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1、基于 Infiniium 9000 系列示波器的 从物理层到协议层 USB2.0 的测试方案 安捷伦科技中国有限公司 马卓凡 概述 自从 1995 年 USB（ Universal Serial Bus，通用串行总线） 诞生起，由于 USB 接口 的简单易用、支持热插拔 、 速度快等特点 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
2、 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 速度的提高，对于设计和开发 者 来说，信号完整性 的问题也越来越 突显， 另外以串行的传输结构，在协议层和互操作方面也有更大的挑战。 USB-IF（ USB Implementers Forum， USB 实施者论坛 ） 制定了一致性测试规范， 在电气层面、功能层面、互操作层面 规定认证测试方
3、案， 并授权测试实验室认证测试，USB 相关产品通过测试取得 USB 徽标的认证。 这 就 要求 USB 开发人员能够在 实验室 研发阶段， 进行满足 一致性 规范要求的预测试，及早的发现和解决问题， 从而 加快产品的 量产速度。 本文介绍了基于集示波器和协议分析功能为一身的安捷伦 Infiniium 9000 系列示波器用来测试和分析 USB2.0 物理 电气 层 和协议 层 的 完整 解决方案 *。 USB 2.0 基本 规范 USB 2.0 规范定义了 三种信号速率， 分别是低速，全速和高速， 电气特性 如表1 所示 ： 速率 幅度 上升时间 * 低速 (Low Speed) 1.5 M
4、b/s 3.3 V 75 ns - 300 ns 全速 (Full Speed) 12 Mb/s 3.3 V 4 ns 20 ns 高速 (High Speed) 480 Mb/s 400 mV 500 ps 表 1 USB 2.0 电气特性 规范 * 由于篇幅所限，本文只介绍针对 USB2.0 总线 的测试方案 ， USB3.0 的测试方案 另文介绍。 *上升沿时间 Tr 定义为 10%-90% 小问题： USB2.0 测试需要多大的带宽的示波器 对于高速 USB2.0 信号来说，信号的最大频率分量 fMAX=0.5/Tr 。 在保证 3%的测量精度的要求下，示波器的带宽 BWscope=1
5、.9 x fMAX (注：此公式适用于 高斯响应示波器 )。 所以，对于 上升沿时间为 500 ps 的 高速 USB 2.0 信号，示波器的带宽至少应该为 2 GHz 左右 ，以 9000 系列示波器来说，应选取 2.5 GHz 带宽的示波器 以及更高带宽的差分探头 进行高速 USB 信号的测试。 USB 系统设备类型包括主机 (Host)， 集线器 (Hub)， 外设 (Device)。 USB Host 负责管理 I/O 系统及应用软件， 管理外设枚举 (Enumeration)，在运行过程中初始化对特定外设的操作；每个外设接受操作并做出响应，另外主机也将外设纳入系统的电源管理体系。 H
6、ub 提供扩展的 USB 外设接口，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 (Upstream)和下行(Downstream)分别定义了数据从外设到主机以及从主机到外设的方向。 USB 采用 4 线结构，分别为 VBUS， GND， D+, D-。图 1 所示为高速 USB 接口的结构图， 差分总线以 Rpu 上拉至 3.3V，当 啁啾 (Chirp)握手后，如果支持高速模式，那么 Rpu 电阻将被断开， 总线 切换到高速模式。 图 1
7、USB2.0 高速收发器的结构图 高速 USB 测试需要高速信号质量，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。 9000 系列示波器概述 表 2 9000 系列示波器的基本指标 首先 如表 2 所示， 9000 系列示波器 硬件带宽最大达 4GHz， 标准配置 20 Mpts (2 通道模式 )， 最深 可以 配置 达到 1G pts 的存储深度， 具有丰富的示波器分析和调试的工具，波形观察和测
8、量的能力 ，此系列示波器每通道都具有 50 ohm 及 1M ohm 输入阻抗，可直接使用标准配置 4 个无源探头，进行低速和全速USB 信号的测量 。一致性测试软件N5416A 提供对 USB2.0 完整的物理层测试方案。 另外， 可升级的 MSO（ Mixed Signal Oscilloscope 混合信号示波器）选型的 9000 示波器，标准 配置 每通道128Mpts 深度的 逻辑通道 ， 可以 在同一 时基 下观察和调试 信号的模拟波形及 16 路逻辑时序， 支持模数混合 状态和 码型触发， 从系统层面 分析复杂总线。 此外，安捷伦独有 的 基于示波器的 协议分析功能 ，具有 I2
9、C/SPI， CAN/FlexRay，RS-232/UART， USB， PCIe， SATA， MIPI D-Phy， 8b/10b 等协议的 观察 和分析 能力 ,能够快速执行测试，并在协议层和物理层之间进行切换。 图 2 9000 系列示波器实物图 本文主要针对 USB 2.0 测试 的 9000 示波器的 方案 ，此系列示波器的其他 应用可以参考相关的文章。 基于 9000 示波器的 USB2.0 物理层测试 如图 3 所示， 基于 9000 示波器的USB2.0 物理层测试包括示波器DSO9254A，运行于示波器的 USB 一致性测试软件 N5416A，探头InfiniiMax 系列
