自從1995年USB誕生起，由於USB介面的簡單易用、支援熱插拔、速度快等特點，因此被廣泛應用於當今的電子產品中。USB堪稱是PC平台上最成功的I/O技術，除PC及外設外，也成為印表機、手機及各種消費電子產品標準的擴展介面。USB標準規範歷經多年的發展從第一代的1.0 Low Speed/1.1 Full Speed，演進到2.0 High Speed標準，補充標準On-The-Go（OTG）允許便攜設備之間直接交換資料，在2008年底USB 3.0 Super Speed規範也已經發佈。這些介面標準都是向下相容的，介面速度也由1.5Mbps，12Mbps，480Mbps發展到5Gbps。

隨著介面傳輸速度提高，信號完整性的問題也越來越重要，此外串列傳輸結構在協定層和互操作方面也有更大的挑戰。USB實施者論壇（USB-IF）制定了一致性測試規範，在電氣層、功能層、互操作層等規定認證測試方案，並授權測試實驗室認證測試，USB相關產品通過測試後則取得USB徽標認證。

USB 2.0基本規範

USB 2.0規範定義了三種訊號速率，電氣特性如表一所示：

《表一　USB 2.0電氣特性規範示意表》

USB系統設備類型包括主機（Host）、集線器（Hub）、裝置（Device）。USB Host負責管理I/O系統及應用軟體，管理外設列舉（Enumeration），在運作過程中初始化對特定裝置的操作；每個裝置接受操作並做出回應，另外主機也將裝置納入系統的電源管理體系。Hub提供擴展的USB裝置介面，最多可以級聯5級，最多可以連接127個USB設備。Device接受Host發起的操作，發送或接收資料。設備可以自供電或者由主機供電，主機供電設備最大吸收電流為500mA。上行和下行分別定義了資料從裝置到主機以及從主機到裝置的方向。

《圖一　USB2.0 高速收發器的結構圖》

高速USB測試需要高速訊號品質，接收靈敏度，CHIRP時序，包參數等等，低速和全速測試則還包括了信號品質，衝擊電流，Droop/Drop測試等內容。信號品質測試又包括眼圖、包尾寬度、信號速率、上升/下降時間、交叉點電壓範圍、JK/KJ抖動、連續抖動等等。

以示波器為基礎的USB2.0物理層測試

《圖二　USB2.0測試方案示意圖 》

如圖二所示，以示波器為基礎的USB2.0物理層測試包括示波器、運作於示波器的USB一致性測試軟體、主動放大器及插座式探棒前端，再配合高速測試夾具、全速／低速測試夾具、以及OTG測試夾具，可對Host，Device，Hub，OTG等不同類型的USB待測物進行測試。

為了完成一致性測試，USB2.0規範規定了USB主機、裝置、Hub必須支援測試模式Test_Packet、Test_J、Test_K、Test_SE0_NAK等，通常來說可以採用USB-IF發佈的USBHSET軟體來控制待測物，或者藉由搭配設備晶片的控制存取器設置相關模式，如圖三示。

《圖三　USB-IF高速電氣測試工具》

《圖四　示波器測試夾具》

示波器測試夾具

USB測試夾具套件包括了設備TDR／信號品質測試夾具、主機TDR／信號品質測試夾具、設備接收機靈敏度測試夾具、主機切斷測試夾、下跌和衰落測試夾具。

USB高速測試夾具上提供主機和被測設備的初始化通路及待測物的測試（Test Load）狀態，在初始化設置待測物進入測試模式後，藉由繼電器開關切換至測試模式，由示波器完成信號測試。

