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?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(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?

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?客戶負(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 USB2.0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-bits33MHzPCI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?

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?

［/table］［table］

1.3 USB2.0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（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(duì)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?CB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(duì)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(duì)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？WHQLTesting ?對(duì)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?電磁兼容國際認(rèn)證測試等?

利用TektronixTDS694C?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(duì)D+/D-眼圖?信號(hào)傳輸速率?接收靈敏度?振幅?差分對(duì)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?

USB2.0高速主機(jī)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(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USB2.0Hub?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(duì)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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