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USB2.0器件的一致性验证
2007/2/1 12:14:37    Dave Fink,泰克公司示波器方案部

目前,USB技术正在不断地应用于更多的市场领域,其中超过1,000种USB设备已经通过了一致性测试。按照PC Data公布的统计数据,在多个电脑设备中,USB外设最畅销。

USB着眼于PC外设市场,是对PC架构进行的一个工业标准级的扩展。USB的主要目标包括:
• 使PC外设的扩展易于使用
• 为低成本解决方案,支持的数据率高达480Mb/s
• 完全支持语音、音频、视频等实时数据
• 在混合模式的同步数据传输和异步声讯处理方面,USB协议具有很大的灵活性
• 可以与日常装置技术集成在一起
• 具有各种不同的PC结构和外形
• 提供了一个快速切入产品领域的标准接口
• 激发新型设备,增强PC的能力
• USB2.0完全后向兼容基于早前各种版本规范的设备
• USB2.0描述了低速、全速和高速数据率。按照设计,高速和全速的数据类型可能是同步的,而低速数据支持较小的数据负荷,一般应用于鼠标、键盘等交互式装置。

USB采用了一个带有屏蔽罩的4线系统,这4条线分别为VBUS、D-、D+和接地线。其中,VBUS为设备供电,通过主机或HUB驱动主控电源。USB-IF从USB2.0开始,建立了一个验证和标记程序,说服开发者以此对其USB设备进行完全测试。在此验证的基础上,设备制造业者可以使用新的USB商标,以标识某一设备已经通过,并符合所有对应的USB2.0规范要求。


1. 准备验证


目前,USB-IF组织已经采用了一个一致性/验证标识程序,要求设备供应商在准许将“Certified USB High-Speed”标志粘贴于其产品之前,首先对这些产品进行符合性测试。对于从事高速设备的USB2.0设计师们来说,必须保证其设备满足USB2.0规范所包含的所有验证要求。USB-IF和设备供应商为USB一致性测试实验室(Plugfests)提供了各种各样的USB装置、测试夹具和测试设备,以帮助设计师进行一致性验证。

USB-IF也建立了一个独立验证资源网络,方便设备开发者的验证工作。这些“第三方公司”能帮助设备开发者实施验证,或判断他们的设备究竟在哪些方面不符合USB2.0规范。第三方验证公司的名单公布于USB-IF网站。

基于产品上市周期方面的考虑,设备设计者确实需要使验证工作越快越好。如果方便的话,季度性的Plugfests不应成为影响产品推向市场的瓶颈,尤其是如果某一待测产品在Plugfest验证期间失败,而且必需的纠正措施超出了当时重新测试能力范围的情况下。

当然,制造商不希望等到下一季度重新对其产品进行一致性测试。第三方机构有对失效设备进行验证测试的责任。事实证明,重复进行一个周期的提交、失效、修理和再测试的代价是昂贵的。时间就是金钱, 第三方测试实验室会向客户的每一个循环收取费用。

很明显,解决该问题的方法是要求设计师尽最大的努力,向第三方机构提交通过验证的可能性较大的设备。为了保证能够通过,意味着设计师必须在提交产品之前,预先对产品进行测试和验证。要确保待测设备顺利通过验证,需要预先对产品进行一致性测试,由于预先测试执行了同一标准,产品通过验证的信心就处于合理的水平。

USB2.0规范第7章详细地描述了符合USB2.0规范之设备的物理层操作特性。由于低速和全速设备面市时间较早,测试要求容易理解。高速设备面市时间和验证时间短,这就是本文讨论的焦点。

对于高达480Mb/s的信号链路来说,高速的一致性设备必须具有良好的传输性能,以便与下行和上行设备配合。为了实现该数据率,每一数据链的每一端均通过一个45欧姆的电阻器与接地端连接,从而形成了一个90欧姆的端接电阻。

