中心議題：

• USB2.0 一致性測(cè)試的內(nèi)容及測(cè)試法
• 用力科公司的QualiPHY軟件快速進(jìn)行USB2.0產(chǎn)品一致性測(cè)試

解決方案：

• 力科QualiPHY軟件針對(duì)USB2.0物理層一致性測(cè)試的流程特點(diǎn)
• 提供易用操作和人性化的操作界面
• 全面而豐富的軟件功能
• 有效降低工程師操作儀器的復(fù)雜度
• 提高測(cè)試效率 

1、 USB2.0簡(jiǎn)介
通用串行總線USB是一種計(jì)算機(jī)外設(shè)連接規(guī)范，由PC行業(yè)的多家領(lǐng)導(dǎo)廠商聯(lián)合制定，其中英特爾公司和微軟公司占主導(dǎo)地位。USB規(guī)范推出以來(lái)歷經(jīng)1.0和1.1版本，目前已發(fā)展到2.0版本，速度也有最初的1.5Mbps提升到480Mbps。由于其速度比標(biāo)準(zhǔn)串口快4千多倍，支持多個(gè)設(shè)備的同時(shí)連接，而且具有真正的“即插即用”特性，因此一推向市場(chǎng)就受到了設(shè)備廠家的普遍青睞，如今已經(jīng)被計(jì)算機(jī)、存儲(chǔ)設(shè)備、游戲機(jī)、多媒體數(shù)字家電等數(shù)字產(chǎn)品廣泛使用。
USB2.0是一種4線串行系統(tǒng)，包括VBus，D-，D+和地線，D-和D+是數(shù)據(jù)傳輸線，VBus和地線傳輸5V電壓。按照功能的不同，USB2.0產(chǎn)品可分為主機(jī)(Host)、設(shè)備(Device)和集線器(Hub)三大類。還可以根據(jù)供電方式的不同將USB2.0設(shè)備分為總線供電(從主機(jī)汲取電流)和自供電兩種方式。為了適應(yīng)不同類型應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速度的要求，USB2.0定義了三種速率級(jí)別，分別是：

典型的USB低速設(shè)備包括電腦鼠標(biāo)、鍵盤，游戲機(jī)操控桿；而常見的全速設(shè)備包括電話、音頻設(shè)備、傳輸壓縮視頻數(shù)據(jù)的設(shè)備。市面上大部分USB2.0都屬于 高速設(shè)備，包括數(shù)碼相機(jī)、移動(dòng)硬盤等。

2、 什么是USB2.0 一致性測(cè)試
俗話說(shuō)“沒(méi)有規(guī)矩，不成方圓”。與IEEE802.3委員會(huì)負(fù)責(zé)制定以太網(wǎng)規(guī)范，PCI-SIG特別興趣組負(fù)責(zé)制定PCI Express總線規(guī)范一樣，USB的發(fā)展過(guò)程就是標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議不斷進(jìn)步完善的過(guò)程，而負(fù)責(zé)USB協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化的組織被稱為“USB Implementers Forum”，簡(jiǎn)稱USB-IF。該組織由多家業(yè)界領(lǐng)導(dǎo)廠商組成，不僅負(fù)責(zé)制定USB的物理層、協(xié)議層的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，而且發(fā)布了一系列測(cè)試規(guī)范來(lái)保證各廠家設(shè)計(jì)的USB產(chǎn)品能滿足互操作性。何謂互操作性，簡(jiǎn)而言之就是A公司生產(chǎn)的USB設(shè)備無(wú)需送到B公司檢測(cè)，就能被B公司生產(chǎn)的USB主機(jī)支持，只要其在出廠前按照USB-IF制定的測(cè)試規(guī)范在專業(yè)認(rèn)證機(jī)構(gòu)驗(yàn)證后合格即可。任何一家廠商生產(chǎn)的USB產(chǎn)品經(jīng)過(guò)統(tǒng)一規(guī)范驗(yàn)證后即能與任意其他廠家的USB合格產(chǎn)品兼容，這是USB技術(shù)發(fā)展壯大的根本保證，只有這樣才能鼓勵(lì)創(chuàng)新，打破技術(shù)壁壘和壟斷，推動(dòng)行業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展。