10、的 1131A 有源放大器及 E2678A 插座式探头前端，再配合E2649B 高速测试夹具， E2646A 全速 /低速测试夹具，以及 安捷伦 独有 的 OTG 测试夹具 N5417A 对 Host， Device， Hub， OTG 等 不同类型的 USB被测件进行测试。 为了完成一致性测试， USB2.0 规范规定了 USB 主机、外设、 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 如图 4 的 USBHSET 软件来控制 被测件 ，或者通过 配置设备 芯片的控制寄存器设置相关模式
11、。 图 4 USB-IF 高速电气测试工具 USB 测试夹具套件 E2649B 包括了 如下部分 ： E2649-66401 设备 TDR/信号质量测试夹具 E2649-66402 主机 TDR/信号质量测试夹具 图 5 E2649B 示波器 测试夹具 图 3 USB2.0 测试方案框图 E2649-66403 设备接收机灵敏度测试夹具 E2649-66404 主机切断测试夹 E2649-66405 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连通 (初始化通路 )及被测件的测试 (Test Load)状态，在初始化设置 被测件进入 测试模式后，通过继电器开关切换至 测试模
12、式，继而 由示波器 完成信号测试 。 如图 6 所示， USB2.0 一致性测试软件 N5416A 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，从而大大提高了测试效率 。 另外它 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 还是使用串行数据分析的方法等等，使用户能够更灵活的调试获得相应测试结果 ，另外， N5416A 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、探头及示波器的连接向导，控制软件设置方法，以及波形图例，方便用户
13、在线测试 ，不必再专门翻阅相关手册。 如图 7 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，图片，并且在测试目录下自动保存 PNG， HTML， TSV 文件， 客户可以方便的把测试报告存放在测试文档里，用于后续的分析 和数据交换 。 图 6 N5416A 测试参数选择界面 图 7 N5416A 测试向导界面 USB-IF 发布 了 一致性测试的软件 USBET，传统的方法 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 文件格式，调入 USBET 软件进行离线分析， 安捷伦的 N5416A 集成了 USBET 的
14、 Matlab 脚本 算法，默认以此算法 直接在示波器内 完成相关参数的测试， 提高了测试效率，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 。 基于 9000 示波器的 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存储下来再做离线的数据分析，这会大大增加分析时间，而 且也会额外引入由于人为因素造成的误差。另外如果需要触发一些特殊的协议层的条件，传统的示波器往往是没有办法实现的。 基于 9000 示波器的 N5464B USB 触发和解码应用选件扩展了示波器的功能，有效解决上述的问题
15、，在示波器上方便的完成对高速，全速，低速 USB 协议的调试和测试。 如图 8 所示， 在设置好速率，分配好通道后， 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，存储深度，采样率，触发抑释 时间 等 ，可以在 30 秒内完成 USB 总线的解码。在高速测量，以差分探头通道 或者存储到 memory 里的数据 作为数据源，在全速 /低速的协议测量时，通道支持模拟通道 ，存储到 memory 里的数据 ，也支持逻辑通道，可以 用 逻辑通道作为 USB 的解码数据源，而以模拟通道观察 和测量其它时间 相关的信号波形 。 USB2.0 的触发 支持丰富的 USB 协议层
16、的触发 条件 ， 以硬件捕获示波器通道或逻辑通道的数据 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图 8 串行解码基本设置界面 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 9 所示， 触发类型包括 Token， Data，握手，特殊， Error 等 , 具体可见表3 触发条件的选择。 并且可以通过后处理查找， 快 速查找指定事件发生的次数和位置。 表 3 USB 触发类型 USB 2.0 的协议解码 支持高速，全速，低速的USB 协议解码， 如图 9 所示的协议解码结果， 在协议层观察器可以直观浏览协议包的时间标签，类型，地址，端点