为了在更高速模态下进行数据传输,数据转发机将其内部的电流源指向于D+/D-数据链,分别发出一个J或 K信号。这些数据被编码成NRZI模式,与低速和全速模式一样。其中,实际的驱动电平没有负荷,分别在J 或K状态下测量,测得的具体数值为±400mV±10%。当数据链路处于Squelch模式和非法状态的时候,应当使用差分电压进行检测。同样,如果连接器处的信号处于高速状态,下行面对的设备也使用差分电压进行测量,以检测设备是否存在断路现象。


2. 测试与测量


总的来说,USB2.0设备的一致性测试大体上沿袭了USB1.1设备的一致性测试协议,主要增加部分都与USB2.0高速模式有关。

高速模式为USB设备的设计带来了新的复杂性。在480Mb/s最大数据率所要求的设计技术方面,RF工程师可能比数码产品设计师更加熟悉。值得庆幸的是,USB-IF网站含有演示、白皮书等技术信息,以引导设计师熟悉这些新的特性。

需要在设计时特别注意的方面包括:
• 设备的包装
• PCB布线
• 底板接地
• PCB线径的分布
• EMI纠正
• 数据信号的振幅/抖动

USB2.0规范详细地描述了对一致性设备的物理层要求。该规范包括Tx和Rx电压极限、电缆和PCB阻抗、时间延迟、容性负载、信号发送、所支持的测试模式、电源分配和功耗、浪涌电流、抖动、边缘计时和码率计时。

一般来说,USB一致性测试的主要目的是验证设备是否符合:
• USB设备结构规则
• 浪涌电流特性
• 上行信号质量
• 下行信号质量
• 降噪(Squelch)
• 时域反射计
• 电压下降和电压跌落
• 其他测试

(1)设备结构

该部分测试主要评估与低档USB设备协议之间的兼容性。重新安装并恢复之后,应检查DUT的安装和响应是否正确。其他设备检查项目包括悬空、寻址、远程唤醒、动态连接和移动。USB2.0规范第9章提供了有关设备结构的详细信息。

典型的测试装置包括:一个USB主控系统、自供电HUB、CATC UHT型HUB测试仪、鼠标或其它HID。

(2)浪涌电流/电压下降和电压跌落特性

为了防止对上行设备可能造成的损害,必须按照USB2.0规范第7章的定义,对总线驱动型USB设备的浪涌电流进行限制。浪涌电流达到最大时的轮廓必须限制在一定的范围内,使电源的瞬时响应不被淹没。浪涌电流“长钉”状波形的上升边缘一定不能超过100mA/ms。下行面对的端口必须能够吸收边缘上升幅度不超过100mA/us的500mA“长钉”状波纹电流,满足电压跌落方面的要求,具体参考动态过程中浪涌电流的有关定义。同时,设计师也必须在设备唤醒时验证浪涌电流,而不管该设备是自己复醒(遥控唤醒)或因为接收到外部信号而恢复。USB设备必须对VBUS上的浪涌电流进行限制。通过HUB在VBUS端产生的最大电压降为330mV。

另外,USB设备必须具有足够的板上旁路电容值,或者一个受控的电源驱动程序,这样不管什幺时候,来自HUB的电流突变就不会超过端口的最大承受力。当所有下行端口的电流均为100mA时,在上行端口和下行端口之间,总线驱动型HUB的Vdrop必须小于100mV。在上行和所有包括电缆在内的下行端口之间,带有静态电缆的总线驱动型HUB的Vdrop必须小于350mV。

SQiDD是一个测试接口板,进行MATLAB测试记录时需要用到,SQiDD接入不同的数据线路如(D+&D-)、VBUS,通过板上USB连接器或带有引线的道尔芯片(dongle)提供接入/连接功能。SQiDD提供了示波器探针和SMA电缆所必须的连接功能。在静噪测试和接收机敏感度测试期间,需要通过SMA电缆将数据发生器连接到数据线路,以便对设备进行激励。TDR测量设备也提供有电缆接入,用作阻抗测量。

