中心議題：

• 嵌入式產(chǎn)品中USB2.0主機接口的眼圖測試
• USB2.0測試機理

解決方案：

• 使用PC主機替代嵌入式控制主機
• 對產(chǎn)品板級USB Hub進(jìn)行Down Stream Facing Port 的Test Packet測試

〔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(guò)一個(gè)測試案例展開(kāi)了對USB2.0測試機理的探討，對后續的嵌入式產(chǎn)品USB2.0主機測試有一定的參考意義。
〔關(guān)鍵詞〕嵌入式，USB2.0
〔略縮語(yǔ)〕USB IF：USB Implementers Forum, Inc.

一 前言
在高速串行技術(shù)如此廣泛應用的今天，簡(jiǎn)單易用的USB堪稱(chēng)是PC平臺上最成功的I/O技術(shù)，普及率幾乎100％。而且隨著(zhù)終端用戶(hù)對于高速USB設備應用需求的不斷增加，越來(lái)越多的嵌入式通信類(lèi)終端產(chǎn)品開(kāi)始增加了USB2.0主機接口的設計以滿(mǎn)足客戶(hù)的應用需求。成熟的應用技術(shù)由PC平臺轉向嵌入式平臺的已經(jīng)成為一種趨勢。為了滿(mǎn)足USB2.0一致性應用的需求，所有的USB2.0設計都必須滿(mǎn)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(lèi)終端的嵌入式USB2.0 主機的測試面臨更多的挑戰。特別是進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的應用廠(chǎng)商而言，如何滿(mǎn)足USB2.0物理層一致性測試要求很大程度上需要原廠(chǎng)在測試模式以及測試封包方面提供更多的支持。但應用需求的多樣化導致了許多設計架構脫離了原廠(chǎng)的測試狀態(tài)機控制范疇，問(wèn)題接踵而來(lái)。

二 嵌入式USB2.0主機測試

1 產(chǎn)品USB部分原理及測試環(huán)境

產(chǎn)品USB控制原理
USB控制主機采用某大型通訊類(lèi)方案提供商的IAD解決方案，片內集成一個(gè)USB2.0控制器，然后通過(guò)一個(gè)USB HUB中繼對外提供２個(gè)高速主機接口。

2 測試中出現的問(wèn)題
本次測試將主要驗證產(chǎn)品上兩個(gè)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(zhù)明確的眼圖模板定義如下： 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，連續發(fā)送規范的測試碼流以測定眼圖模板，上升下降時(shí)間，傳輸抖動(dòng)以及其他的一些AC指標。也就是說(shuō)測試是基于原廠(chǎng)對于測試模式的支持并提供相應的Firmware。準備測試前工程師和原廠(chǎng)溝通后順利拿到了測試Firmware和測試命令。原廠(chǎng)提供的測試方法是在上電啟動(dòng)之后進(jìn)入CFE模式然后下載和運行測試專(zhuān)用Image,這樣就可以使用Test_Packet命令進(jìn)行眼圖的測試了。測試連接圖示如下： 一切看起來(lái)都是那么的順利，但是當我們通過(guò)串口進(jìn)行Test Packet命令下發(fā)之后在兩個(gè)主機接口卻看不到信號波形出現。因為是第一次進(jìn)行嵌入式USB的測試，所以對于出現的問(wèn)題是沒(méi)有任何經(jīng)驗可以參考和借鑒的。從串口信息來(lái)看是顯示命令下發(fā)成功的，那問(wèn)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)現有相應的信號波形出現。也就是說(shuō)USB主機控制器已經(jīng)執行了Test Packet命令并發(fā)送了測試碼流,問(wèn)題出現在了USB Hub這里，它并沒(méi)有向兩個(gè)Down Stream Facing Port轉發(fā)碼流。而且原廠(chǎng)提供的命令也很奇怪，根據有PC主板測試經(jīng)驗的工程師的意見(jiàn)，對于HUB的測試應該需要指定測試端口才對。而在測試命令中我們并沒(méi)有看到相應的指令而只有簡(jiǎn)單的Test Packet命令。在詢(xún)問(wèn)了原廠(chǎng)技術(shù)人員后問(wèn)題有了答案：

（1）原來(lái)我們采用的方案只支持一個(gè)USB 主機接口，所以在片上只集成一個(gè)USB 主機 Controller，測試命令也是基于主機控制器類(lèi)型的。而我們的板級應用是采用了一個(gè)USB Hub與主機 Controller中繼來(lái)實(shí)現多端口應用的擴展，根本無(wú)法進(jìn)行Hub Down Stream Facing Port的測試。

