使用 USB Type-C 等高速接口設(shè)計(jì)穩(wěn)健的系統(tǒng)需要格外小心。當(dāng)接口涉及 USB 供電等功能時(shí)，調(diào)試設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜。雖然可以通過確認(rèn)消息是否準(zhǔn)確發(fā)送和接收來驗(yàn)證系統(tǒng)，但可能會(huì)出現(xiàn)許多使驗(yàn)證復(fù)雜化的問題。

例如，使用 USB 供電時(shí)，兩個(gè)設(shè)備必須完成電源合同協(xié)商以確定設(shè)備之間將傳輸多少功率。但是，如果在協(xié)商過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，則調(diào)試過程可能會(huì)非常困難，除非您實(shí)際上可以實(shí)時(shí)捕獲信號(hào)數(shù)據(jù)并在 USB 協(xié)議的上下文中查看它們。

在與其他制造商的設(shè)備通信時(shí)，信號(hào)的可見性也很重要。由于 USB Type-C 在一個(gè)連接器中結(jié)合了數(shù)據(jù)、電源和視頻，識(shí)別 Type-C 端口的實(shí)際功能可能具有挑戰(zhàn)性，例如它是電源還是接收器，它提供或需要什么電源功能, 以及它是否支持交替模式。通過信號(hào)可見性，查看設(shè)備的實(shí)際行為是一個(gè)簡(jiǎn)單的過程。開發(fā)人員還可以在電氣和消息級(jí)別驗(yàn)證配置通道 (CC) 上的通信。

為幫助開發(fā)人員，可以使用 USB Type-C/PD 分析器，例如賽普拉斯的CY4500 EZ-PD 協(xié)議分析器。協(xié)議分析器可以在配置通道（CC 線路）上以非侵入式方式探測(cè)和捕獲 USB-PD 協(xié)議消息。本文介紹了使用協(xié)議分析器的調(diào)試技術(shù)，可以加速基于 USB-PD 的設(shè)計(jì)的開發(fā)。除了設(shè)計(jì)和調(diào)試之外，分析器還有助于幫助開發(fā)人員理解 USB-PD 協(xié)議。有關(guān) USB Type-C 和電力傳輸協(xié)議的基礎(chǔ)信息，請(qǐng)參閱USB Type-C 和電力傳輸：101。

Cypress 的 CY4500 EZ-PD TM協(xié)議分析器套件（見圖 1）等協(xié)議分析器支持對(duì)USB-PD和USB Type-C規(guī)范的分析。它們以不會(huì)對(duì)實(shí)時(shí)通信產(chǎn)生負(fù)面影響的非侵入方式捕獲 CC 線路上的 USB-PD 消息。該分析儀由賽普拉斯的可編程 MCU ( PSoC 5LP)，它監(jiān)視 CC 線路（USB Type-C 連接器）上的數(shù)據(jù)，并通過 USB 接口將此數(shù)據(jù)發(fā)送到主機(jī)應(yīng)用程序 EZ-PD Analyzer Utility。此分析儀上的 USB Type-C 插頭和插座為在每個(gè) USB-PD 連接之間傳輸?shù)?CC 消息提供直通。可編程 MCU 在不干擾系統(tǒng)的情況下獲取這些 CC 消息，并通過 USB 接口將它們傳輸?shù)竭\(yùn)行 CY4500 EZ-PD 協(xié)議分析器的 PC ，CY4500 EZ-PD 協(xié)議分析器是一種捕獲 USB-PD 跟蹤和顯示的工具（見圖 2）。

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圖 1：USB-PD Type-C 協(xié)議分析器套件 (CY4500 EZ-PD)

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圖 2. EZ-PD Analyzer Utility 用戶界面

協(xié)議分析儀可輕松對(duì)任何 USB Type-C 和 USB PD 系統(tǒng)進(jìn)行電氣級(jí)和協(xié)議級(jí)調(diào)試和分析。該分析儀通過連接到 PC 的 USB 接口供電，包括用于探測(cè) USB Type-C 信號(hào)（CC 線、VBUS 和 SBU 線）的連接器接頭。分析儀可以觸發(fā) GPIO 集，用于特定（或組合）USB PD 事件的定時(shí)測(cè)量。分析儀對(duì) CC 端接的支持允許模擬 USB Type-C 源/接收器/電纜進(jìn)行測(cè)試，而無需連接到另一個(gè) USB Type-C 設(shè)備。

在 PC 端，圖形用戶界面 (GUI) 可以在任何 USB Type-C 系統(tǒng)的協(xié)議級(jí)別輕松捕獲、離線分析和調(diào)試 USB PD 消息。GUI 簡(jiǎn)化了 CY4500 板上 GPIO 的觸發(fā)集，用于特定（或組合）USB PD 事件的定時(shí)測(cè)量。開發(fā)人員還可以輕松啟用和禁用 CY4500 板上的 CC 終端，以模擬 USB Type-C 源/接收器/電纜，以便于測(cè)試。開發(fā)人員還可以輕松搜索和過濾消息，以加快問題識(shí)別和解決速度。

