USB2.0从物理层到协议层的测试方案

1、基于基于 infiniium 9000 系列示波器的系列示波器的 从物理层到协议层从物理层到协议层 usb2.0 的测试方案的测试方案 安捷伦科技中国有限公司安捷伦科技中国有限公司 马卓凡马卓凡 概述概述 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 spee

2、d，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案，并授权测试实

3、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 基本基本规范规范 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 mb/s 3.3 v 75 ns - 300 ns 全速(full

4、 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=1.9 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

5、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。hub 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

6、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 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

7、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

8、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 i2c/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

9、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。 基于基于 9000 示波器的示波器的 usb2.0 物理层物理层测试测试 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，d

10、evice，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。 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 e2649

11、b 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

12、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

13、 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 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。 基于基于 9000 示波器的示波器的 usb2.0 协议协议层测试层测试 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

14、，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，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

15、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

16、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，payload，crc 等等；通过额外的标签可以观察协议包的更加易读的细节，以 hex 或 ascii 码格式显示的 payload，以及在 header 标签显示的数据书格式包。在包列表里可以将解码结果保存为.csv 或.txt 文件以备后续的数据记录和分析。 图 9 usb 触发条件的设置 图 9 usb 触发条件的设置 拖动跟踪光标，或在协议包列表窗口选中显亮某个 packet，可以时间相关的跟踪 usb 协议包信息与物理层的信号波形，帮助用户快速找到信号完整性及协议相关的问题 总结总结 安捷伦 infiniium 9000 系列示波器继承了安捷伦传统示波器优秀性能指标，集逻辑分析仪、协议分析仪于一身，大大提升了对复杂系统和高速串行总线的分析测试能力。基于 9000 示波器最完整的 usb 2.0 调试、分析和一致性测试解决方案，提供了从物理层的一致性测试、调试到时间相关的