中心議題：
- USB2.0 一致性測試的內容及測試法
- 用力科公司的QualiPHY軟件快速進行USB2.0產品一致性測試
解決方案：
- 力科QualiPHY軟件針對USB2.0物理層一致性測試的流程特點
- 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雜度
- 提高測試效率
1、 USB2.0簡介
通用串行總線USB是一種計算機外設連接規范，由PC行業的多家領導廠商聯合制定，其中英特爾公司和微軟公司占主導地位。USB規范推出以來歷經1.0和1.1版本，目前已發展到2.0版本，速度也有最初的1.5Mbps提升到480Mbps。由于其速度比標準串口快4千多倍，支持多個設備的同時連接，而且具有真正的“即插即用”特性，因此一推向市場就受到了設備廠家的普遍青睞，如今已經被計算機、存儲設備、游戲機、多媒體數字家電等數字產品廣泛使用。
USB2.0是一種4線串行系統，包括VBus，D-，D+和地線，D-和D+是數據傳輸線，VBus和地線傳輸5V電壓。按照功能的不同，USB2.0產品可分為主機(Host)、設備(Device)和集線器(Hub)三大類。還可以根據供電方式的不同將USB2.0設備分為總線供電(從主機汲取電流)和自供電兩種方式。為了適應不同類型應用對數據傳輸速度的要求，USB2.0定義了三種速率級別，分別是：
典型的USB低速設備包括電腦鼠標、鍵盤，游戲機操控桿；而常見的全速設備包括電話、音頻設備、傳輸壓縮視頻數據的設備。市面上大部分USB2.0都屬于 高速設備，包括數碼相機、移動硬盤等。
2、 什么是USB2.0 一致性測試
俗話說“沒有規矩，不成方圓”。與IEEE802.3委員會負責制定以太網規范，PCI-SIG特別興趣組負責制定PCI Express總線規范一樣，USB的發展過程就是標準協議不斷進步完善的過程，而負責USB協議標準化的組織被稱為“USB Implementers Forum”，簡稱USB-IF。該組織由多家業界領導廠商組成，不僅負責制定USB的物理層、協議層的標準規范和實現細節，而且發布了一系列測試規范來保證各廠家設計的USB產品能滿足互操作性。何謂互操作性，簡而言之就是A公司生產的USB設備無需送到B公司檢測，就能被B公司生產的USB主機支持，只要其在出廠前按照USB-IF制定的測試規范在專業認證機構驗證后合格即可。任何一家廠商生產的USB產品經過統一規范驗證后即能與任意其他廠家的USB合格產品兼容，這是USB技術發展壯大的根本保證，只有這樣才能鼓勵創新，打破技術壁壘和壟斷，推動行業的持續健康發展。
USB-IF制定的互操作性測試規范涵蓋多個方面，包括信號質量、浪涌電流沖擊、下跌、衰弱測試及協議層特性。考慮到USB架構的層次性，測試規范又按照主機、設備、集線器、高速、全速、低速等劃分成多個類別，每個類別的測試參數都不盡相同，其涵蓋的全部參數都必須檢測合格后才算通過(Pass)。以USB2.0 高速 設備為例，其需要測試的信號質量參數包括：
- ? 眼圖測試
- ? 信號速率
- ? 包結尾(EOP)寬度
- ? 交叉點電壓范圍
- ? JK 對抖動
- ? KJ 對抖動
- ? 連續抖動
- ? 上升時間
- ? 下降時間
3、 一致性測試面臨的挑戰
目前，進行USB2.0物理層一致性測試的主要儀器平臺是高速數字示波器或串行數據分析儀包括力科的SDA，工程師在利用這些設備進行測試時，普遍面臨如下困難：
3.1、如何掌握測試標準內容
USB2.0是一種復雜的總線結構，既包括高速、全速、低速三種速率級別，也包括主機、設備、集線器三類產品，每種類別又包括多個參數需要測試，幅度、抖動、時序、過程等特性都需要一一分析是否滿足規范要求。USB2.0一致性測試規范對HighSpeed的Device分析就定義了幾十個參數。每一種參數的測量對于示波器的使用都定義了設置參數，如下1就是USB-IF對全速抖動測試的容限范圍規定：
圖1 全速USB設備抖動測試容限范圍測試規范對每種參數都有合格范圍，實際測量值必須落在這個范圍才被判定為合格。
所以，測試工程師既需要掌握完整的測試參數列表，又需要了解每種參數對應的示波器工作狀態，還需要清楚每個參數的合格測量范圍。這是非常復雜的工作。
3.2、如何設置測試環境
USB2.0總線協議的信號質量分析和一致性測試一般都離不開測試夾具的輔助。夾具的主要作用是在不同的信號形式之間相互轉換，具體來說USB2.0測試夾具就是將USB電纜信號轉換成示波器能輸入的探頭信號。每個測量項目都需要測試夾具、被測器件和示波器三者之間建立合適的互連拓撲關系，準確掌握所有連接關系也是非常困難的事情。
3.3、 對儀器操作不是很熟悉
串行數據總線技術包括USB2.0的飛速進步對高性能示波器的性能提出了更高的標準，同時也使得現代高端示波器的操作復雜度也日益加大，記住一致性測試規程中的每個步驟，示波器該如何操作，是非常不容易的事。
