USB 2.0 電気的コンプライアンス試験ソリューション

1 　Introduction

USBとは、Universal Serial Bus（ユニバーサル・シリアル・バス）の英語略称で、コンピュータシステムと外部機器を接続するためのシリアルバス規格、および入出力インターフェースの技術仕様を指します。1995年の登場以来、USBはその高速性、利便性、拡張性により、従来のシリアルポートやパラレルポートに徐々に取って代わり、各種外部機器に広く採用され、消費者の高い支持を得ています。しかし、大量のUSB機器が相互接続されることで、機器の使用者に大きな便利さを提供する一方で、接続の互換性、伝送中断、ファイル転送エラーなどの問題も避けられません。したがって、USB機器はUSBの互換性テストを受ける必要があり、これによって機器間の相互運用性が保証されます。これはUSB協会の要求であり、USBインターフェースを搭載した機器の製造業者が製品の品質と信頼性を確保するために必要なステップでもあります。

2 　USB2.0の基本

USB2.0は4本の線からなるシリアルシステムで、VBus、D-、D+、およびグラウンド線を含んでいます。D-とD+は差動信号線で、主な情報伝達の役割を果たします。VBusとグラウンド線の間では5Vの電圧が伝送されます。さまざまなタイプのアプリケーションがデータ伝送速度に対する要求に対応できるように、USB 2.0は3つの速度レベルを定義しています。それは、低速、フルスピード、および高速です。典型的なUSB低速デバイスには、コンピュータのマウス、キーボード、ゲームコントローラーなどが含まれます。一方、一般的なフルスピードデバイスには、電話、オーディオ機器、マイクなどがあります。市場に出回っているUSB 2.0の大部分は高速デバイスに該当し、デジタルカメラ、外付けハードディスクなどが含まれます。注意すべき点は、高速は低速およびフルスピードと下位互換性があり、もちろん低速およびフルスピードデバイスも高速デバイスと上位互換性がありますが、高速伝送能力は実現できず、低速側の速度で自動的に伝送されることです。

 

 

 

 

USB2.0には多くの利点があります。例えば、電源供給が簡単で、プラグアンドプレイ、ホットスワップをサポートしており、ポートの拡張が容易で、伝送方式が多様化しており、互換性も優れています。USBシステムは、カスケード型のスター型トポロジーを採用しており、このトポロジーは3つの基本部分で構成されています：ホスト（Host）、ハブ（Hub）、およびデバイス（Device）です。ホストはシステムとアプリケーションソフトウェアを管理し、USBインターフェースおよびインターフェース管理機能を提供するハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアの複合体です。ホストはPCである場合もあれば、OTGデバイスである場合もあります。ハブはUSB外部機器のインターフェースを拡張し、最大5階層までカスケード接続でき、最大127個のUSBデバイスを接続できます。デバイスはホストから発信された操作を受け取り、データを送信または受信します。さらに、デバイスはバス供給（ホストから電流を取得）と自己供給の2種類に分けることができます。ホストに接続するポートは上行ポートと呼ばれ、デバイスに接続するポートは下行ポートと呼ばれます。ハブは各下行ポートの接続と取り外しを検出し、下位デバイスに電力を供給し、バスの障害検出と回復を担当します。各下行ポートは個別に有効にでき、異なる速度レベルで動作することができます。デバイスからホストへの通信方向は上行通信と呼ばれ、ホストからデバイスへの通信方向は下行通信と呼ばれます。

 

 

 

