摘? 要: 介紹一種新型的USB2.0高速主機(jī)適配" title="適配">適配卡的設(shè)計(jì)。通過主機(jī)PCI總線接口,利用USB2.0主控制器" title="主控制器">主控制器,針對USB2.0高速數(shù)據(jù)傳輸帶來的EMI/ESD問題,進(jìn)行了全面的考慮和設(shè)計(jì)。USB2.0高速主機(jī)適配卡性能完善、功能齊全,并已經(jīng)通過EMC國際認(rèn)證。

　　關(guān)鍵詞: USB2.0? 主機(jī)適配卡? PCI? EMC

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　　USB接口可提供雙向、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸,具有即插即用、性能可靠、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),目前已成為計(jì)算機(jī)和通信電子產(chǎn)品連接外圍設(shè)備的首選接口。由于高速USB集線器、高速USB功能部件的不斷涌現(xiàn),如數(shù)字圖像器、掃描儀、視頻會(huì)議攝像機(jī)、大容量數(shù)字存儲(chǔ)設(shè)備等新型USB設(shè)備,在計(jì)算機(jī)和這些復(fù)雜的USB外設(shè)之間需要建立一個(gè)高速、高性能的數(shù)據(jù)傳輸。USB2.0正是為了滿足這種需求提出的,它的傳輸速率" title="傳輸速率">傳輸速率為480Mbps。高速USB2.0與全速USB1.1和低速USB1.0完全兼容。雖然新式的計(jì)算機(jī)至少提供兩個(gè)USB端口,但多數(shù)都只能用于USB1.1和USB1.0的數(shù)據(jù)傳輸,不能支持USB2.0的數(shù)據(jù)傳輸。USB2.0高速主機(jī)適配卡,可直接插入計(jì)算機(jī)的擴(kuò)充槽內(nèi),利用PCI總線接口、可支持USB的操作系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)USB2.0的高速數(shù)據(jù)傳輸。

　　USB界面通過USB主控制器與計(jì)算機(jī)主機(jī)系統(tǒng)相連接。USB主控制器不但提供與主機(jī)的PCI總線接口,同時(shí)也包含根集線器。根集線器可提供一個(gè)或多個(gè)連接點(diǎn)用于USB設(shè)備的連接,從而使主機(jī)操作系統(tǒng)與USB設(shè)備之間可以彼此通信。USB2.0主控制器是設(shè)計(jì)USB2.0高速主機(jī)適配卡的主要芯片。目前世界上許多大公司如NEC、PHILIPS、VIA等都相繼推出USB2.0主控制器。本文采用NEC公司生產(chǎn)的USB2.0主控制器 uPD720100,設(shè)計(jì)出新型USB2.0高速主機(jī)適配卡,測量結(jié)果良好,滿足USB2.0的設(shè)計(jì)規(guī)范,達(dá)到USB2.0設(shè)計(jì)要求,并已經(jīng)通過EMC國際認(rèn)證。

1 USB2.0高速主機(jī)適配卡的設(shè)計(jì)

1.1 USB2.0主機(jī)系統(tǒng)與USB設(shè)備之間的工作流程

　　USB主機(jī)系統(tǒng)可分成客戶、USB系統(tǒng)、USB主控制器三層。USB設(shè)備也可分成功能部件、USB邏輯設(shè)備、USB總線接口三層,如圖1所示。

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　　USB主控制器實(shí)際上是主機(jī)系統(tǒng)方面的USB總線接口,它主要處理電氣層和協(xié)議層之間的相互作用。USB系統(tǒng)包括主控制器驅(qū)動(dòng)程序、USB驅(qū)動(dòng)程序、主機(jī)軟件三部分,利用主控制器管理主機(jī)和USB設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸?？蛻糌?fù)責(zé)管理與USB設(shè)備直接作用的全部軟件。總之,整個(gè)USB主機(jī)系統(tǒng)可以提供以下功能:檢測USB設(shè)備的連接和斷開、管理主機(jī)與USB設(shè)備之間的標(biāo)準(zhǔn)控制流和數(shù)據(jù)流、收集狀態(tài)和事務(wù)的統(tǒng)計(jì)信息、控制主控制器與USB設(shè)備之間的電氣接口,如數(shù)據(jù)線有限功率的供給等。