USB-IF制定的互操作性測(cè)試規(guī)范涵蓋多個(gè)方面，包括信號(hào)質(zhì)量、浪涌電流沖擊、下跌、衰弱測(cè)試及協(xié)議層特性?？紤]到USB架構(gòu)的層次性，測(cè)試規(guī)范又按照主機(jī)、設(shè)備、集線器、高速、全速、低速等劃分成多個(gè)類別，每個(gè)類別的測(cè)試參數(shù)都不盡相同，其涵蓋的全部參數(shù)都必須檢測(cè)合格后才算通過(guò)(Pass)。以USB2.0 高速 設(shè)備為例，其需要測(cè)試的信號(hào)質(zhì)量參數(shù)包括：

• ? 眼圖測(cè)試
• ? 信號(hào)速率
• ? 包結(jié)尾(EOP)寬度
• ? 交叉點(diǎn)電壓范圍
• ? JK 對(duì)抖動(dòng)
• ? KJ 對(duì)抖動(dòng)
• ? 連續(xù)抖動(dòng)
• ? 上升時(shí)間
• ? 下降時(shí)間

按照USB-IF制定的互操作性規(guī)范，使用專門儀器對(duì)USB產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程稱為“Compliance testing一致性測(cè)試”。數(shù)字示波器是在物理層分析USB產(chǎn)品一致性的最佳儀器工具。USB-IF為通過(guò)一致性測(cè)試的USB2.0產(chǎn)品頒發(fā)“通過(guò)認(rèn)證”的專用標(biāo)志，消費(fèi)者在購(gòu)買時(shí)必須選擇包裝箱上有該標(biāo)志的產(chǎn)品才能獲得質(zhì)量保證。歷史上最早通過(guò)USB－IF認(rèn)證的產(chǎn)品為NEC開發(fā)的主控制器LSI和美國(guó)Orange Micro公司開發(fā)的采用該LSI的PCI總線板。

3、 一致性測(cè)試面臨的挑戰(zhàn)
目前，進(jìn)行USB2.0物理層一致性測(cè)試的主要儀器平臺(tái)是高速數(shù)字示波器或串行數(shù)據(jù)分析儀包括力科的SDA，工程師在利用這些設(shè)備進(jìn)行測(cè)試時(shí)，普遍面臨如下困難：

3.1、如何掌握測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容
USB2.0是一種復(fù)雜的總線結(jié)構(gòu)，既包括高速、全速、低速三種速率級(jí)別，也包括主機(jī)、設(shè)備、集線器三類產(chǎn)品，每種類別又包括多個(gè)參數(shù)需要測(cè)試，幅度、抖動(dòng)、時(shí)序、過(guò)程等特性都需要一一分析是否滿足規(guī)范要求。USB2.0一致性測(cè)試規(guī)范對(duì)HighSpeed的Device分析就定義了幾十個(gè)參數(shù)。每一種參數(shù)的測(cè)量對(duì)于示波器的使用都定義了設(shè)置參數(shù)，如下1就是USB-IF對(duì)全速抖動(dòng)測(cè)試的容限范圍規(guī)定：

 

圖1 全速USB設(shè)備抖動(dòng)測(cè)試容限范圍測(cè)試規(guī)范對(duì)每種參數(shù)都有合格范圍，實(shí)際測(cè)量值必須落在這個(gè)范圍才被判定為合格。
所以，測(cè)試工程師既需要掌握完整的測(cè)試參數(shù)列表，又需要了解每種參數(shù)對(duì)應(yīng)的示波器工作狀態(tài)，還需要清楚每個(gè)參數(shù)的合格測(cè)量范圍。這是非常復(fù)雜的工作。

3.2、如何設(shè)置測(cè)試環(huán)境
USB2.0總線協(xié)議的信號(hào)質(zhì)量分析和一致性測(cè)試一般都離不開測(cè)試夾具的輔助。夾具的主要作用是在不同的信號(hào)形式之間相互轉(zhuǎn)換，具體來(lái)說(shuō)USB2.0測(cè)試夾具就是將USB電纜信號(hào)轉(zhuǎn)換成示波器能輸入的探頭信號(hào)。每個(gè)測(cè)量項(xiàng)目都需要測(cè)試夾具、被測(cè)器件和示波器三者之間建立合適的互連拓?fù)潢P(guān)系，準(zhǔn)確掌握所有連接關(guān)系也是非常困難的事情。