使用 USB-PD 協(xié)議分析儀進(jìn)行調(diào)試

要探測(cè)未連接的 USB Type-C 端口的 USB Type-C 信號(hào)，協(xié)議分析儀的 USB Type-C 插座（或 Type-C 插頭）必須連接到 USB Type-C 插頭（或 USB Type-C被測(cè)設(shè)備 (DUT) 的插座），如圖 3 所示。USB Type-C 信號(hào)被帶到可用于探測(cè)示波器信號(hào)的接頭上。

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圖 3. 用于調(diào)試處于分離狀態(tài)的 USB Type-C 端口的協(xié)議分析器設(shè)置

為了探測(cè) USB Type-C 信號(hào)或捕獲配置通道上的 USB PD 消息（Type-C 端口上的 CC 線），協(xié)議分析儀必須連接在兩個(gè) USB Type-C 端口之間，如圖 4 所示。分析儀向 PC 上運(yùn)行的協(xié)議分析器實(shí)用程序發(fā)送信號(hào)，以捕獲和解碼來自 USB Type-C 端口的 USB PD 消息。

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圖 4. 用于調(diào)試處于連接狀態(tài)的 USB Type-C 端口的協(xié)議分析器設(shè)置

了解 USB Type-C 信號(hào)

USB Type-C DFP – 未連接狀態(tài)

在默認(rèn)狀態(tài)下，下游端口 (DFP) 是電源，因此應(yīng)該在其 CC 線上暴露 R p終端（上拉）。如果 DFP 設(shè)備有一個(gè) Type-C 插座，那么它的兩條 CC 線都應(yīng)該暴露 R p終端，如圖 5 所示。有關(guān) R p要求的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱USB-PD 規(guī)范。

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圖 5. 帶有 USB Type-C 插座的獨(dú)立 USB Type-C DFP

如果 DFP 設(shè)備具有 USB Type-C 插頭，則 Rp 終端應(yīng)暴露在其 CC 線上，而 VCONN 應(yīng)接地（參見）。

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圖 6. 帶有 USB Type-C 插頭的獨(dú)立 USB Type-C DFP

USB Type-C UFP – 未連接狀態(tài)

在默認(rèn)狀態(tài)下，帶有 USB Type-C 插座或 USB Type-C 插頭的上游面向端口 (UFP) 是電源吸收器，因此應(yīng)該在其 CC 線上暴露 R d 終端（下拉），如所示. 有關(guān) R d要求的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱USB-PD 規(guī)范。

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圖 7. 未連接的 USB Type-C UFP

USB Type-C DRP – 未連接狀態(tài)

雙角色端口 (DRP) 設(shè)備初將在 DFP（通過連接 R p并斷開 R d）和 UFP（通過斷開 R p和連接 R d ）操作之間切換其狀態(tài)，如圖 8 和圖 9 所示。

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圖 8. 帶有 Type-C 插座的獨(dú)立 Type-C DRP

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圖 9. 帶 Type-C 插頭的獨(dú)立 Type-C DRP

USB Type-C 連接狀態(tài)

當(dāng)一個(gè) DFP 和一個(gè) UFP 或兩個(gè) DRP 連接在一起時(shí)，它們接受由此產(chǎn)生的 DFP 到 UFP 關(guān)系（在 DRP 的情況下隨機(jī)實(shí)現(xiàn)），并在其中一條CC 線上形成成功的 R p -R d分壓器. 這表明 Type-C 連接已建立（參見圖 10 和圖 11）。例如，此處形成的 CC 值是由于DFP 側(cè)的 R p = 12k分壓器被拉至 3.3V 而UFP 側(cè)的R d = 5.1k 的分壓器形成的，從而產(chǎn)生大約 900 mV 的電壓。

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圖 10. USB 設(shè)備和主機(jī)之間的直接 USB Type-C 連接（無 EMCA 電纜）

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圖 11. USB Type-C 連接（無 EMCA）——翻轉(zhuǎn)

CC 線的狀態(tài)取決于連接到 USB Type-C 插座的 USB Type-C 插頭的方向。另一條 CC 線（或 V CONN信號(hào)）的狀態(tài)取決于分析儀連接到哪一端以及是否使用 EMCA [1] 進(jìn)行連接。圖 10 和圖 11 顯示了沒有 EMCA 時(shí)的波形捕獲。圖 12 是在 DFP 和 UFP 之間使用 EMCA 的 USB Type-C 連接的波形捕獲（如圖 13 所示）。