　　圖1也表示出USB主機(jī)系統(tǒng)與USB設(shè)備之間存在功能層、USB設(shè)備層、USB總線接口層三個(gè)邏輯層。USB總線接口層代表USB主控制器與USB總線接口之間的傳輸關(guān)系,在主機(jī)與設(shè)備之間提供物理、信號(hào)、信息包的連接;USB設(shè)備層代表USB系統(tǒng)軟件和USB邏輯設(shè)備之間的傳輸關(guān)系,USB系統(tǒng)軟件可以執(zhí)行許多關(guān)鍵的和一般的功能,用于給定設(shè)備的傳輸特性;功能層代表客戶軟件與功能部件之間的關(guān)系,通過相應(yīng)的匹配客戶軟件提供給主機(jī)額外的功能。雖然在USB設(shè)備層和功能層內(nèi)都有各自的邏輯通信,但是實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸必須通過USB總線接口層完成。USB總線接口層提供USB數(shù)據(jù)的底層傳輸,即USB數(shù)據(jù)的傳輸最終還是發(fā)生在USB數(shù)據(jù)線上。

1.2 USB 2.0高速主機(jī)適配卡的設(shè)計(jì)框圖

　　圖2為利用NEC公司的USB2.0主控制器 uPD720100 所設(shè)計(jì)的基本電路框圖。可以看出,USB2.0主控制器是一個(gè)核心芯片,可提供32-bits 33MHz PCI 總線接口,用于與主機(jī)PCI總線接口的連接。它還包含兩個(gè)開放主控制器OHCI #1、OHCI #2和一個(gè)增強(qiáng)主控制器EHCI,支持5個(gè)用于連接外圍設(shè)備的下游端口。OHCI #1主控制器用于處理1、3、5三個(gè)端口全速和低速信號(hào)的傳輸,OHCI #2主控制器用于處理2、4兩個(gè)端口全速和低速信號(hào)的傳輸,EHCI主控制器用于處理1、2、3、4、5五個(gè)端口高速信號(hào)的傳輸。仲裁器(Arbiter)用來選擇OHCI #1、OHCI #2主控制器和EHCI主控制器。根集線器完成主控制器內(nèi)集線器的功能,控制主控制器和5個(gè)端口之間的連接。物理層(PHY)包含高速、全速和低速的收發(fā)器等。

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??? 5V/3.3V的降壓調(diào)節(jié)器用于將PCI總線提供的5V電源轉(zhuǎn)換成主控制器需要的3.3V直流電源;系統(tǒng)時(shí)鐘由30MHz晶振提供;電源控制開關(guān)提供短路和過流保護(hù),而且每個(gè)下游端口都有各自的控制開關(guān);串行EEPROM用于存儲(chǔ)子系統(tǒng)標(biāo)識(shí)符、子系統(tǒng)廠商標(biāo)識(shí)符等相關(guān)信息。

　　USB2.0高速主機(jī)適配卡,通過主控制器和根集線器,使得主機(jī)操作系統(tǒng)與下游5個(gè)端口的USB設(shè)備或集線器之間實(shí)現(xiàn)同步通信,可以處理USB1.0、USB1.1、USB2.0三種傳輸速率。它支持熱插拔、總線供電,每個(gè)端口最大可有500mA電流。連接USB2.0設(shè)備或集線器的USB電纜的最大長度為5m,設(shè)備連接采用不超過7層的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),可連接多達(dá)127個(gè)USB設(shè)備或集線器。

1.3 USB 2.0高速主機(jī)適配卡的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

　　由于USB2.0高速的傳輸速率,如何提高USB2.0信號(hào)的傳輸質(zhì)量,減小電磁干擾(EMI)和靜電放電" title="靜電放電">靜電放電(ESD)成為設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文從電路設(shè)計(jì)和PCB 設(shè)計(jì)兩個(gè)方面進(jìn)行分析。

　　在電路設(shè)計(jì)中,應(yīng)在數(shù)字電源VDD和數(shù)字地VSS之間盡可能多放一些去耦電容,同時(shí)在靠近USB2.0主控制器芯片處多放一些旁路電容,以減少耦合,降低高頻輻射噪聲;在盡可能靠近主控制器信號(hào)管腳處放負(fù)載電阻,維持對地45Ω的高速負(fù)載;在下游每個(gè)端口,放15kΩ下拉電阻;在盡可能靠近接插元件處放差分模式阻抗較低的共模扼流元件和ESD抑制元件,如圖3所示,以提高差分信號(hào)質(zhì)量,降低干擾,確保在EMI測試中得到足夠的余量。

