USB 2.0 高速主机适配卡的设计

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘要:介绍一种新型的USB2.0高速主机适配卡的设计。通过主机PCI总线接口,利用USB2.0主控制器,针对USB2.0高速数据传输带来的EMI/ESD问题,进行了全面的考虑和设计。USB2.0高速主机适配卡性能完善、功能齐全,并已经通过EMC国际认证。 关键词:USB2.0 主机适配卡 PCI EMC USB接口可提供双向、实时的数据传输,具有即插即用、性能可靠、价格低廉等优点,目前已成为计算机和通信电子产品连接外围设备的首选接口。由于高速USB集线器、高速USB功能部件的不断涌现,如数字图像器、扫描仪、视频会议摄像机、大容量数字存储设备等新型USB设备,在计算机和这些复杂的USB外设之间需要建立一个高速、高性能的数据传输。USB2.0正是为了满足这种需求提出的,它的传输速率为480Mbps。高速USB2.0与全速USB1.1和低速USB1.0完全兼容。虽然新式的计算机至少提供两个USB端口,但多数都只能用于USB1.1和USB1.0的数据传输,不能支持USB2.0的数据传输。USB2.0高速主机适配卡,可直接插入计算机的扩充槽内,利用PCI总线接口、可支持USB的操作系统,实现USB2.0的高速数据传输。 USB界面通过USB主控制器与计算机主机系统相连接。USB主控制器不但提供与主机的PCI总线接口,同时也包含根集线器。 根集线器可提供一个或多个连接点用于USB设备的连接,从而使主机操作系统与USB设备之间可以彼此通信。USB2.0主控制器是设计USB2.0高速主机适配卡的主要芯片。目前世界上许多大公司如NEC、PHILIPS、VIA等都相继推出USB2.0主控制器。本文采用NEC公司生产的USB2.0主控制器 uPD720100,设计出新型USB2.0高速主机适配卡,测量结果良好,满足USB2.0的设计规范,达到USB2.0设计要求,并已经通过EMC国际认证。 1 USB2.0高速主机适配卡的设计 1.1 USB2.0主机系统与USB设备之间的工作流程 USB主机系统可分成客户、USB系统、USB主控制器三层。USB设备也可分成功能部件、USB逻辑设备、USB总线接口三层,如图1所示。 USB主控制器实际上是主机系统方面的USB总线接口,它主要处理电气层和协议层之间的相互作用。USB系统包括主控制器驱动程序、USB驱动程序、主机软件三部分,利用主控制器管理主机和USB设备之间的数据传输。客户负责管理与USB设备直接作用的全部软件。总之,整个USB主机系统可以提供以下功能:检测USB设备的连接和断开、管理主机与USB设备之间的标准控制流和数据流、收集状态和事务的统计信息、控制主控制器与USB设备之间的电气接口,如数据线有限功率的供给等。 图1也表示出USB主机系统与USB设备之间存在功能层、USB设备层、USB总线接口层三个逻辑层。USB总线接口层代表USB主控制器与USB总线接口之间的传输关系,在主机与设备之间提供物理、信号、信息包的连接;USB设备层代表USB系统软件和USB逻辑设备之间的传输关系,USB系统软件可以执行许多关键的和一般的功能,用于给定设备的传输特性;功能层代表客户软件与功能部件之间的关系,通过相应的匹配客户软件提供给主机额外的功能。虽然在USB设备层和功能层内都有各自的逻辑通信,但是实际的数据传输必须通过USB总线接口层完成。USB总线接口层提供USB数据的底层传输,即USB数据的传输最终还是发生在USB数据线上。 1.2 USB 2.0高速主机适配卡的设计框图 图2为利用NEC公司的USB2.0主控制器 uPD720100 所设计的基本电路框图。可以看出,USB2.0主控制器是一个核心芯片,可提供32-bits 33MHz PCI 总线接口,用于与主机PCI总线接口的连接。它还包含两个开放主控制器OHCI #1、OHCI #2和一个增强主控制器EHCI,支持5个用于连接外围设备的下游端口。OHCI #1主控制器用于处理1、3、5三个端口全速和低速信号的传输,OHCI #2主控制器用于处理2、4两个端口全速和低速信号的传输,EHCI主控制器用于处理1、2、3、4、5五个端口高速信号的传输。仲裁器(Arbiter)用来选择OHCI #1、OHCI #2主控制器和EHCI主控制器。根集线器完成主控制器内集线器的功能,控制主控制器和5个端口之间的连接。物理层(PHY)包含高速、全速和低速的收发器等。 