巧妙測試嵌入式USB2.0主機接口信號質(zhì)量

摘要: 本文主要討論了某款嵌入式產(chǎn)品中USB2.0主機接口的眼圖測試。通過一個測試案例展開了對USB2.0測試機理的探討，對后續(xù)的嵌入式產(chǎn)品USB2.0主機測試有一定的參考意義。

在高速串行技術(shù)如此廣泛應(yīng)用的今天，簡單易用的USB堪稱是PC平臺上最成功的I/O技術(shù)，普及率幾乎100％。而且隨著終端用戶對于高速USB設(shè)備應(yīng)用需求的不斷增加，越來越多的嵌入式通信類終端產(chǎn)品開始增加了USB2.0主機接口的設(shè)計以滿足客戶的應(yīng)用需求。成熟的應(yīng)用技術(shù)由PC平臺轉(zhuǎn)向嵌入式平臺的已經(jīng)成為一種趨勢。

為了滿足USB2.0一致性應(yīng)用的需求，所有的USB2.0設(shè)計都必須滿足USB IF發(fā)布的USB2.0物理層一致性測試要求。相對于比較成熟的PC平臺USB2.0 主機測試技術(shù)而言，基于通信類終端的嵌入式USB2.0 主機的測試面臨更多的挑戰(zhàn)。特別是進行二次開發(fā)的應(yīng)用廠商而言，如何滿足USB2.0物理層一致性測試要求，很大程度上需要原廠在測試模式以及測試封包方面提供更多的支持。但應(yīng)用需求的多樣化導(dǎo)致了許多設(shè)計架構(gòu)脫離了原廠的測試狀態(tài)機控制范疇，問題接踵而來。

嵌入式USB2.0主機測試具體過程

本文中的USB控制主機采用某大型通訊類方案提供商的IAD解決方案，片內(nèi)集成一個USB2.0控制器，然后通過一個USB HUB中繼對外提供２個高速主機接口。所選用的測試設(shè)備如表1所示。

表1：嵌入式USB 2.0主機測試所采用的測試設(shè)備

測試中出現(xiàn)的問題本次測試將主要驗證產(chǎn)品上兩個USB高速主機接口的眼圖。對于USB2.0物理層的眼圖測試，USB IF在USB2.0 SPEC中有著明確的眼圖，模板定義如圖2所示。

F1: DUT_USB2.0功能框圖

F2: 傳輸信號波形模版

關(guān)于USB高速主機眼圖測試的測試方法，USB IF在USB2.0 SPEC中也有清晰的定義，USB2.0主機控制器必須支持規(guī)定的測試模式。對于眼圖的測試則必須支持Test Packet測試模式，連續(xù)發(fā)送規(guī)范的測試碼流以測定眼圖模板、上升下降時間、傳輸抖動以及其他的一些AC指標(biāo)。也就是說，測試是基于原廠對于測試模式的支持并提供相應(yīng)的Firmware。準備測試前工程師和原廠溝通后順利拿到了測試Firmware和測試命令。原廠提供的測試方法是在上電啟動之后進入CFE模式然后下載和運行測試專用Image，這樣就可以使用Test_Packet命令進行眼圖的測試了。測試連接圖示參見圖3。

F3: 測試連接圖

一切看起來都是那么的順利，但是當(dāng)我們通過串口進行Test Packet命令，下發(fā)之后在兩個主機接口卻看不到信號波形出現(xiàn)。因為是第一次進行嵌入式USB的測試，所以對于出現(xiàn)的問題是沒有任何經(jīng)驗可以參考和借鑒的。從串口信息來看顯示命令是下發(fā)成功的，那問題到底出在哪里呢？只有從信號流向一步一步地查找了。工程師首先測試了USB HUB與CPU之間的Upstream接口，發(fā)現(xiàn)有相應(yīng)的信號波形出現(xiàn)。也就是說，USB主機控制器已經(jīng)執(zhí)行了Test Packet命令并發(fā)送了測試碼流。那么，問題是出現(xiàn)在USB Hub這里，它并沒有向兩個Down Stream Facing Port轉(zhuǎn)發(fā)碼流。而且原廠提供的命令也很奇怪，根據(jù)有PC主板測試經(jīng)驗的工程師的意見，對于HUB的測試應(yīng)該需要指定測試端口才對。而在測試命令中，我們并沒有看到相應(yīng)的指令而只有簡單的Test Packet命令。在詢問了原廠技術(shù)人員后問題有了答案：

（1）原來我們采用的方案只支持一個USB 主機接口，所以在片上只集成一個USB 主機Controller，測試命令也是基于主機控制器類型的。而我們的板級應(yīng)用是采用了一個USB Hub與主機Controller中繼來實現(xiàn)多端口應(yīng)用的擴展，根本無法進行Hub Down Stream Facing Port的測試。