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圖 12. USB Type-C 連接（帶 EMCA）

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圖 13. USB Type-C 與 EMCA 的連接

了解 USB-PD 協(xié)議

觀察基本 USB-PD 契約

作為 USB 電力傳輸協(xié)商過程的結(jié)果，端口合作伙伴之間達(dá)成了明確的電力合同或協(xié)議。供電協(xié)商是使用 PD 消息執(zhí)行的，如USB-PD規(guī)范所定義，通過 USB Type-C 連接中的 CC 線。

圖 14 顯示了在 USB 供電協(xié)商過程中通過 CC 線在 DFP 和 UFP 之間傳輸?shù)?USB PD 消息。USB PD 使用 BMC（雙相標(biāo)記編碼）信號(hào)進(jìn)行 PD 通信。有關(guān) BMC 的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱USB-PD規(guī)范。

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圖 14. USB PD BMC 信號(hào)

圖 15 顯示了作為 DFP（電源/電源供應(yīng)商）的 29W USB-C 電源適配器與鎖定為一個(gè) UFP（接收器/功耗器）。

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圖 15. USB-C 電源適配器的電源數(shù)據(jù)對(duì)象 (PDO)

在電源協(xié)商階段，USB Type-C 源（此處為 29W Type-C 電源適配器）向連接的 USB Type-C 接收器發(fā)送“Source Capability”消息。圖 15 中的 Source Capabilities 消息顯示了 Type-C 電源適配器支持的自定義電源數(shù)據(jù)對(duì)象 [2]（PDO——在圖 15 中突出顯示為 Power Data Obj Source 1 和 Power Data Obj Source 2）：

• 功率數(shù)據(jù)對(duì)象源 1 (SRC PDO1)：5V，2.4A
• 功率數(shù)據(jù)對(duì)象源 2 (SRC PDO2)：14.8V，2A

“Source Capabilities”消息之后的“Request”消息，由 sink 發(fā)送，根據(jù)所需的 Sink PDO 請(qǐng)求功率。從可以看出，sink在object位置2請(qǐng)求Source PDO，即SRC PDO2。

USB Type-C 源隨后接受（使用接受消息）并發(fā)送 PS_RDY 消息作為源已準(zhǔn)備好開始在 V BUS 上提供新功率電平的指示。因此，與向消費(fèi)設(shè)備的 Type-C 端口提供 14.8 V 的 USB Type-C 電源適配器建立 14.8 V 的電源合同。

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圖 16. 電力消費(fèi)者基于其接收器 PDO 發(fā)送的請(qǐng)求消息

電力合同建立時(shí)的電壓也可以通過Vbus列針對(duì)實(shí)用程序中顯示的PS_RDY 消息和Vbus Volt文本框的值進(jìn)行驗(yàn)證（如中突出顯示的那樣）。

USB PD 規(guī)范極大地改善了 USB 生態(tài)系統(tǒng)并定義了獨(dú)立于數(shù)據(jù)角色（USB 主機(jī)和 USB 設(shè)備）的電源角色（VBUS Source 和 Sink）。這包括獨(dú)立交換電源和數(shù)據(jù)角色的能力。有關(guān)角色交換（數(shù)據(jù)角色和電源角色）概念的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱文章USB Type-C 和供電：101 。

圖 17 顯示了一個(gè)成功的 PR_SWAP 消息序列?？梢钥闯觯?PR_SWAP 之后，重新協(xié)商發(fā)生在新源發(fā)出源能力的情況下。可以看出，在 PR_SWAP 成功之后，USB Type-C 端口只會(huì)更改其電源角色，而不會(huì)更改其數(shù)據(jù)角色。

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圖 17. PR_SWAP 消息序列

圖 18 顯示了一個(gè)成功的 DR_SWAP 消息序列，之后沒有發(fā)生電源重新協(xié)商。可以看出，USB Type-C 端口只會(huì)更改其數(shù)據(jù)角色，而不會(huì)更改其電源角色。還可以注意到，即使在 DR_SWAP 之后，在 DR_SWAP 之前協(xié)商的電力合同（在本例中為 14.8V 合同）仍然保持不變。

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圖 18. DR_SWAP 消息序列

交替模式是一種功能，可實(shí)現(xiàn) USB Type-C 信號(hào)的多用途，以供交替使用，例如 DisplayPort (DP)、HDMI 和 Thunderbolt。有關(guān) DP over USB Type-C 的協(xié)議方面的更多詳細(xì)信息超出了本文的范圍。有關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱 VESA DisplayPort (DP) 標(biāo)準(zhǔn)和 USB Type-C 標(biāo)準(zhǔn)上的 VESA DisplayPort Alt 模式。

