基于uPD720100控制器實現(xiàn)新型USB2.0高速主機適配卡的應(yīng)用方案

USB接口可提供雙向?實時的數(shù)據(jù)傳輸，具有即插即用?性能可靠?價格低廉等優(yōu)點，目前已成為計算機和通信電子產(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?視頻會議攝像機?大容量數(shù)字存儲設(shè)備等新型USB設(shè)備，在計算機和這些復(fù)雜的USB外設(shè)之間需要建立一個高速?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(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高速主機適配卡，可直接插入計算機的擴充槽內(nèi)，利用PCI總線接口?可支持USB的操作系統(tǒng)，實現(xiàn)USB2.0的高速數(shù)據(jù)傳輸?

USB界面通過USB主控制器與計算機主機系統(tǒng)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(shè)備的連接，從而使主機操作系統(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?HILIPS?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)計出新型USB2.0高速主機適配卡，測量結(jié)果良好，滿足USB2.0的設(shè)計規(guī)范，達到USB2.0設(shè)計要求，并已經(jīng)通過EMC國際認證?

1 USB2.0高速主機適配卡的設(shè)計

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

USB主機系統(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?

USB主控制器實際上是主機系統(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)動程序?USB驅(qū)動程序?主機軟件三部分，利用主控制器管理主機和USB設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸?客戶負責(zé)管理與USB設(shè)備直接作用的全部軟件?總之，整個USB主機系統(tǒng)可以提供以下功能：檢測USB設(shè)備的連接和斷開?管理主機與USB設(shè)備之間的標準控制流和數(shù)據(jù)流?收集狀態(tài)和事務(wù)的統(tǒng)計信息?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，在主機與設(shè)備之間提供物理?信號?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 USB2.0高速主機適配卡的設(shè)計框圖

圖2為利用NEC公司的USB2.0主控制器uPD720100所設(shè)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-bits33MHzPCI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(shè)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(nèi)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(fā)器等?

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)時鐘由30MHz晶振提供;電源控制開關(guān)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(guān);串行EEPROM用于存儲子系統(tǒng)標識符?子系統(tǒng)廠商標識符等相關(guān)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(tǒng)與下游5個端口的USB設(shè)備或集線器之間實現(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層的星形拓撲結(jié)構(gòu)，可連接多達127個USB設(shè)備或集線器?

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1.3 USB2.0高速主機適配卡的設(shè)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(zhì)量，減小電磁干擾（EMI）和靜電放電（ESD）成為設(shè)計的關(guān)鍵?本文從電路設(shè)計和PCB設(shè)計兩個方面進行分析?

在電路設(shè)計中，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(zhì)量，降低干擾，確保在EMI測試中得到足夠的余量?CB設(shè)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(yīng)將模擬地和數(shù)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(shè)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(guī)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(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芯片盡可能遠的區(qū)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(jié)果及結(jié)論

USB實施者論壇（USB-IF）提供USB設(shè)備與主機軟件的測試，Microsoft提供Windows硬件品質(zhì)實驗室測試？WHQLTesting ?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(zhì)量的測試?功能測試?電磁兼容國際認證測試等?

利用TektronixTDS694C?TDS544示波器進行高速信號傳輸質(zhì)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(jié)果滿足USB2.0主控制器的設(shè)計標準，滿足USB2.0的設(shè)計規(guī)范，測試連接見圖4?

USB2.0高速主機適配卡功能測試，即采用Windows2000Professional?WindowsMe?Windows98SE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?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USB2.0Hub?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(jié)果表明，USB2.0高速主機適配卡能夠在不同的操作系統(tǒng)下，與多個廠家的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高速主機適配卡來說也是非常重要的?由于在設(shè)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(yīng)用前景廣闊?

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