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　　PCB設(shè)計(jì)采用四層印刷電路板,第一、四層為信號(hào)層,第二層為電源層,第三層為地層。第四層為USB2.0最佳布線層,在地層應(yīng)將模擬地和數(shù)字地嚴(yán)格分開。在可能的情況下,不要將USB布線在晶振、時(shí)鐘和磁性設(shè)備或IC的下面。分層厚度和主要信號(hào)的走線寬度,都必須采用阻抗控制并進(jìn)行阻抗匹配,以滿足規(guī)定的阻抗值,其中包括保持D+和D-兩條信號(hào)線同樣長度且始終平行,以得到D+/D-90Ω的差分對阻抗及45Ω的共模阻抗。時(shí)鐘電路也是產(chǎn)生電磁輻射的主要來源,故應(yīng)將晶振元件放在距離USB2.0芯片盡可能遠(yuǎn)的區(qū)域,保證信號(hào)線D+/D-和高速時(shí)鐘線之間的距離越遠(yuǎn)越好,以減少高頻輻射影響。同時(shí)還要限定D+/D-以及高速時(shí)鐘線的長度,使線長最短。盡可能增大每對信號(hào)線之間的距離,避免90°直角布線等。

　　在選擇外圍附件時(shí),必須選擇USB2.0電纜、USB2.0連接器,并將面板等機(jī)械部件正確地與高速主機(jī)適配卡、主機(jī)相連,保證良好的屏蔽,以減少靜電放電干擾。

2 測試結(jié)果及結(jié)論

　　USB實(shí)施者論壇(USB-IF)提供USB設(shè)備與主機(jī)軟件的測試,Microsoft 提供Windows 硬件品質(zhì)實(shí)驗(yàn)室測試(WHQL Testing)。對于USB2.0高速主機(jī)適配卡,除了上述兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)測試外,還包括高速信號(hào)傳輸質(zhì)量的測試、功能測試、電磁兼容" title="電磁兼容">電磁兼容國際認(rèn)證測試等。

　　利用Tektronix TDS694C、TDS544 示波器進(jìn)行高速信號(hào)傳輸質(zhì)量的測試,其中包括高速差分對D+/D- 眼圖、信號(hào)傳輸速率、接收靈敏度、振幅、差分對D+/D-輸出阻抗等測試。測試結(jié)果滿足USB2.0主控制器的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),滿足USB2.0 的設(shè)計(jì)規(guī)范,測試連接見圖4。

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　　USB2.0高速主機(jī)適配卡功能測試,即采用Windows 2000 Professional、Windows Me、Windows 98SE等不同的操作系統(tǒng),與不同的USB設(shè)備連接測試。包含與USB1.0低速設(shè)備如鼠標(biāo)、鍵盤的連接;與USB1.1全速設(shè)備如HDD、音頻設(shè)備的連接;與USB2.0高速設(shè)備如USB2.0 Hub、CD-R/W、視頻會(huì)議攝像機(jī)、掃描器、寬帶打印機(jī)、攝像機(jī)等的連接,進(jìn)行“Wintest” 測試。所有的測試結(jié)果表明,USB2.0高速主機(jī)適配卡能夠在不同的操作系統(tǒng)下,與多個(gè)廠家的USB設(shè)備兼容,提供良好的性能。

　　基于北美、歐盟和世界范圍內(nèi)的很多國家都有強(qiáng)制性的電磁兼容規(guī)范,如FCC、VCCI、UL、CE等,電磁兼容和靜電放電測試對USB2.0高速主機(jī)適配卡來說也是非常重要的。由于在設(shè)計(jì)中著重考慮了電磁兼容和靜電放電等問題,并進(jìn)行多方改進(jìn),這種新型的USB2.0高速主機(jī)適配卡通過了電磁兼容的國際認(rèn)證測試,性能可靠,應(yīng)用前景廣闊。

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參考文獻(xiàn)

1 Universal Serial Bus Specification Revision 2.0. 2000

2 NEC. uPD720100 Datasheet. 2001

3 Mark Montrose. PCB Design Techniques For Signal Integrity　and EMC Compliance. 1998

4 www.usb.org