USB2.0从物理层到协议层的测试方案

基于Infiniium 9000系列示波器的

从物理层到协议层USB2.0的测试方案

安捷伦科技中国有限公司马卓凡

概述

自从1995年USB（Universal Serial Bus，通用串行总线）诞生起，由于USB接

口的简单易用、支持热插拔、速度快等特点被广泛应用于当今的电子产品中，USB

堪称是PC平台上最成功的I/O技术，除PC及外设外，也成为打印机、手机及各种消费电子产品标准的扩展接口。USB标准规范历经多年的发展从第一代的1.0 Low Speed/1.1 Full Speed，演进到2.0 High Speed标准，补充标准On-The-Go（OTG）允

许便携设备之间直接交换数据，在2008年底USB 3.0 Super Speed规范也已经发布。这些接口标准都是向下兼容的，接口速度也由1.5Mbps，12Mbps，480Mbps发展

到5Gbps。

随着接口传输速度的提高，对于设计和开发者来说，信号完整性的问题也越

来越突显，另外以串行的传输结构，在协议层和互操作方面也有更大的挑战。USB-IF（USB Implementers Forum，USB实施者论坛）制定了一致性测试规范，在电气

层面、功能层面、互操作层面规定认证测试方案，并授权测试实验室认证测试，USB相关产品通过测试取得USB徽标的认证。这就要求USB开发人员能够在实验

室研发阶段，进行满足一致性规范要求的预测试，及早的发现和解决问题，从而加快产品的量产速度。

本文介绍了基于集示波器和协议分析功能为一身的安捷伦Infiniium 9000系列

示波器用来测试和分析USB2.0物理电气层和协议层的完整解决方案*。

USB 2.0基本规范

USB 2.0规范定义了三种信号速率，分别是低速，全速和高速，电气特性如表

1所示：

速率幅度上升时间**

低速(Low Speed) 1.5 Mb/s 3.3 V 75 ns - 300 ns

全速(Full Speed) 12 Mb/s 3.3 V 4 ns – 20 ns

高速(High Speed) 480 Mb/s 400 mV 500 ps

表1 USB 2.0电气特性规范

* 由于篇幅所限，本文只介绍针对USB2.0总线的测试方案，USB3.0的测试方案另文介绍。

**上升沿时间T r定义为10%-90%

小问题：USB2.0测试需要多大的带宽的示波器

对于高速USB2.0信号来说，信号的最大频率分量f MAX=0.5/T r。

在保证3%的测量精度的要求下，示波器的带宽BW scope=1.9 x f MAX (注：此公式适用于高斯响应示波器)。

所以，对于上升沿时间为500 ps的高速USB 2.0信号，示波器的带宽至少应该为2 GHz左右，以9000系列示波器来说，应选取2.5 GHz带宽的示波器以及更高带宽的差分探头进行高速USB信号的测试。

USB系统设备类型包括主机 (Host)，集线器(Hub)，外设(Device)。USB Host负责管理I/O系统及应用软件，管理外设枚举 (Enumeration)，在运行过程中初始化对特定外设的操作；每个外设接受操作并做出响应，另外主机也将外设纳入系统的电源管理体系。Hub提供扩展

的USB外设接口，最多可以

级联5级，最多可以连接

127个USB设备。Device接

受Host发起的操作，发送或

接收数据。设备可以自供电

或者由主机供电，主机供电

设备最大吸收电流为500mA。

上行(Upstream)和下行

(Downstream)分别定义了数

据从外设到主机以及从主机

到外设的方向。

USB采用4线结构，分

别为V BUS， GND， D+, D-。

图1所示为高速USB接口的结构图，差分总线以Rpu上拉至3.3V，当啁啾(Chirp)握手后，如果支持高速模式，那么Rpu电阻将被断开，总线

切换到高速模式。

图1 USB2.0 高速收发器的结构图

高速USB测试需要高速信号质量，接收灵敏度，CHIRP时序，包参数等等，低速和全速测试则还包括了信号质量，冲击电流，Droop/Drop测试等内容。信号质

量测试又包括眼图、包尾宽度、信号速率、上升/下降时间、交叉点电压范围、JK/KJ 抖动、连续抖动等等。 9000系列示波器概述

表 2 9000系列示波器的基本指标

首先如表2所示，9000系列示波器硬件带宽最大达4GHz ，标准配置20 Mpts (2通道模式)，最深可以配置达到1G pts 的存储深度，具有丰富的示波器分析和调试的工具，波形观察和测量的能力，此系列示波器每通道都具有50 ohm 及1M ohm 输入阻抗，可直接使用标准配置4个无源探头，进行低速和全速USB 信号的测量。一致性测试软件N5416A 提供对USB2.0完整的物理层测试方案。

另外，可升级的MSO （Mixed

Signal Oscilloscope 混合信号示波器）选型的9000示波器，标准配置每通道

128Mpts 深度的逻辑通道，可以在同一时基下观察和调试信号的模拟波形及16路逻辑时序，支持模数混合状态和码型触发，从系统层面分析复杂总线。

此外，安捷伦独有的基于示波器的协议分析功能，具有I2C/SPI ，CAN/FlexRay ，RS-232/UART ，USB ，PCIe ，SATA ，MIPI D-Phy ，8b/10b 等协议的观察和分析能力,能够快速执行测试，并在协议层和物理层之间进行切换。

图2 9000系列示波器实物图