浪涌电流测试所需的测试设备包括USB主控系统、示波器、测试软件和夹具(Tektronix TDSUSB2),以及电流探针(Tektronix TCP202)。

(3)上行信号质量

USB2.0接口芯片提供有内建式测试模式,能够对上行信号质量,如发射信号电平、端点阻抗、上升和下降时间、信号发送率和抖动等进行测量。测试机架使用Tektronix TDS694C或TDS7404示波器和P6248差分探针,借助SQiDD板从DUT获得数据。示波器用以捕获各种不同的波形文件,然后通过USB2.0一致性测试软件(TDSUSB2)进行处理。

按照USB规范要求,数据信号电平应为400mV±10%,端点阻抗为45Oohm±10%,高速模式的数据率为480Mb/s±500ppm,转变时间大于500ps。测试样本使用眼图分析数据,如抖动、反射,以及Sync和EOP(封包的末尾)场中所有数据的振幅。要完成该测试,除了需要上述设备外,还需要5个自供电HUB,以组成雏菊链来激励完全固定的USB拓扑。

(4)下行信号质量

TDSUSB2测试软件用来评估下行信号质量,主要依据是计算示波器所获得的数据,如眼图、交互串扰(cross over)、EOP、信号率和抖动等。

(5)接收机敏感度

为了提高吵杂环境下设备运行的稳健性,当信号发送电平为或高于规定的标准时,USB2.0设备必须通过NAK回应IN。接收机敏感度测试需要一个能够发射不同振幅之IN的高速数据信号源,如Tektronix DG2040。该测试需要将DUT置于Test_SE0_NAK模式。所发送信号的振幅被送到DUT,其电平为或高于150mV。在这些电平中,DUT必须以NAK回应IN数据包,以便处于非静噪模式。然后,该振幅减小到100mV以下,而且该电平时DUT必须经过降噪处理。

(6)时域发射计

由于USB2.0高速模态的信号发送率高,PCB的布线路径和包装阻抗已经变成了至关重要的叁数。目前,USB2.0规范要求对电缆和设备的差分阻抗进行测量。

按照USB规范的要求,差分TDR阻抗的步进响应应设置为400ps。USB规范参考DUT连接器,对阻抗的极限值进行了定义。一般地说,DUT与连接器之间的距离一旦给定,阻抗应该在70-110欧姆之间。电缆也应该满足明确规定的阻抗极限值,这些极限值为90±15%欧姆。Tektronix TDS8000取样示波器和80E04 取样头一起,提供了一个真正的TDR方案,适合USB设备和电缆阻抗的测量。


(7)其他测试

另外,一些必须进行的测试项目包括:所发射尖波的电平、通常模式的拒绝、悬空/恢复、断开的阈值、和microframe间隔。这些测试所需的设备包括:USB主控系统、TDSUSB2和Tektronix TDS694或TDS7404示波器,以及DG2040 数据信号发生器。


3. 结论


USB2.0为设备设计师提供了一条开发高性能外设的方法,达到了消费者希望易于使用的要求。USB2.0将数据传输率提高了40倍以上,培育了很多创新的产品设计,提高了消费者的满意度。然而,数据率方面的改进大多数是大家所希望的,但是可能也会出现一些料想不到的设计挑战,设备设计师必须解决这些挑战。

Tektronix公司能够提供一整套完整的工具组合——先进的示波器、真正的差分TDR、高速数据信号发生器、先进的探针和一套完全自动化的一致性测试套装,使USB2.0设备设计师能够快速、准确地对他们的设计方案进行电气一致性及物理层验证。

如了解有关USB2.0一致性测试的更详细资料,请访问USB-IF成员网站http://www.usb.org。了解泰克公司,请访问http://www.tek.com

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