3.4、如何生成測試報告
每個硬件工程師都有這種切身體會，編寫測試報告時是非常費神費時的工作。需要收集測量結果、對比標準規范來分析某個測量參數是否合格，保存關鍵波形畫面并帖到報告中去，如果測試參數多大幾十個，比如USB2.0測試，那工作量將是非常巨大的。
3.5、串行數據協議類型比較多
計算技術的不斷普及和內容需求的迅猛增長都需要更快的數字通路，目前PCI Express、SATA、HDMI、SAS等串行數據總線架構已經廣泛應用于數字環境中，而且更快速的PCIExpress2.0、HDMI1.3、SATAIII等第二代和第三代總線架構也已經開始出現或正在研發過程中。再加上更為普遍的Ethernet和USB2.0，串行總線協議的類型越來越豐富，對測試工程師的要求也越來越高。不同協議測試的切換都意味著重新開始學習。[page]
4. 力科QualiPHY軟件
高速數字系統工程師在進行USB2.0或其他串行協議一致性測試時面臨的難題，作為業界領導廠商之一的美國力科公司深感有責任幫助工程們們應對這一挑戰，進而有針對性的推出了功能強大、易于使用的QualiPHY軟件包，其具有的優勢特性包括：
4.1、用戶可定制測量項目
完整的一致性測試包含十幾個甚至幾十個項目，但不是每次測試都要遍歷全部項目。
圖2 USB2.0測試項目定制窗口
QualiPHY軟件支持用戶可定制化測試項目，可以選擇單個或多個項目分別測試，從而大大提高了靈活性。圖2描述的是USB2.0 High Speed的Device or Hub測試項目定制窗口。
4.2、 自動化測試
根據選擇好的測試項目，QualiPHY隨即展開一系列自動化測試過程：自動設置示波器工作參數包括采樣率、存儲深度、采集時間、縱軸刻度、觸發電平等；自動定義測量參數；自動調用第三方軟件如Matlab對波形運算，自動分析波形和測量結果，自動輸出分析結果，整個測試過程完全是自動化的，無需任何人工干預。在測試過程中會同步顯示測試狀態和過程提示。
QualiPHY軟件針對工程師操作示波器進行一致性測試的使用特點而優化自動化測試流程，有效提高一致性測試效率，并大大降低了操作儀器難度和重復勞動量，使得測試過程充滿樂趣而不再是枯燥無味的任務，因而一推出即深受工程師的喜愛。圖3是USB2.0一致性自動測試界面。
圖3 USB2.0 一致性自動化測試過程示意
4.3、圖表化提示
QualiPHY軟件的用戶界面設計非常人性化和直觀實用，它會以圖表化的方式顯示出一致性測試的每個環節中測試夾具、示波器主機和DUT三者之間的拓撲關系，使用者無需記憶，就能正確設置測試環境。下圖4清晰 顯示了USB2.0高速設備信號質量測試中的夾具、DUT和示波器連接關系。
圖4 High Speed Devide Signal Quality測試連接示意圖
4.4、自動分析測量數據
示波器采集波形并按規程測量參數后，QualiPHY軟件會自動將其與標準值做對比，并輸出此參數通過或失敗的結論。下圖5展示了QualiPHY軟件包對FS Crossover Voltage - Mean分析的結果，實際測量值為1.57V，USB-IF標準合格范圍是1.30V到2.00V，顯然此參數測試通過。
圖5 QualiPHY自動分析全速交叉電壓平均值
4.5、集成多種串行數據協議
QualiPHY軟件集成了多種串行協議，不僅支持USB2.0協議，而支持其他流行的串行協議諸如SATA、UWB、PCIE、SAS、FBDIMM、HDMI、DDR2、ENET等，如下圖所示。不同的串行協議采用相同的用戶界面和操作方法，工程師無需重復學習，舉一反三即可快速掌握全部協議的一致性測試流程。
圖6 QualiPHY集成多種串行數據協議
4.6、自動輸出報告
QualiPHY軟件在完成所有指定項目的測量和分析任務后，會自動生成美觀、實用、符合標準規范的測試報告，如圖7所示，報告格式可以選擇是XML、HTML或PDF格式。節省了編寫測試報告的時間，工程師就可以把更多精力放在產品設計上，而不是測試上。
圖7 QualiPHY軟件自動生成USB2.0一致性測試報告
5、結束語
美國力科公司推出的QualiPHY自動化一致性測試軟件，運行在中高端數字示波器或串行數據分析儀上，針對USB2.0物理層 一致性測試的流程特點，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雜度，提高了測試效率，從而使得一致性測試成為一件非常有趣的工作，而非枯燥無味的任務。
參考文獻
1 LeCroy QualiPHY Manual, LeCroy Corporation
2 USB-IF USB2.0 Electrical Test Spec.pdf