圖 19 顯示了支持 DP 的 USB Type-C 顯示器 (UFP) 和 USB Type-C 筆記本電腦 (DFP) 之間成功的替代模式（顯示端口 – DP）協(xié)商。DFP 支持查詢 UFP 以了解其備用模式功能。隨后，DFP 發(fā)出“進(jìn)入模式”消息，指示 UFP 進(jìn)入顯示端口模式（顯示數(shù)據(jù)將通過 Type-C 連接器的超高速線路傳輸）。圖 19 僅突出顯示一條消息，其中 UFP 將支持的替代模式為顯示端口。

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圖 19. 顯示端口（備用模式）協(xié)商

識(shí)別 EMCA 的存在

圖 20 顯示的跡線有助于識(shí)別標(biāo)記芯片（表示 EMCA）是否存在于連接在 DFP 和 UFP 之間的 USB Type-C 電纜上（如圖 13 所示）。如果存在 EMCA，則電纜標(biāo)記芯片會(huì)響應(yīng)來自 DFP 的 SOP' (SOP_PRIME) 消息，提供電纜功能。有關(guān) SOP 通信和 EMCA 的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱文章：設(shè)計(jì) Type-C 電子標(biāo)記電纜和設(shè)計(jì) USB 3.1 Type-C 電纜。

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圖 20. 顯示端口（備用模式）協(xié)商

使用 CY4500 解決問題 – 示例

CRC 錯(cuò)誤或其他數(shù)據(jù)包字段錯(cuò)誤，如 EOP（數(shù)據(jù)包結(jié)束），可以在捕獲的軌跡上輕松識(shí)別，因?yàn)檫@些消息以紅色突出顯示，如圖 21 所示。

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圖 21. 錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)包傳送

如果在 USB Type-C 連接上發(fā)現(xiàn)許多此類 CRC 錯(cuò)誤，則問題可能出在 CC 線路的信號(hào)質(zhì)量上，然后可以使用示波器在接頭上進(jìn)行探測(cè)。

圖 22 顯示了一個(gè)示例場(chǎng)景，其中未看到 UFP/Sink 響應(yīng) DFP/Source 發(fā)送的 Source_Capabilities 消息。根據(jù) PD 協(xié)議，源 (DFP) 重試 Source_Capabilities 消息，當(dāng)超時(shí)（由 USB-PD 規(guī)范定義）到期時(shí)，總線上會(huì)出現(xiàn)硬重置（由 DFP 或 UFP 發(fā)送）。協(xié)議分析器實(shí)用程序顯示與計(jì)時(shí)相關(guān)的信息，這有助于分析哪個(gè)設(shè)備在指定的超時(shí)方面違反了 USB PD 規(guī)范。超時(shí)到期可能是由于 USB PD 消息由于信號(hào)質(zhì)量差或沒有 USB Type-C 連接而實(shí)際上未到達(dá) USB Type-C 接收器 (UFP)。

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圖 22. 無響應(yīng)的接收器

圖 23 和圖 24 顯示了一個(gè)示例場(chǎng)景，其中建立了較低電壓（在本例中為 5V）的電力合同，盡管電源有能力提供更多電力。在圖 23 中，source 宣傳支持 5V 和 14.8V PDO，其中 Sink 在圖 24 中僅選擇 5V，因?yàn)?sink 不支持 14.8V 的 Sink PDO。

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圖 23. 支持更高 PDO 的源的 5V 合約 – 1

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圖 24. 支持更高 PDO 的源的 5V 合約 – 2

顯示器 (DP) 無法通過 USB Type-C 工作

有時(shí)，能夠提供電源的 USB Type-C 顯示器（即 DRP）可能會(huì)在連接到 USB Type-C 筆記本電腦時(shí)初鎖定為 DFP/源。對(duì)于通過 USB Type-C 工作的顯示器（USB Type-C 筆記本作為 DP 源，USB Type-C 顯示器作為 DP Sink），顯示器應(yīng)該作為 UFP，為此它需要一個(gè)成功的 DR_SWAP。圖 25 顯示了電力合同成功的一個(gè)示例場(chǎng)景。然而，DR_SWAP 被初鎖定為 UFP/接收器的 USB Type-C 設(shè)備拒絕（在我們的示例中為 Type-C 筆記本電腦。如果 Type-C 筆記本電腦未成功實(shí)現(xiàn) DR_SWAP 序列（如圖 25 所示） )，則 DP 將不起作用。

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圖 25. DR SWAP 被拒絕

隨著 USB Type-C 和 USB 供電規(guī)范的不斷發(fā)展，市場(chǎng)上可能會(huì)出現(xiàn)許多過早（或不完全兼容）的設(shè)備，這些設(shè)備會(huì)表現(xiàn)出此處和其他地方所述的錯(cuò)誤行為。在這種情況下，協(xié)議分析器可以作為快速調(diào)試和分析的便捷工具。