（2）原廠的測試是在CFE模式下通過下載運行特定的測試程式來進行測試，在這個階段，并沒有實現(xiàn)USB Hub的初始化以及配置字的操作。也就是說，USB Hub是不可控的，無法進入測試模式的設(shè)定。我們的多USB主機端口的應(yīng)用設(shè)計使得系統(tǒng)架構(gòu)中加入了USB Hub進行中繼，這超出了原廠設(shè)計的USB測試狀態(tài)機控制范疇，導(dǎo)致了無法通過原廠提供的測試命令進行測試。再次和原廠技術(shù)支持討論新測試程式的開發(fā)，從時間來看已經(jīng)不實際了，客戶非常關(guān)注并要求我們必須盡快給到USB 主機的測試報告。第一次進行嵌入式USB 主機測試就遇到如此棘手的問題，工程師們一時間束手無策。有沒有另外的方法呢？

問題分析解決在和客戶方面的資深工程師分析和討論之后，我們有了一個非常巧妙的解決方案，當(dāng)然還需要實際的測試來驗證。

USB專業(yè)測試人員都知道，USB IF針對USB一致性測試提供了一個專用測試工具(USB-IF HS Electrical Test Tool)以方便開發(fā)者進行相關(guān)的USB測試。但這個工具只能運行在PC主機上，而我們的嵌入式系統(tǒng)其實也是通過相應(yīng)的底層命令來實現(xiàn)這個工具相關(guān)的測試功能。

從測試拓撲來看，我們目前的問題主要在于嵌入式控制主機無法實現(xiàn)對USB Hub的控制和測試模式設(shè)定。從控制系統(tǒng)的角度來說，不管是嵌入式控制主機還是PC主機實現(xiàn)的都是USB主機控制器的作用，也就是說，我們可以使用PC主機替代嵌入式控制主機，在一臺裝有USB-IF HS Electrical Test Tool的PC上對產(chǎn)品板級USB Hub進行Down Stream Facing Port的Test Packet測試。當(dāng)然，我們首先要斷開嵌入式控制主機與USB Hub之間的Up Stream Facing Port，并飛線與PC主機的USB接口連接。因為測試單扳本身提供5V供電，所以我們只需要飛出D+/D-/GND三線即可。完成后的電路板如圖4所示。

F4: USB Hub Up Stream Port飛線圖

我們使用了一臺裝有USB-IF HS Electrical Test Tool的ThinkPad R51作為控制平臺，在按照上面的圖示進行測試連接并將產(chǎn)品上電之后，我們在測試工具中選擇了Hub類測試并發(fā)現(xiàn)了板級的USB Hub。現(xiàn)在，我們已經(jīng)初步實現(xiàn)了之前關(guān)于控制系統(tǒng)的設(shè)想，參見圖5。

F5: 控制工具設(shè)置界面

在圖5中的Port Control欄中選擇Test Packet命令，在相應(yīng)的Port欄中選擇我們需要測試的端口如1，示波器上出現(xiàn)了我們期待已久的信號波形(圖6)。按照Lecroy示波器USB2.0測試軟件中的Step by Step，示波器很快就完成了測試并輸出了分析報告。根據(jù)測試報告中的關(guān)鍵測試數(shù)據(jù)，我們優(yōu)化了電路設(shè)計，使得主機接口的信號更加理想。

F6: 優(yōu)化調(diào)整后的USB-主機眼圖

測試總結(jié)

此次嵌入式USB2.0主機接口眼圖的測試到此算是順利完成了，重新回顧一下我們的測試過程，感觸頗深?？梢哉f因為是第一次進行USB高速主機接口的測試，前期的準備工作并不是很充分。但正是有這些突如其來的問題，讓我們可以更加深入的理解和分析USB技術(shù)的原理和測試方法，有很多的收獲和經(jīng)驗和大家一起分享：

（1） 仔細和深入的解讀產(chǎn)品的規(guī)范是我們順利進行測試的基礎(chǔ)和依據(jù)，例如此次的USB2.0 SPEC。所有的設(shè)計和測試都是依據(jù)規(guī)范展開的，只有解讀了規(guī)范，才能保證理解USB2.0的內(nèi)部架構(gòu)和狀態(tài)控制機，才能保證測試的順利進行。

（2） 真正理解控制系統(tǒng)，此次測試的關(guān)鍵在于工程師首先理解的USB2.0 SPEC的同時大膽進行了控制主機的假定替代。用歸一化的方法來審視我們的控制系統(tǒng)以及層次化系統(tǒng)功能層面是我們進行測試設(shè)計創(chuàng)新的保證。

（3） 一套真正專業(yè)實用的分析設(shè)備和工具非常關(guān)鍵，此次使用的美國力科（Lecory）的數(shù)字示波器和USB2.0分析軟件對于我們高效的分析信號和準確的定位問題非常關(guān)鍵。有了專業(yè)儀器廠商的支持才能確保產(chǎn)品的開發(fā)進度和質(zhì)量。

當(dāng)然，USB主機信號質(zhì)量的測試不僅僅是眼圖部分，USB IF關(guān)于USB2.0一致性測試規(guī)范還有很多的測試項目需要完成。而且對于嵌入式USB測試而言，會面臨更多的挑戰(zhàn)，希望本文可以給到從事嵌入式USB開發(fā)測試的工程師一些思路和借鑒。