一 前言
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(jī)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(jī)測試技術(shù)而言,，基于通信類終端的嵌入式USB2.0 主機(jī)的測試面臨更多的挑戰(zhàn)。特別是進(jìn)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" title="測試模式">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(jī)控制范疇，問題接踵而來,。
二 嵌入式USB2.0主機(jī)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(jī)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(jī)接口,。
測試設(shè)備：
DUT_USB2.0功能框圖
2 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(jī)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下：
Transmit Waveform. Template
關(guān)于USB高速主機(jī)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(jī)控制器" title="主機(jī)控制器">主機(jī)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(zhǔn)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(jìn)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(jìn)行眼圖的測試了。測試連接圖示如下：
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(jìn)行TEST Packet命令下發(fā)之后在兩個主機(jī)接口卻看不到信號波形出現(xiàn),。因為是第一次進(jìn)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,。從串口信息來看是顯示命令下發(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(jī)控制器已經(jīng)執(zhí)行了TEST Packet命令并發(fā)送了測試碼流,問題出現(xiàn)在了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(jī)接口，所以在片上只集成一個USB 主機(jī) CONtroller,，測試命令也是基于主機(jī)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(jī) Controller中繼來實現(xiàn)多端口應(yīng)用的擴(kuò)展，根本無法進(jìn)行Hub Down Stream Facing Port的測試,。
(2)并且原廠的測試是在CFE模式下通過下載運行特定的測試程式來進(jìn)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(jìn)入測試模式的設(shè)定,。我們的多USB主機(jī)端口的應(yīng)用設(shè)計使得系統(tǒng)架構(gòu)中加入了USB Hub進(jìn)行中繼，已經(jīng)超出了原廠設(shè)計的USB測試狀態(tài)機(jī)控制范疇,，導(dǎo)致了無法通過原廠提供的測試命令進(jìn)行測試,。再次和原廠技術(shù)支持討論新的測試程式的開發(fā)從時間說來看已經(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(jī)的測試報告,。第一次進(jìn)行嵌入式USB 主機(jī)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?
3 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(jìn)行相關(guān)的USB測試,。但這個工具只能運行在PC主機(jī)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?fù)鋪砜?，我們目前的問題主要在于嵌入式控制" title="嵌入式控制">嵌入式控制主機(jī)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)" title="控制系統(tǒng)">控制系統(tǒng)的角度來說，不管是嵌入式控制主機(jī)還是PC主機(jī)都實現(xiàn)的是USB主機(jī)控制器的作用,，也就是說我們可以使用PC主機(jī)替代嵌入式控制主機(jī)，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(dāng)然,，我們首先要斷開嵌入式控制主機(jī)與USB Hub之間的Up Stream Facing Port并飛線與PC主機(jī)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,。完成后的圖示如下：
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(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類測試并發(fā)現(xiàn)了板級的USB Hub,。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,，圖示如下：
控制工具設(shè)置界面
在圖示中的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(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,。有專業(yè)的分析工具就是不一樣,，我們根據(jù)測試報告中的關(guān)鍵測試數(shù)據(jù)，優(yōu)化了我們的電路設(shè)計使得主機(jī)接口的信號更加理想(圖示如下,，本文中不對分析內(nèi)容進(jìn)行展開),。
優(yōu)化調(diào)整后的USB-主機(jī)眼圖
三 測試總結(jié)
此次嵌入式USB2.0主機(jī)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,。可以說因為是第一次進(jìn)行USB高速主機(jī)接口的測試,，前期的準(zhǔn)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：
仔細(xì)和深入的解讀產(chǎn)品的規(guī)范是我們順利進(jìn)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(jī),，才能保證測試的順利進(jìn)行。
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(jìn)行了控制主機(jī)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(jìn)行測試設(shè)計創(chuàng)新的保證。
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(zhǔn)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(jìn)度和質(zhì)量。
當(dāng)然,，USB主機(jī)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。