5V/3.3V的降压调节器用于将PCI总线提供的5V电源转换成主控制器需要的3.3V直流电源;系统时钟由30MHz晶振提供;电源控制开关提供短路和过流保护,而且每个下游端口都有各自的控制开关;串行EEPROM用于存储子系统标识符、子系统厂商标识符等相关信息。 USB2.0高速主机适配卡,通过主控制器和根集线器,使得主机操作系统与下游5个端口的USB设备或集线器之间实现同步通信,可以处理USB1.0、USB1.1、USB2.0三种传输速率。它支持热插拔、总线供电,每个端口最大可有500mA电流。连接USB2.0设备或集线器的USB电缆的最大长度为5m,设备连接采用不超过7层的星形拓扑结构,可连接多达127个USB设备或集线器。 1.3 USB 2.0高速主机适配卡的设计要点 由于USB2.0高速的传输速率,如何提高USB2.0信号的传输质量,减小电磁干扰(EMI)和静电放电(ESD)成为设计的关键。本文从电路设计和PCB 设计两个方面进行分析。 在电路设计中,应在数字电源VDD和数字地VSS之间尽可能多放一些去耦电容,同时在靠近USB2.0主控制器芯片处多放一些旁路电容,以减少耦合,降低高频辐射噪声;在尽可能靠近主控制器信号管脚处放负载电阻,维持对地45Ω的高速负载;在下游每个端口,放15kΩ下拉电阻;在尽可能靠近接插元件处放差分模式阻抗较低的共模扼流元件和ESD抑制元件,如图3所示,以提高差分信号质量,降低干扰,确保在EMI测试中得到足够的余量。 PCB设计采用四层印刷电路板,第一、四层为信号层,第二层为电源层,第三层为地层。第四层为USB2.0最佳布线层,在地层应将模拟地和数字地严格分开。在可能的情况下,不要将USB布线在晶振、时钟和磁性设备或IC的下面。分层厚度和主要信号的走线宽度,都必须采用阻抗控制并进行阻抗匹配,以满足规定的阻抗值,其中包括保持D+和D-两条信号线同样长度且始终平行,以得到D+/D-90Ω的差分对阻抗及45Ω的共模阻抗。时钟电路也是产生电磁辐射的主要来源,故应将晶振元件放在距离USB2.0芯片尽可能远的区域,保证信号线D+/D-和高速时钟线之间的距离越远越好,以减少高频辐射影响。同时还要限定D+/D-以及高速时钟线的长度,使线长最短。尽可能增大每对信号线之间的距离,避免90%26;#176;直角布线等。 在选择外围附件时,必须选择USB2.0电缆、USB2.0连接器,并将面板等机械部件正确地与高速主机适配卡、主机相连,保证良好的屏蔽,以减少静电放电干扰。 2 测试结果及结论 USB实施者论坛(USB-IF)提供USB设备与主机软件的测试,Microsoft 提供Windows 硬件品质实验室测试 WHQL Testing。对于USB2.0高速主机适配卡,除了上述两个标准测试外,还包括高速信号传输质量的测试、功能测试、电磁兼容国际认证测试等。 利用Tektronix TDS694C、TDS544 示波器进行高速信号传输质量的测试,其中包括高速差分对D+/D- 眼图、信号传输速率、接收灵敏度、振幅、差分对D+/D-输出阻抗等测试。测试结果满足USB2.0主控制器的设计标准,满足USB2.0 的设计规范,测试连接见图4。 USB2.0高速主机适配卡功能测试,即采用Windows 2000 Professional、Windows Me、Windows 98SE等不同的操作系统,与不同的USB设备连接测试。包含与USB1.0低速设备如鼠标、键盘的连接;与USB1.1全速设备如HDD、音频设备的连接;与USB2.0高速设备如USB2.0 Hub、CD-R/W、视频会议摄像机、扫描器、宽带打印机、摄像机等的连接,进行“Wintest” 测试。所有的测试结果表明,USB2.0高速主机适配卡能够在不同的操作系统下,与多个厂家的USB设备兼容,提供良好的性能。 基于北美、欧盟和世界范围内的很多国家都有强制性的电磁兼容规范,如FCC、VCCI、UL、CE等,电磁兼容和静电放电测试对USB2.0高速主机适配卡来说也是非常重要的。由于在设计中着重考虑了电磁兼容和静电放电等问题,并进行多方改进,这种新型的USB2.0高速主机适配卡通过了电磁兼容的国际认证测试,性能可靠,应用前景广阔。
编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/others/200703/10540.html
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