（2）并且原廠(chǎng)的測試是在CFE模式下通過(guò)下載運行特定的測試程式來(lái)進(jìn)行測試，在這個(gè)階段，并沒(méi)有實(shí)現USB Hub的初始化以及配置字的操作，也就是說(shuō)USB Hub是不可控的無(wú)法進(jìn)入測試模式的設定。我們的多USB主機端口的應用設計使得系統架構中加入了USB Hub進(jìn)行中繼，已經(jīng)超出了原廠(chǎng)設計的USB測試狀態(tài)機控制范疇，導致了無(wú)法通過(guò)原廠(chǎng)提供的測試命令進(jìn)行測試。再次和原廠(chǎng)技術(shù)支持討論新的測試程式的開(kāi)發(fā)從時(shí)間說(shuō)來(lái)看已經(jīng)不實(shí)際了，客戶(hù)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(jìn)行嵌入式USB 主機測試就遇到如此棘手的問(wèn)題，工程師們一時(shí)間束手無(wú)策。有沒(méi)有另外的方法呢？

3 問(wèn)題分析解決
在和客戶(hù)方面的資深工程師分析和討論之后，我們有了一個(gè)非常巧妙的解決方案，當然還需要實(shí)際的測試來(lái)驗證。USB專(zhuān)業(yè)測試人員都知道，USB IF針對USB一致性測試提供了一個(gè)專(zhuān)用測試工具 （USB-IF HS Electrical Test Tool）以方便開(kāi)發(fā)者進(jìn)行相關(guān)的USB測試。但這個(gè)工具只能運行在PC主機上，而我們的嵌入式系統其實(shí)也是通過(guò)相應的底層命令來(lái)實(shí)現這個(gè)工具相關(guān)的測試功能。從測試拓撲來(lái)看，我們目前的問(wèn)題主要在于嵌入式控制主機無(wú)法實(shí)現對USB Hub的控制和測試模式設定。從控制系統的角度來(lái)說(shuō)，不管是嵌入式控制主機還是PC主機都實(shí)現的是USB主機控制器的作用，也就是說(shuō)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(jìn)行Down Stream Facing Port的Test Packet測試了。當然，我們首先要斷開(kāi)嵌入式控制主機與USB Hub之間的Up Stream Facing Port并飛線(xiàn)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(xiàn)即可。完成后的圖示如下： 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(jìn)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(lèi)測試并發(fā)現了板級的USB Hub。我們已經(jīng)初步實(shí)現了之前關(guān)于控制系統的設想，圖示如下： 在圖示中的Port Control欄中選擇Test Packet命令，在相應的Port欄中選擇我們需要測試的端口如1，示波器上出現了我們期待已久的信號波形（如下）。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。有專(zhuān)業(yè)的分析工具就是不一樣，我們根據測試報告中的關(guān)鍵測試數據，優(yōu)化了我們的電路設計使得主機接口的信號更加理想（圖示如下，本文中不對分析內容進(jìn)行展開(kāi)）。 三 測試總結
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(guò)程，感觸頗深?？梢哉f(shuō)因為是第一次進(jìn)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(lái)的問(wèn)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：

仔細和深入的解讀產(chǎn)品的規范是我們順利進(jìn)行測試的基礎和依據，例如此次的USB2.0 SPEC。所有的設計和測試都是依據規范展開(kāi)的，只有解讀了規范，才能保證理解USB2.0的內部架構和狀態(tài)控制機，才能保證測試的順利進(jìn)行。

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

一套真正專(zhuān)業(yè)實(shí)用的分析設備和工具非常關(guān)鍵，此次使用的美國力科（Lecory）的數字示波器和USB2.0分析軟件對于我們高效的分析信號和準確的定位問(wèn)題非常關(guān)鍵。有了專(zhuān)業(yè)儀器廠(chǎng)商的支持才能確保產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)進(jìn)度和質(zhì)量。

當然，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(huì )面臨更多的挑戰，希望本文可以給到從事嵌入式USB開(kāi)發(fā)測試的工程師一些思路和借鑒。

[參考文獻]
1：Universal Serial Bus Specification Revision 2.0,USB IF
2：USB2_OperatorsManual_RevD ,LeCroy Corporation