- 相關(guān)推薦
USB 2.0 高速主機適配卡的設計
摘要:介紹一種新型的USB2.0高速主機適配卡的設計。通過主機PCI總線接口,利用USB2.0主控制器,針對USB2.0高速數(shù)據(jù)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(jīng)通過EMC國際認證。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(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設備的連接,從而使主機操作系統(tǒng)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(chǎn)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(jié)果良好,滿足USB2.0的設計規(guī)范,達到USB2.0設計要求,并已經(jīng)通過EMC國際認證。
1 USB2.0高速主機適配卡的設計
1.1 USB2.0主機系統(tǒng)與USB設備之間的工作流程
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。
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設備之間的數(shù)據(jù)傳輸?蛻糌撠煿芾砼cUSB設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(shù)據(jù)流、收集狀態(tài)和事務的統(tǒng)計信息、控制主控制器與USB設備之間的電氣接口,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(guān)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(tǒng)軟件和USB邏輯設備之間的傳輸關(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(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 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(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(jié)構(gòu),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(zhì)量,減小電磁干擾(EMI)和靜電放電(ESD)成為設計的關(guān)鍵。本文從電路設計和PCB 設計兩個方面進行分析。
【USB 2.0 高速主機適配卡的設計】相關(guān)文章:
基于USB2.0的高速同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計03-19
具有USB2.0接口的高速數(shù)據(jù)采集卡設計03-18
基于USB2.0的同步高速數(shù)據(jù)采集器的設計03-18
基于USB2.0和FPGA的高速圖像采集系統(tǒng)03-07
USB接口的高速數(shù)據(jù)采集卡的設計與實現(xiàn)03-18
基于USB2.0的MPEG視頻卡的設計與實現(xiàn)03-19
USB OTG設計03-18