3.3、 對(duì)儀器操作不是很熟悉
串行數(shù)據(jù)總線技術(shù)包括USB2.0的飛速進(jìn)步對(duì)高性能示波器的性能提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也使得現(xiàn)代高端示波器的操作復(fù)雜度也日益加大，記住一致性測(cè)試規(guī)程中的每個(gè)步驟，示波器該如何操作，是非常不容易的事。

3.4、如何生成測(cè)試報(bào)告
每個(gè)硬件工程師都有這種切身體會(huì)，編寫測(cè)試報(bào)告時(shí)是非常費(fèi)神費(fèi)時(shí)的工作。需要收集測(cè)量結(jié)果、對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范來(lái)分析某個(gè)測(cè)量參數(shù)是否合格，保存關(guān)鍵波形畫面并帖到報(bào)告中去，如果測(cè)試參數(shù)多大幾十個(gè)，比如USB2.0測(cè)試，那工作量將是非常巨大的。

3.5、串行數(shù)據(jù)協(xié)議類型比較多
計(jì)算技術(shù)的不斷普及和內(nèi)容需求的迅猛增長(zhǎng)都需要更快的數(shù)字通路，目前PCI Express、SATA、HDMI、SAS等串行數(shù)據(jù)總線架構(gòu)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于數(shù)字環(huán)境中，而且更快速的PCIExpress2.0、HDMI1.3、SATAIII等第二代和第三代總線架構(gòu)也已經(jīng)開始出現(xiàn)或正在研發(fā)過(guò)程中。再加上更為普遍的Ethernet和USB2.0，串行總線協(xié)議的類型越來(lái)越豐富，對(duì)測(cè)試工程師的要求也越來(lái)越高。不同協(xié)議測(cè)試的切換都意味著重新開始學(xué)習(xí)。[page]
4. 力科QualiPHY軟件
高速數(shù)字系統(tǒng)工程師在進(jìn)行USB2.0或其他串行協(xié)議一致性測(cè)試時(shí)面臨的難題，作為業(yè)界領(lǐng)導(dǎo)廠商之一的美國(guó)力科公司深感有責(zé)任幫助工程們們應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，進(jìn)而有針對(duì)性的推出了功能強(qiáng)大、易于使用的QualiPHY軟件包，其具有的優(yōu)勢(shì)特性包括：

4.1、用戶可定制測(cè)量項(xiàng)目
完整的一致性測(cè)試包含十幾個(gè)甚至幾十個(gè)項(xiàng)目，但不是每次測(cè)試都要遍歷全部項(xiàng)目。

圖2 USB2.0測(cè)試項(xiàng)目定制窗口

QualiPHY軟件支持用戶可定制化測(cè)試項(xiàng)目，可以選擇單個(gè)或多個(gè)項(xiàng)目分別測(cè)試，從而大大提高了靈活性。圖2描述的是USB2.0 High Speed的Device or Hub測(cè)試項(xiàng)目定制窗口。

4.2、 自動(dòng)化測(cè)試
根據(jù)選擇好的測(cè)試項(xiàng)目，QualiPHY隨即展開一系列自動(dòng)化測(cè)試過(guò)程：自動(dòng)設(shè)置示波器工作參數(shù)包括采樣率、存儲(chǔ)深度、采集時(shí)間、縱軸刻度、觸發(fā)電平等；自動(dòng)定義測(cè)量參數(shù)；自動(dòng)調(diào)用第三方軟件如Matlab對(duì)波形運(yùn)算，自動(dòng)分析波形和測(cè)量結(jié)果，自動(dòng)輸出分析結(jié)果，整個(gè)測(cè)試過(guò)程完全是自動(dòng)化的，無(wú)需任何人工干預(yù)。在測(cè)試過(guò)程中會(huì)同步顯示測(cè)試狀態(tài)和過(guò)程提示。
QualiPHY軟件針對(duì)工程師操作示波器進(jìn)行一致性測(cè)試的使用特點(diǎn)而優(yōu)化自動(dòng)化測(cè)試流程，有效提高一致性測(cè)試效率，并大大降低了操作儀器難度和重復(fù)勞動(dòng)量，使得測(cè)試過(guò)程充滿樂(lè)趣而不再是枯燥無(wú)味的任務(wù)，因而一推出即深受工程師的喜愛。圖3是USB2.0一致性自動(dòng)測(cè)試界面。
 

