装备的USB接口速率鉴定工具设计

装备的USB接口速率鉴定工具设计

胡志成张芪 高利娟  江云飞 孙涛

中国电子科技集团公司第五十二研究所 310013

摘要：USB（Universal Serial Bus）通用串行总线作为一种外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯，是应用在PC领域的接口技术。在装备设计应用中，大多数USB控制器芯片同时兼容USB2.0协议和USB3.0协议，具有广泛的应用性。而在实际生产测试时，由于控制芯片本身质量问题或生产工艺不良原因，存在某些USB接口出现不能同时支持2.0和3.0两种速率的缺陷。因此，针对USB接口的测试尤为重要。针对上述问题提出一种USB接口自动检测装置，可准确自动测试USB两种速率，有效提高USB接口测试的效率，减少人工误操作问题，并有效的提高了测试流程的抗干扰能力。

关键词：USB，接口，嵌入式，自动检测，准确度

0.前言

在工业设计应用中，大多数USB控制器芯片同时兼容USB2.0协议和USB3.0协议，具有广泛的应用性。而在实际生产测试时，由于控制芯片本身质量问题或生产工艺不良原因，存在某些USB接口出现不能同时支持2.0和3.0两种速率的问题，因此，针对USB接口的测试尤为重要。现有测试技术普遍采用人工手动更换USB2.0U盘和USB3.0U盘的测试方法进行陪测设备的切换，往往由于测试机台数量多、人为因素记忆不准确等原因导致测试效率低效，无法防呆。

针对上述问题，提出一种USB速率切换检测装置，可准确自动切换USB速率，同时有效提高USB接口测试的效率，减少人工误操作问题，并有效的提高了测试流程的抗干扰能力。

1.USB协议原理分析

USB3.0是在USB2.0的基础上主要增加StaA_SSRX+、StaA_SSRX-、StaA_SSTX+、StaA_SSTX-四组信号收发引脚。因此，经过试验证实，可以通过控制此四组信号的开关达到控制USB2.0协议和USB3.0协议的切换。

2.USB接口速率鉴定工具原理分析

如图1所示是USB自动检测装置的原理示意图，通过控制其四个GPIO管脚输出3.3V高电平打开N型MOS场效应管，将StaA_SSRX+、StaA_SSRX-、StaA_SSTX+、StaA_SSTX-四个信号链路关闭（切断），此操作将USB3.0的link所需的信号阻断，实现了USB3.0信号失效。间隔1s后，通过1个GPIO管脚复位5V VBUS信号，实现reset U盘的功能，当reset成功后，USB设备仅能link到USB2.0速率，此时，完成USB3.0到USB2.0速率的切换。

图1 USB自动检测装置速率调节原理框架图

3. USB接口速率鉴定工具设计

3.1总体架构与原理设计

将陪测设备3.0 U盘插入控制板一侧USB母口，其所有信号线经由板卡并由位于控制板另一侧的USB公口接入待测设备USB接口，完成USB3.0设备的接入，此时通过程序控制信号的通断，进而控制USB3.0到2.0协议的切换。USB3.0U盘（陪测设备）和USB速率切换检测装置形成具有USB速率切换功能的USB接口速率鉴定工具，整个USB速率鉴定装置通过USB公口与待测装备USB接口连接后被提供5V供电，此时待测装备可以进行USB速率的检测和识别。

3.2硬件原理框图设计

硬件方案基于嵌入式板卡实现，板卡采用意法半导体STM32-F103RBT7芯片作为主控芯片，外围电路包括复位电路、时钟电路、USB接口电路；板卡两侧分别接有USB母口连接器和USB公口连接器。16个GPIO引脚控制2个八段数码管提供实时USB速率状态显示功能。此外，具备蜂鸣器控制、状态指示灯显示功能。整个板卡通过USB公口连接待测装备USB接口被提供5V供电。综上原理分析，形成具有USB速率切换功能的USB速率鉴定工具。

所述速率调节电路包括四个N-MOS管，各所述N-MOS管的栅极均与所述主控芯片连接，各所述N-MOS管的漏极分别与所述第一USB接口的StaA_SSRX+引脚、StaA_SSRX-引脚、StaA_SSTX+引脚和StaA_SSTX-引脚连接，各所述N-MOS管的源极均接地。

具体地，通过软件程序控制芯片四个GPIO管脚。通过输出3.3V高电平打开N型MOS场效应管，将StaA_SSRX+、StaA_SSRX-、StaA_SSTX+、StaA_SSTX-信号链路阻断（切断），此操作将USB3.0的link所需的信号阻断，实现了USB3.0信号失效。间隔1s后，通过1个GPIO管脚复位5V VBUS信号，实现reset U盘的功能。此时，由于USB3.0信号失效，设备完成USB2.0设备的link，完成了USB3.0和2.0的切换。如若要恢复到USB3.0速率，取消上述控制，通过同样的GPIO管脚复位5V VBUS信号即可。

3.3软件设计

如图2所示，通过软件的延时和消抖处理，芯片的GPIO引脚可配置为中断模式,可根据程序设置时间自动触发中断响应服务和进程，进而标记FLAG标志位数据库通知系统运行USB切换守护进程，USB切换守护进程实现N型MOS管的打开操作，实现硬件信号阻断。软件模块实现了高内聚低耦合的开发模型，易于维护迭代。

图2 USB自动检测装置软件流程框架图

4.结束语

本文从USB协议原理和装备的USB接口测试分析入手，进行新测试工具的仿真验证，最终给出以下分析结论：

（1）工具将嵌入式控制器和USB设备通过板卡的形式有效的结合起来，避免了传统方式的手动更换USB陪测设备的方式，提高了生产效率。

（2）使用嵌入式处理器的GPIO中断模式结合软件代码程序，控制USB3.0到2.0的转换，提供了一种有效的转换USB3.0到USB2.0的方法。

（3）可以有效提高待测装备USB接口测试的效率和准确度，减少人工误操作失误问题，并提高测试流程的的抗干扰能力，有效改善测试技术，

参考文献

[1]边海龙，贾少华,USB2.0设备的设计与开发,人民邮电出版社2004

[2]许永和,USB外围装置设计与应用,人民邮电出版社2004

[3]JohnGarney,EdwardSolari,KosarJaff,BradHosler,ShelaghCallhan,Annabooks(SePtember 1,1998)

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