3 　ソリューション

3.1 テスト項目

メインフレームテスト	電化製品	ハブ
高速ダウンリンク信号品質 高速ダウンリンクパケットパラメーター 高速ダウンリンク・チャープ・タイミング・テスト 高速ダウンリンクのハングアップとリカバリー ドライバーなしの高速ダウンリンク時のレベル値 フルスピードのダウンリンク信号品質 低速ダウンリンク信号品質 VBusドロップ VBusトランジェント・ドロップ	高速アップリンク信号品質 ケーブル付きリモートユニット ケーブルなしのニアエンド・デバイス 高速アップリンクパケットパラメーター 高速アップリンク・チャープ・タイミング試験 高速アップリンクとリカバリー 高速からのリセット サスペンドからのリセット ドライバーなしの高速アップリンク時のレベル値 高速アップリンク受信感度 フルスピードのアップリンク信号品質 低速アップリンク信号品質 バックプレーン電圧 サージ電流	高速信号品質（アップリンク/ダウンリンクポート） 高速パケットパラメータ（アップリンク/ダウンリンクポート） 高速チャープタイミングテスト（アップリンク/ダウンリンクポート） 高速ハング＆リカバリー（アップリンク／ダウンリンクポート） アップリンクポートを高速からリセット アップリンクポートのハングからのリセット ドライバなし高速時のレベル値（アップ/ダウンリンクポート） 高速トランキング・アップリンク/ダウンリンク 高速アップリンク受信感度 フルスピード信号品質（アップリンク/ダウンリンクポート） 低速信号品質（アップリンク/ダウンリンクポート） VBusドロップ VBusトランジェント・ドロップ サージ回路 バックプレーン電圧

3.2 試験装置

 

試験装置 テスト項目	オシログラフ テスト・フィクスチャー＆ソフトウェア	SMAケーブル	シングルエンド・プローブ、差動プローブ、パッシブ・プローブ	その他
信号品質	√	2 (高速)	シングルエンド・プローブ×2（ダウンリンク全速度/低速度） シングルエンド・プローブ×2、パッシブ・プローブ×1（アップリンク・フル/ロー・スピード）
パッケージパラメータ	√		シングルエンドプローブ2個または差動プローブ1個
チャープ・タイミング・テスト	√		パッシブ・プローブ2個
一時停止と再開	√		パッシブ・プローブ2個
ドライバー不在時のレベル値	√	2
受信感度	√	2	シングルエンド・プローブ2本	信号源
高速/ハングアップからのリセット	√		パッシブ・プローブ2個
高速トランキング・アップリンク/ダウンリンク	√		4シングルエンド・プローブまたは2差動プローブ
サージ電流	√			電流プローブ1個
バックプレーン電圧	√		パッシブ・プローブ3個
Vバス・ドロップ	√		1パッシブプローブ（その他） パッシブプローブ2個（ハブバス電源式）
トランジェントドロップ	√		パッシブ・プローブ2個
注：帯域幅が2GHzを超えるシングルエンド／差動プローブ、帯域幅が500MHzのパッシブ・プローブ、帯域幅が1GHzを超える信号源

 

残りの設備を補う：

▶ 認定セルフパワー高速ハブ（×4）：フル/低速テスト用。
▶ 認定セルフパワー・フルスピード・ハブ：フルスピード/低速テスト用。
▶ 5mタイプA-タイプB USBケーブル（6本）：フルスピード/低速テスト用。
▶ 1メートルのタイプA-タイプB USBケーブル（数量はテスト項目によって異なります）：高速/フルスピード/低速テスト用。
▶ 認定低速デバイス（例：マウス）：低速テスト用。       
▶ 認定フルスピード装置：フルスピード試験用。
▶ 認証された高速デバイス（USBメモリなど）：高速テスト用。
▶ コンピュータ（USBHSETをインストール）：高速ホストテスト用。

 

商品	写真	型番	説明
オシログラフ		SDS7000Aシリーズ	2~4GHz 帯域幅、サポート USB2.0/Ethernet/Vehicle イーサネットおよび他の一致の分析
コンフォーマンステスト・ソフトウェア		SDS7000A-CT-USB2	ホスト/ハブ/デバイスの高速/フルスピード/低速テストをサポート
試験治具		FX-USB2	ホスト/ハブ/デバイスの高速/フルスピード/低速テストをサポート
シングルエンドプローブ		SAP2500	2.5GHz帯域幅
差動プローブ		SAP2500D	2.5GHz帯域幅
パッシブプローブ		SP3150A	500MHz帯域幅、SDS7000Aに適合
カレントプローブ		CP6000シリーズ SCP5000シリーズ	アダプター電源 オシロスコープ電源
信号源		SDG7102A	1GHz帯域幅

