摘? 要: 介紹一種新型的USB2.0高速主機適配" title="適配">適配卡的設計。通過主機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高速數據傳輸帶來的EMI/ESD問題,進行了全面的考慮和設計。USB2.0高速主機適配卡性能完善、功能齊全,并已經通過EMC國際認證。

　　關鍵詞: USB2.0? 主機適配卡? PCI? EMC

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　　USB接口可提供雙向、實時的數據傳輸,具有即插即用、性能可靠、價格低廉等優點,目前已成為計算機和通信電子產品連接外圍設備的首選接口。由于高速USB集線器、高速USB功能部件的不斷涌現,如數字圖像器、掃描儀、視頻會議攝像機、大容量數字存儲設備等新型USB設備,在計算機和這些復雜的USB外設之間需要建立一個高速、高性能的數據傳輸。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。雖然新式的計算機至少提供兩個USB端口,但多數都只能用于USB1.1和USB1.0的數據傳輸,不能支持USB2.0的數據傳輸。USB2.0高速主機適配卡,可直接插入計算機的擴充槽內,利用PCI總線接口、可支持USB的操作系統,實現USB2.0的高速數據傳輸。

　　USB界面通過USB主控制器與計算機主機系統相連接。USB主控制器不但提供與主機的PCI總線接口,同時也包含根集線器。根集線器可提供一個或多個連接點用于USB設備的連接,從而使主機操作系統與USB設備之間可以彼此通信。USB2.0主控制器是設計USB2.0高速主機適配卡的主要芯片。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公司生產的USB2.0主控制器 uPD720100,設計出新型USB2.0高速主機適配卡,測量結果良好,滿足USB2.0的設計規范,達到USB2.0設計要求,并已經通過EMC國際認證。

1 USB2.0高速主機適配卡的設計

1.1 USB2.0主機系統與USB設備之間的工作流程

　　USB主機系統可分成客戶、USB系統、USB主控制器三層。USB設備也可分成功能部件、USB邏輯設備、USB總線接口三層,如圖1所示。

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　　USB主控制器實際上是主機系統方面的USB總線接口,它主要處理電氣層和協議層之間的相互作用。USB系統包括主控制器驅動程序、USB驅動程序、主機軟件三部分,利用主控制器管理主機和USB設備之間的數據傳輸。客戶負責管理與USB設備直接作用的全部軟件。總之,整個USB主機系統可以提供以下功能:檢測USB設備的連接和斷開、管理主機與USB設備之間的標準控制流和數據流、收集狀態和事務的統計信息、控制主控制器與USB設備之間的電氣接口,如數據線有限功率的供給等。

　　圖1也表示出USB主機系統與USB設備之間存在功能層、USB設備層、USB總線接口層三個邏輯層。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系,在主機與設備之間提供物理、信號、信息包的連接;USB設備層代表USB系統軟件和USB邏輯設備之間的傳輸關系,USB系統軟件可以執行許多關鍵的和一般的功能,用于給定設備的傳輸特性;功能層代表客戶軟件與功能部件之間的關系,通過相應的匹配客戶軟件提供給主機額外的功能。雖然在USB設備層和功能層內都有各自的邏輯通信,但是實際的數據傳輸必須通過USB總線接口層完成。USB總線接口層提供USB數據的底層傳輸,即USB數據的傳輸最終還是發生在USB數據線上。

1.2 USB 2.0高速主機適配卡的設計框圖

　　圖2為利用NEC公司的USB2.0主控制器 uPD720100 所設計的基本電路框圖。可以看出,USB2.0主控制器是一個核心芯片,可提供32-bits 33MHz PCI 總線接口,用于與主機PCI總線接口的連接。它還包含兩個開放主控制器OHCI #1、OHCI #2和一個增強主控制器EHCI,支持5個用于連接外圍設備的下游端口。OHCI #1主控制器用于處理1、3、5三個端口全速和低速信號的傳輸,OHCI #2主控制器用于處理2、4兩個端口全速和低速信號的傳輸,EHCI主控制器用于處理1、2、3、4、5五個端口高速信號的傳輸。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集線器的功能,控制主控制器和5個端口之間的連接。物理層(PHY)包含高速、全速和低速的收發器等。

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??? 5V/3.3V的降壓調節器用于將PCI總線提供的5V電源轉換成主控制器需要的3.3V直流電源;系統時鐘由30MHz晶振提供;電源控制開關提供短路和過流保護,而且每個下游端口都有各自的控制開關;串行EEPROM用于存儲子系統標識符、子系統廠商標識符等相關信息。

　　USB2.0高速主機適配卡,通過主控制器和根集線器,使得主機操作系統與下游5個端口的USB設備或集線器之間實現同步通信,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,每個端口最大可有500mA電流。連接USB2.0設備或集線器的USB電纜的最大長度為5m,設備連接采用不超過7層的星形拓撲結構,可連接多達127個USB設備或集線器。

1.3 USB 2.0高速主機適配卡的設計要點

　　由于USB2.0高速的傳輸速率,如何提高USB2.0信號的傳輸質量,減小電磁干擾(EMI)和靜電放電" title="靜電放電">靜電放電(ESD)成為設計的關鍵。本文從電路設計和PCB 設計兩個方面進行分析。

　　在電路設計中,應在數字電源VDD和數字地VSS之間盡可能多放一些去耦電容,同時在靠近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管腳處放負載電阻,維持對地45Ω的高速負載;在下游每個端口,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,以提高差分信號質量,降低干擾,確保在EMI測試中得到足夠的余量。

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　　PCB設計采用四層印刷電路板,第一、四層為信號層,第二層為電源層,第三層為地層。第四層為USB2.0最佳布線層,在地層應將模擬地和數字地嚴格分開。在可能的情況下,不要將USB布線在晶振、時鐘和磁性設備或IC的下面。分層厚度和主要信號的走線寬度,都必須采用阻抗控制并進行阻抗匹配,以滿足規定的阻抗值,其中包括保持D+和D-兩條信號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。時鐘電路也是產生電磁輻射的主要來源,故應將晶振元件放在距離USB2.0芯片盡可能遠的區域,保證信號線D+/D-和高速時鐘線之間的距離越遠越好,以減少高頻輻射影響。同時還要限定D+/D-以及高速時鐘線的長度,使線長最短。盡可能增大每對信號線之間的距離,避免90°直角布線等。

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

2 測試結果及結論

　　USB實施者論壇(USB-IF)提供USB設備與主機軟件的測試,Microsoft 提供Windows 硬件品質實驗室測試(WHQL Testing)。對于USB2.0高速主機適配卡,除了上述兩個標準測試外,還包括高速信號傳輸質量的測試、功能測試、電磁兼容" title="電磁兼容">電磁兼容國際認證測試等。

　　利用Tektronix TDS694C、TDS544 示波器進行高速信號傳輸質量的測試,其中包括高速差分對D+/D- 眼圖、信號傳輸速率、接收靈敏度、振幅、差分對D+/D-輸出阻抗等測試。測試結果滿足USB2.0主控制器的設計標準,滿足USB2.0 的設計規范,測試連接見圖4。

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

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

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參考文獻

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