STM32的高速USB信号质量测试实现

前言
   STM32提供了丰富的接口资源，其中包括USB FS、USB HS、OTG FS和OTG HS。对于高速USB，由于信号速率相对较高。在开发过程中，会对高速USB信号质量进行测试，例如运用广泛的眼图测试。STM32的高速USB/OTG IP遵循USB 2.0规范，能够配合实现眼图等信号质量测试项。本文中，首先介绍眼图等信号质量测试的实现框架，然后以Cube软件包中USB 设备类的HID例程为基础，提供软件层面的修改。最后通过USB官方提供的HSETT工具，一步一步呈现如何使STM32实现的USB设备进入测试模式，以便使其输出用以获取眼图等测试项的信号。

一 信号质量测试背景介绍
    高速USB信号质量测试，实现框架如下图。
         
    根据测试需要，利用电脑端测试软件工具HSETT，使STM32实现的USB设备进入相应的测试模式。然后利用示波器抓取测试信号，进行信号质量分析。本文中不包含示波器抓取信号的实现描述，读者可以通过文末的参考文档进行了解。
    其中，HSETT全称High-speed Electrical Test Tool，是USB官方组织发布的一个发包工具（官网www.usb.org下载）。
    STM32的高速USB IP遵循USB2.0规范，支持多种测试模式，包括Test_J模式、Test_K模式、Test_SE0_NAK模式、Test_Packet模式和Test_Force_Enable模式。更多测试模式内容的介绍请参考USB2.0规范。 更多内容请参考对应型号的参考手册。其中，如果是进行眼图测试，需要进入Test_Packet测试模式。

二 软件层面支持
    本文中实现环境如下：
    硬件平台： STM32F469I-EVAL
    Cube软件包版本： v1.16.0
    HID例程文件路径 ：
    STM32Cube_FW_F4_V1.16.0\Projects\STM32469I_EVAL\Applications\USB_Device\HID_Standalone.
    HS Electrical Test Tool (HSETT)
    通过上述介绍可以了解到高速USB的信号质量测试，需要USB器件进入测试模式，提供符合测试的信号输出。基于此，下面列出例程中添加及修改处，以实现HID设备对测试模式的支持。



    完成上述修改，编译生成执行文件，并加载到STM32F469I-EVAL板。注： 工程中包含三个子工程，分别是STM32469I-EVAL_USBD-FS、STM32469I-EVAL_USBD-HS-IN-FS和STM32469I-EVAL_USBD-HS，选择STM32469I-EVAL_USBD-HS实现高速USB的HID设备功能。

三 测试模式进入
    利用USB数据线将STM32F469I-EVAL板上的高速USB口与电脑连接。如果HID例程运行正常，电脑会对将其识别为HID设备，可在电脑的设备管理器中查看，如下图。

         
    打开HS Electrical Test Tool，出现主控制器选择界面，如下图。界面中内容及出现情况与电脑有关，如果电脑仅包含一个主控制器，不会出现选择界面。注意HSETT工具用于USB2.0，如果电脑只有USB3.0主控制器，会出现无法找到USB2.0主控制器的提示，并且不能使用。

         
    从设备管理器进入，查看主控制器属性中的位置路径。查找与HID设备的位置路径关联的主控制器，如下图（主控制器的总线、设备和功能号信息，在下图界面的“常规”标签中）。


    根据图中信息确定选择 “PCI总线0、设备29、功能7”，出现选择测试类型的界面，如下图。

         
    本文中介绍USB设备的测试实现。选择 “Device”，单击“TEST”，进入测试模式的界面，如下图。


    界面中列出了挂载在主控制器上的USB设备硬件ID，选择对应的设备。(实验时，对应USB主控制器上只挂载了STM32实现的HID设备。)
    点击 “Enumerate Bus”重新与设备建立枚举。枚举成功出现如下提示。

         
    HSETT提供了多种设备命令，如下图。为了实现眼图测试，选择“TEST_PACKET ”，单击“EXECUTE”，向USB设备发送设置Test_Packet模式的命令。


    发送成功，并被USB设备正确响应后，出现如下提示。然后可以单击“Return To Main”  “Exit”退出HSETT，释放主控制器的控制。


    STM32 高速USB进入测试模式，通过USB接口连续循环地向外输出测试需要的信号。在进入测试模式后，信号的发送不受USB数据线连接的影响，断开USB数据线，依然会发送信号，以便获取眼图等测试信号。

四 小结
    本文简略的从STM32角度，描述了高速USB信号质量测试中，涉及到的修改及实现。对于具体的测试及分析，不在本文介绍范围内，读者可以通过提供的参考文档Universal Serial Bus Implementers Forum Device Hi-Speed Electrical Test Procedure，更加全面的了解信号质量测试的步骤及实现。另外，文件中以HID设备为例，但需知测试实现与哪种类型USB设备无关。




参考文档：
Universal Serial Bus Specification v2.0
Universal Serial Bus Implementers Forum Device Hi-Speed Electrical Test Procedure For Agilent Infiniium v1.2
Universal Serial Bus Implementers Forum Device High-speed Electrical Test Procedure For Tektronix v1.5
Universal Serial Bus Implementers Forum Full and Low Speed Electrical and Interoperability Compliance Test Procedure
RM0386 Reference Manual STM32F469xx and STM32F479xx advanced ARM®-based 32-bit MCUs




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