串行数据物理层一致性测试系列之三--USB2.0的一致性测试分析

         USB2.0 一致性测试的内容及测试法
         用力科公司的QualiPHY软件快速进行USB2.0产品一致性测试
        解决方案：
         力科QualiPHY软件针对USB2.0物理层一致性测试的流程特点
         提供易用操作和人性化的操作界面
         全面而丰富的软件功能
         有效降低工程师操作仪器的复杂度
         提高测试效率

1、 USB2.0简介

 通 用串行总线USB是一种计算机外设连接规范，由PC行业的多家领导厂商联合制定，其中英特尔公司和微软公司占主导地位。USB规范推出以来历经1.0和 1.1版本，目前已发展到2.0版本，速度也有最初的1.5Mbps提升到480Mbps。由于其速度比标准串口快4千多倍，支持多个设备的同时连接，而 且具有真正的“即插即用”特性，因此一推向市场就受到了设备厂家的普遍青睐，如今已经被计算机、存储设备、游戏机、多媒体数字家电等数字产品广泛使用。

USB2.0 是一种4线串行系统，包括VBus，D-，D+和地线，D-和D+是数据传输线，VBus和地线传输5V电压。按照功能的不同，USB2.0产品可分为主 机(Host)、设备(Device)和集线器(Hub)三大类。还可以根据供电方式的不同将USB2.0设备分为总线供电(从主机汲取电流)和自供电两 种方式。为了适应不同类型应用对数据传输速度的要求，USB2.0定义了三种速率级别，分别是：

典型的USB低速设备包括电脑鼠标、键盘，游戏机操控杆；而常见的全速设备包括电话、音频设备、传输压缩视频数据的设备。市面上大部分USB2.0都属于高速设备，包括数码相机、移动硬盘等。

2、 什么是USB2.0 一致性测试

俗 话说“没有规矩，不成方圆”。与IEEE802.3委员会负责制定以太网规范，PCI-SIG特别兴趣组负责制定PCI Express总线规范一样，USB的发展过程就是标准协议不断进步完善的过程，而负责USB协议标准化的组织被称为“USB Implementers Forum”，简称USB-IF。该组织由多家业界领导厂商组成，不仅负责制定USB的物理层、协议层的标准规范和实现细节，而且发布了一系列测试规范来 保证各厂家设计的USB产品能满足互操作性。何谓互操作性，简而言之就是A公司生产的USB设备无需送到B公司检测，就能被B公司生产的USB主机支持， 只要其在出厂前按照USB-IF制定的测试规范在专业认证机构验证后合格即可。任何一家厂商生产的USB产品经过统一规范验证后即能与任意其他厂家的 USB合格产品兼容，这是USB技术发展壮大的根本保证，只有这样才能鼓励创新，打破技术壁垒和垄断，推动行业的持续健康发展。

USB- IF制定的互操作性测试规范涵盖多个方面，包括信号质量、浪涌电流冲击、下跌、衰弱测试及协议层特性。考虑到USB架构的层次性，测试规范又按照主机、设 备、集线器、高速、全速、低速等划分成多个类别，每个类别的测试参数都不尽相同，其涵盖的全部参数都必须检测合格后才算通过(Pass)。以USB2.0 高速 设备为例，其需要测试的信号质量参数包括：
         眼图测试
         信号速率
         包结尾(EOP)宽度
         交叉点电压范围
         JK 对抖动
         KJ 对抖动
         连续抖动
         上升时间
         下降时间

按 照USB-IF制定的互操作性规范，使用专门仪器对USB产品进行检测的过程称为“Compliance testing一致性测试”。数字示波器是在物理层分析USB产品一致性的最佳仪器工具。USB-IF为通过一致性测试的USB2.0产品颁发“通过认 证”的专用标志，消费者在购买时必须选择包装箱上有该标志的产品才能获得质量保证。历史上最早通过USB－IF认证的产品为NEC开发的主控制器LSI和 美国Orange Micro公司开发的采用该LSI的PCI总线板。

3、 一致性测试面临的挑战

目前，进行USB2.0物理层一致性测试的主要仪器平台是高速数字示波器或串行数据分析仪包括力科的SDA，工程师在利用这些设备进行测试时，普遍面临如下困难：

3.1、如何掌握测试标准内容

USB2.0 是一种复杂的总线结构，既包括高速、全速、低速三种速率级别，也包括主机、设备、集线器三类产品，每种类别又包括多个参数需要测试，幅度、抖动、时序、过 程等特性都需要一一分析是否满足规范要求。USB2.0一致性测试规范对HighSpeed的Device分析就定义了几十个参数。每一种参数的测量对于 示波器的使用都定义了设置参数，如下1就是USB-IF对全速抖动测试的容限范围规定：
 

        图1 全速USB设备抖动测试容限范围测试规范对每种参数都有合格范围，实际测量值必须落在这个范围才被判定为合格。

所以，测试工程师既需要掌握完整的测试参数列表，又需要了解每种参数对应的示波器工作状态，还需要清楚每个参数的合格测量范围。这是非常复杂的工作。 [p]

3.2、如何设置测试环境

USB2.0 总线协议的信号质量分析和一致性测试一般都离不开测试夹具的辅助。夹具的主要作用是在不同的信号形式之间相互转换，具体来说USB2.0测试夹具就是将 USB电缆信号转换成示波器能输入的探头信号。每个测量项目都需要测试夹具、被测器件和示波器三者之间建立合适的互连拓扑关系，准确掌握所有连接关系也是 非常困难的事情。