 

3.3 テストの難しさ

3.3.1 テスト環境のセットアップ

USB2.0コンフォーマンステストは、一般的にテストフィクスチャと不可分であり、フィクスチャは、プローブを介してオシロスコープに入力することができる信号にメインUSBケーブルの信号になります。テスト対象は主にホスト、ハブ、デバイスの3種類に分かれ、速度も高速、フルスピード、低速の3種類に分かれます。各テスト項目では、テストフィクスチャ、テスト対象、オシロスコープの3者間に正しい接続方法を確立する必要があります。人間の記憶だけに頼ると、効率が低下するだけでなく、正確性も保証できませんが、互換性テストソフトウェアはこの問題をうまく解決できます。このソフトウェアは、テスト項目ごとにテスト過程で治具、オシロスコープ、テスト対象の間の接続方法をグラフィカルに表示し、ユーザーは記憶することなく正しくテスト環境を設定できるため、テスト時間の短縮と測定ミスの確率の低減を大幅に実現できます。

 

 

 

 

3.3.2 テストコードパターン取得
ホストの場合
●Windows以外のオペレーティングシステムを使用するホストは、DUTがテストコードパターンを発するように制御するための特定の制御ソフトウェアを提供するために、チップサプライヤーに連絡する必要があります。
●Windows オペレーティング システムのホストは HSETT ソフトウェア（USB 高速電気テスト用具）を使用できます、ソフトウェアはテスト コード パターンを送り出すために DUT を制御できます
ハブおよびデバイス用
●HSETTソフトウェアを使用すると、DUTを制御してテストコードパターンを放射させることができます。
●Tingyangが提供するテストフィクスチャFX-USB2は、DUTを直接制御してテストコードパターンを送信することができます。
ホストテストコードタイプ取得手順：
●ソフトウェアのインストール：インストールする前に、Windowsのユーザーアカウント制御を無効にする必要があります。"スタート">"コントロールパネル">"ユーザーアカウントとホームセキュリティ">"ユーザーアカウント">"ユーザーア　　カウント制御の設定を「通知しない」に変更 "を選択します。"OK "をクリックし、コンピュータを再起動します。
ソフトウェアのダウンロードアドレス：https://www.usb.org/document-library/usbhset-ehci-64-bit

 

注：USBHSETTソフトウェアを使用する場合、対応するUSBハブは占有され、外部マウスなどその外部デバイスは正常に使用できませんが、タッチパッドやリモコンは使用できます。

● テストタイプの設定：高速電気テストツールソフトウェアを開き、ソフトウェアのメインメニューに入り、[Host Controller/System]をクリックし、[Test]ボタンをクリックしてホストテストメニューに入ります。

 

 

●バス列挙：ホストのテストポートにUSBデバイスを接続します（USBデバイスの速度タイプはテストするホストの速度タイプと一致する必要があります）。【Enumerate Bus】をクリックすると、右側の状態ウィンドウに「Enumeration Successful」と表示されます。

 

●ポート制御：「Host Port Control」の「Port」欄にテストするホストのポート番号を入力し、「Port Control」のドロップダウンメニューでテスト項目に関連する選択を行います。例えば、信号品質のテストは【TEST_PACKET】、サスペンドと復帰のテストは【SUSPEND】、ドライバ未接続時の電圧レベルのテストは【TEST_J】を選択します。設定が完了したら【EXECUTE】をクリックし、右側の状態ウィンドウに「Operation Successful」と表示されます。

 

 

 

●テストパターン表示：ホストのテストポートに接続されているUSBデバイスを取り外し、USBケーブルを使用してテストポートとテスト治具を接続します（治具はすでにオシロスコープに接続されています）。この時、オシロスコープにテストパターンが表示されます。

