时间等,可以在30秒内完成USB总线的译码。在高速测量,以差分探头信道或者储存到内存里的数据作为数据源,在全速/低速的协议测量时,信道支持模拟信道,储存到内存里的数据,也支持逻辑信道,可以用逻辑信道作为USB的译码数据源,而以模拟信道观察和测量其他时间相关的信号波形。



USB2.0的触发


支持USB协议层的触发条件,以硬件捕获示波器信道或逻辑信道的数据并重建USB协议帧,监控协议帧与设定的协议层触发条件对照,当条件满足时实现触发,这种基于示波器硬件的触发方式,保证触发的实时性,不会错过任何设定的触发事件。如图八所示,触发类型包括Token、Data、握手、特殊、Error等。



USB 2.0的协议译码


支持高速,全速,低速的USB协议译码,如图七所示的协议译码结果,在协议层观察器可以直观浏览协议包的时间卷标、类型、地址、端点、payload、CRC等等。通过额外的卷标可观察协议包更加易读的细节,以HEX或ASCII码格式显示的Payload,以及在Header卷标显示的数据书格式包。在列表里可以将译码结果保存为.csv或.txt档。



《图八 USB触发条件的设置》



《表二 USB触发类型》





《图九 USB触发条件的设置》




总结


示波器集逻辑分析仪、协议分析仪于一身,可提升对复杂系统和高速串行总线的分析测试能力。以示波器为基础的USB 2.0调校、分析和一致性测试解决方案,可提供物理层的一致性测试、调校到时间相关的协议层调校和分析功能。



总结



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