3.3、 对仪器操作不是很熟悉

串行数据总线技术包括USB2.0的飞速进步对高性能示波器的性能提出了更高的标准，同时也使得现代高端示波器的操作复杂度也日益加大，记住一致性测试规程中的每个步骤，示波器该如何操作，是非常不容易的事。

3.4、如何生成测试报告

每个硬件工程师都有这种切身体会，编写测试报告时是非常费神费时的工作。需要收集测量结果、对比标准规范来分析某个测量参数是否合格，保存关键波形画面并帖到报告中去，如果测试参数多大几十个，比如USB2.0测试，那工作量将是非常巨大的。

3.5、串行数据协议类型比较多

计 算技术的不断普及和内容需求的迅猛增长都需要更快的数字通路，目前PCI Express、SATA、HDMI、SAS等串行数据总线架构已经广泛应用于数字环境中，而且更快速的PCIExpress2.0、HDMI1.3、 SATAIII等第二代和第三代总线架构也已经开始出现或正在研发过程中。再加上更为普遍的Ethernet和USB2.0，串行总线协议的类型越来越丰 富，对测试工程师的要求也越来越高。不同协议测试的切换都意味着重新开始学习。

4. 力科QualiPHY软件

高速数字系统工程师在进行USB2.0或其他串行协议一致性测试时面临的难题，作为业界领导厂商之一的美国力科公司深感有责任帮助工程们们应对这一挑战，进而有针对性的推出了功能强大、易于使用的QualiPHY软件包，其具有的优势特性包括：

4.1、用户可定制测量项目

完整的一致性测试包含十几个甚至几十个项目，但不是每次测试都要遍历全部项目。

        图2 USB2.0测试项目定制窗口

QualiPHY软件支持用户可定制化测试项目，可以选择单个或多个项目分别测试，从而大大提高了灵活性。图2描述的是USB2.0 High Speed的Device or Hub测试项目定制窗口。

4.2、 自动化测试

根 据选择好的测试项目，QualiPHY随即展开一系列自动化测试过程：自动设置示波器工作参数包括采样率、存储深度、采集时间、纵轴刻度、触发电平等；自 动定义测量参数；自动调用第三方软件如Matlab对波形运算，自动分析波形和测量结果，自动输出分析结果，整个测试过程完全是自动化的，无需任何人工干 预。在测试过程中会同步显示测试状态和过程提示。

QualiPHY软件针对工程师操作示波器进行一致性测试的使用特点而优化自动 化测试流程，有效提高一致性测试效率，并大大降低了操作仪器难度和重复劳动量，使得测试过程充满乐趣而不再是枯燥无味的任务，因而一推出即深受工程师的喜 爱。图3是USB2.0一致性自动测试界面。

        图3 USB2.0 一致性自动化测试过程示意

4.3、图表化提示

 QualiPHY 软件的用户界面设计非常人性化和直观实用，它会以图表化的方式显示出一致性测试的每个环节中测试夹具、示波器主机和DUT三者之间的拓扑关系，使用者无需 记忆，就能正确设置测试环境。下图4清晰显示了USB2.0高速设备信号质量测试中的夹具、DUT和示波器连接关系。

        图4 High Speed Devide Signal Quality测试连接示意图

4.4、自动分析测量数据

示 波器采集波形并按规程测量参数后，QualiPHY软件会自动将其与标准值做对比，并输出此参数通过或失败的结论。下图5展示了QualiPHY软件包对 FS Crossover Voltage - Mean分析的结果，实际测量值为1.57V，USB-IF标准合格范围是1.30V到2.00V，显然此参数测试通过。 [p]

        图5 QualiPHY自动分析全速交叉电压平均值

4.5、集成多种串行数据协议

QualiPHY 软件集成了多种串行协议，不仅支持USB2.0协议，而支持其他流行的串行协议诸如SATA、UWB、PCIE、SAS、FBDIMM、HDMI、 DDR2、ENET等，如下图所示。不同的串行协议采用相同的用户界面和操作方法，工程师无需重复学习，举一反三即可快速掌握全部协议的一致性测试流程。

        图6 QualiPHY集成多种串行数据协议

 4.6、自动输出报告

QualiPHY 软件在完成所有指定项目的测量和分析任务后，会自动生成美观、实用、符合标准规范的测试报告，如图7所示，报告格式可以选择是XML、HTML或PDF格 式。节省了编写测试报告的时间，工程师就可以把更多精力放在产品设计上，而不是测试上。

        图7 QualiPHY软件自动生成USB2.0一致性测试报告

5、结束语

美 国力科公司推出的QualiPHY自动化一致性测试软件，运行在中高端数字示波器或串行数据分析仪上，针对USB2.0物理层一致性测试的流程特点，提供 了易用操作和人性化的操作界面，全面而丰富的软件功能，有效降低了工程师操作仪器的复杂度，提高了测试效率，从而使得一致性测试成为一件非常有趣的工作， 而非枯燥无味的任务。

参考文献
        1 LeCroy QualiPHY Manual, LeCroy Corporation
        2 USB-IF USB2.0 Electrical Test Spec.pdf