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。
文件名 函数名 操作
usbd_def.h #define USBD_EP_TYPE_CTRL 0
#define USBD_EP_TYPE_ISOC 1
#define USBD_EP_TYPE_BULK 2
#define USBD_EP_TYPE_INTR 3
/* 在之后添加 设备测试模式宏 */
#define TEST_J 1
#define TEST_K 2
#define TEST_SE0_NAK 3
#define TEST_PACKET 4
#define TEST_FORCE_EN 5
usbd_core.h /* 修改函数声明 */
USBD_StatusTypeDef USBD_RunTestMode (USBD_HandleTypeDef
*pdev, uint8_t testmode);
usbd_ctlreq.c USBD_SetFeature /* 增加特性设置 */
static void USBD_SetFeature(USBD_HandleTypeDef *pdev ,
USBD_SetupReqTypedef *req)
{
if (req->wValue == USB_FEATURE_REMOTE_WAKEUP)
{
pdev->dev_remote_wakeup = 1;
pdev->pClass->Setup (pdev, req);
USBD_CtlSendStatus(pdev);
}
else if(req->wValue == USB_FEATURE_TEST_MODE)
{
USBD_CtlSendStatus(pdev);
pdev->dev_test_mode = req->wIndex >> 8;
}
else
{
return;
}
}
usbd_core.c USBD_RunTestMode /* 完善特性设置函数 */
USBD_StatusTypeDef USBD_RunTestMode (USBD_HandleTypeDef
*pdev, uint8_t testmode)
{
PCD_HandleTypeDef *hpcd = pdev->pData;
USB_OTG_GlobalTypeDef *USBx = hpcd->Instance;
switch (testmode)
{
case TEST_J:
case TEST_K:
case TEST_SE0_NAK:
case TEST_PACKET:
case TEST_FORCE_EN:
USBx_DEVICE->DCTL |= testmode << USB_OTG_DCTL_TCTL_Pos;
break;
default:
return USBD_FAIL;
}
return USBD_OK;
}
usbd_core.c USBD_LL_DataInStage if (pdev->dev_test_mode == 1)
{
USBD_RunTestMode(pdev);
pdev->dev_test_mode = 0;
}
/* 将上述代码替换如下 */
else
{
if (pdev->dev_test_mode != 0)
{
USBD_RunTestMode(pdev, pdev->dev_test_mode);
pdev->dev_test_mode = 0;
}
}
复制代码
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 STM32469IEVAL_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。 |
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