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USB 2.0 高速主機(jī)適配卡的設(shè)計(jì)

時(shí)間:2024-10-06 06:27:06 理工畢業(yè)論文 我要投稿
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USB 2.0 高速主機(jī)適配卡的設(shè)計(jì)

摘要:介紹一種新型的USB2.0高速主機(jī)適配卡的設(shè)計(jì)。通過主機(jī)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(jìn)行了全面的考慮和設(shè)計(jì)。USB2.0高速主機(jī)適配卡性能完善、功能齊全,并已經(jīng)通過EMC國際認(rèn)證。

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、視頻會議攝像機(jī)、大容量數(shù)字存儲設(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、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(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)動程序、USB驅(qū)動程序、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?蛻糌(fù)責(zé)管理與USB設(shè)備直接作用的全部軟件?傊,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、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 USB 2.0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?梢钥闯,USB2.0主控制器是一個(gè)核心芯片,可提供32-bits 33MHz PCI 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用于存儲子系統(tǒng)標(biāo)識符、子系統(tǒng)廠商標(biāo)識符等相關(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。

1.3 USB 2.0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。

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