 

USBHSETTの使い方のヒントや、USBHSETTの使用に問題がある場合は、こちらをクリックしてください：
https://www.usb.org/sites/default/files/HSETT_Instruction_0_4_1.pdf

 

3.4 テストステップ
テスト項目設定をクリックすると、下図のように、具体的なテストウィンドウが表示されます。このウィンドウは、テストプロセスに応じて、セットアップ、テスト項目選択、設定、接続、テスト開始、結果の6つのステップに分かれています。


3.4.1 セットアップ

 ●構成には「呼び出し」、「前回」、「保存」の3つの機能があります。
 ●「DUTタイプ」でテストするデバイスのタイプを選択します。その際、ハブの場合は「下行」と「上行」を区別する必要があります。
 ● Rate Selection「速度選択」でテストするデバイスの速度を選択します。

3.4.2 テスト項目の選択

このセクションでテストする項目を、単一または複数の項目から選択します。

 

 

3.4.3 コンフィグ

前に選択したテスト項目は、このセクションでハイライト表示されます。クリックすると、対応するテスト項目の設定を行い、オシロスコープの測定チャンネルを設定することができます。

 

3.4.4 グラウト
このセクションでは、テストの配線図とテスト手順が表示されます。複数のテスト項目を一度に選択した場合、最初のテスト項目のみの情報が表示され、他のテスト項目の配線図は前のテスト項目が終了した後に別のポップアップウィンドウで表示されます。

 

3.4.5 起動テスト
 ●テストが失敗した場合、 "Continue "（続行）と "Abort "（中止）オの2つの選択肢が提供されます。
 ●今回のテスト結果について、テスト結果の保存形式が提供されます。
 ●右下の「Launch Test」（テスト開始）をクリックすると、今回のテストが開始されます。

 

次のテストプロセスでは、ポップアップの指示に従ってテストを完了してください。すべてのテスト項目が完了すると、テスト結果が表示されます。もし1回のテストで複数のテスト項目を選択した場合、次の項目に進む際にその項目の接続方法についてポップアップで通知されます。途中で「構成」セクションに戻り、テスト項目の信号源を変更することができます。変更後、ポップアップ内の「テスト開始」をクリックすると、テストを再開できます。


3.5 テスト結果
「結果表示」をクリックすると、対応するテスト結果を確認できます。
上部はテスト項目で、各項目のテスト結果と公式に要求される閾値の参考が提供されます。
下部は対応する詳細図で、上部で興味のある項目をクリックすると、下部にその詳細が表示されます。画像をクリックすると、画像の詳細を確認できます。

3.6 テストレポート
「報告書生成設定」をクリックし、関連するテスト情報を入力し、報告書の種類を選択します。「報告書プレビュー」を使用すると、生成される報告書の効果を事前に確認できます。「ファイル管理」から保存先を選択し、「保存」をクリックするとテスト結果が保存されます。
注意：HTML形式で保存すると、HTMLファイルとともにフォルダーが生成されます。コピーする場合は、両方のファイルをコピーし、同じパスに保持する必要があります。

 

テスト項目をクリックすると、特定のテスト波形に直接ハイパーリンクします：

 

 

4 　まとめ
製品出荷前の重要なプロセスとして、USB 2.0の互換性テストは、今日のさまざまな製品の開発や製造において重要な役割を果たしており、膨大な作業量を伴います。しかし、鼎陽テクノロジーのUSB 2.0互換性テストソリューションは、より簡便で、より標準化され、より自動化された方向へと進化し続けています。このソリューションは、手間のかかるオシロスコープの設定やカーソルの配置、USB 2.0規格との比較テスト結果の確認といったプロセスを排除し、簡単な設定方法とわかりやすい図表形式の接続ガイドを提供することで、ユーザーがテストの複雑さを軽減し、製造効率を向上させるのをサポートします。