圖3 USB2.0 一致性自動(dòng)化測(cè)試過(guò)程示意

4.3、圖表化提示
QualiPHY軟件的用戶界面設(shè)計(jì)非常人性化和直觀實(shí)用，它會(huì)以圖表化的方式顯示出一致性測(cè)試的每個(gè)環(huán)節(jié)中測(cè)試夾具、示波器主機(jī)和DUT三者之間的拓?fù)潢P(guān)系，使用者無(wú)需記憶，就能正確設(shè)置測(cè)試環(huán)境。下圖4清晰 顯示了USB2.0高速設(shè)備信號(hào)質(zhì)量測(cè)試中的夾具、DUT和示波器連接關(guān)系。

圖4 High Speed Devide Signal Quality測(cè)試連接示意圖

4.4、自動(dòng)分析測(cè)量數(shù)據(jù)
示波器采集波形并按規(guī)程測(cè)量參數(shù)后，QualiPHY軟件會(huì)自動(dòng)將其與標(biāo)準(zhǔn)值做對(duì)比，并輸出此參數(shù)通過(guò)或失敗的結(jié)論。下圖5展示了QualiPHY軟件包對(duì)FS Crossover Voltage - Mean分析的結(jié)果，實(shí)際測(cè)量值為1.57V，USB-IF標(biāo)準(zhǔn)合格范圍是1.30V到2.00V，顯然此參數(shù)測(cè)試通過(guò)。
 

圖5 QualiPHY自動(dòng)分析全速交叉電壓平均值

4.5、集成多種串行數(shù)據(jù)協(xié)議
QualiPHY軟件集成了多種串行協(xié)議，不僅支持USB2.0協(xié)議，而支持其他流行的串行協(xié)議諸如SATA、UWB、PCIE、SAS、FBDIMM、HDMI、DDR2、ENET等，如下圖所示。不同的串行協(xié)議采用相同的用戶界面和操作方法，工程師無(wú)需重復(fù)學(xué)習(xí)，舉一反三即可快速掌握全部協(xié)議的一致性測(cè)試流程。
 

圖6 QualiPHY集成多種串行數(shù)據(jù)協(xié)議

4.6、自動(dòng)輸出報(bào)告
QualiPHY軟件在完成所有指定項(xiàng)目的測(cè)量和分析任務(wù)后，會(huì)自動(dòng)生成美觀、實(shí)用、符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的測(cè)試報(bào)告，如圖7所示，報(bào)告格式可以選擇是XML、HTML或PDF格式。節(jié)省了編寫測(cè)試報(bào)告的時(shí)間，工程師就可以把更多精力放在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上，而不是測(cè)試上。

圖7 QualiPHY軟件自動(dòng)生成USB2.0一致性測(cè)試報(bào)告

5、結(jié)束語(yǔ)
美國(guó)力科公司推出的QualiPHY自動(dòng)化一致性測(cè)試軟件，運(yùn)行在中高端數(shù)字示波器或串行數(shù)據(jù)分析儀上，針對(duì)USB2.0物理層 一致性測(cè)試的流程特點(diǎn)，提供了易用操作和人性化的操作界面，全面而豐富的軟件功能，有效降低了工程師操作儀器的復(fù)雜度，提高了測(cè)試效率，從而使得一致性測(cè)試成為一件非常有趣的工作，而非枯燥無(wú)味的任務(wù)。

參考文獻(xiàn)
1 LeCroy QualiPHY Manual, LeCroy Corporation
2 USB-IF USB2.0 Electrical Test Spec.pdf