一致性測試軟體

如圖五所示，USB2.0一致性測試軟體以自動化的方式可以同時選擇多個測量參數，軟體自動依次執行每一參數的設置及測試，可大大提高測試效率。

《圖五　一致性測試軟體測試參數選擇介面》

另外一致性測試軟體提供了Debug模式，可以手動調整某些參數比如遲滯閾值、觸發電平、選擇範本，選擇測試方法使用MATLAB或是使用串列資料分析的方法等等，能讓廠商更靈活地調校獲得相應測試結果，另外，一致性測試軟體可在測試時選擇多次重複測量，得到有統計意義的結果，並標記最差結果。

測試軟體會根據測量參數的選擇提示夾具、探棒及示波器的連接嚮導，和控制軟體設置方法，以及波形圖例，可方便用戶進行線上測試。

《圖六　一致性測試軟體測試嚮導介面》

如圖六所示，在測試完成後會自動生成完整的HTML報告，測試報告裏包含所有被選參數的測量結果和圖片，並且在測試目錄下自動保存PNG、HTML或TSV檔，使用者可方便地把測試報告存放在測試資料夾裏。

確保測試一致性

USB-IF發佈了一致性測試的軟體USBET，傳統方法為了保證與官方演算法的一致性，需要將示波器捕獲的資料存儲成.tsv檔格式，調入USBET軟體進行離線分析。而量測廠商的一致性測試軟體整合USBET的Matlab腳本演算法，以此演算法直接在示波器內完成相關參數的測試，可提高測試效率，更重要的是這種方法能夠保證測試結果與USB-IF認證測試結果的一致性。

《圖七　串列解碼基本設置介面》

以示波器為主的USB2.0協議層測試

USB匯流排採用串列資料傳送，如果使用傳統的示波器方式進行協定層的分析，往往需要把示波器捕獲的波形儲存下來，再做離線的資料分析，這會大大增加分析時間，而且也會額外引入人為因素所造成的誤差。另外如果需要觸發一些特殊的協定層條件，傳統的示波器往往是沒有辦法實現的。

量測廠商所開發的USB觸發和解碼應用選件，可有效解決上述問題，並在示波器上完成對高速、全速、低速USB協議的調校和測試。

如圖七所示，在設置好速率、分配好通道後，Auto Setup 自動配置觸發電平、測量閾值、電壓垂直靈敏度、垂直偏置、儲存深度、採樣率、觸發抑釋時間等，可以在30秒內完成USB匯流排的解碼。在高速測量，以差分探頭通道或者儲存到記憶體裏的資料作為資料源，在全速／低速的協定測量時，通道支援類比通道，儲存到記憶體裏的資料，也支援邏輯通道，可以用邏輯通道作為USB的解碼資料源，而以類比通道觀察和測量其他時間相關的信號波形。

USB2.0的觸發

支援USB協定層的觸發條件，以硬體捕獲示波器通道或邏輯通道的資料並重建USB協定幀，監控協定幀與設定的協議層觸發條件對照，當條件滿足時實現觸發，這種基於示波器硬體的觸發方式，保證觸發的即時性，不會錯過任何設定的觸發事件。如圖八所示，觸發類型包括Token、Data、握手、特殊、Error等。

USB 2.0的協議解碼

支援高速，全速，低速的USB協定解碼，如圖七所示的協定解碼結果，在協定層觀察器可以直觀流覽協議包的時間標籤、類型、地址、端點、payload、CRC等等。通過額外的標籤可觀察協議包更加易讀的細節，以HEX或ASCII碼格式顯示的Payload，以及在Header標籤顯示的資料書格式包。在列表裏可以將解碼結果保存為.csv或.txt檔。

《圖八　 USB觸發條件的設置》

《表二　 USB觸發類型》

《圖九　 USB觸發條件的設置》

總結

示波器集邏輯分析儀、協定分析儀於一身，可提升對複雜系統和高速串列匯流排的分析測試能力。以示波器為基礎的USB 2.0調校、分析和一致性測試解決方案，可提供物理層的一致性測試、調校到時間相關的協議層調校和分析功能。

（作者任職於美商安捷倫科技Agilent Technologies中國有限公司）