基于uPD720100控制器實現新型USB2.0高速主機適配卡的應用方案

USB接口可提供雙向?實時的數據傳輸，具有即插即用?性能可靠?價格低廉等優點，目前已成為計算機和通信電子產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，如數字圖像器?掃描儀?視頻會議攝像機?大容量數字存儲設備等新型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?高性能的數據傳輸?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，但多數都只能用于USB1.1和USB1.0的數據傳輸，不能支持USB2.0的數據傳輸?USB2.0高速主機適配卡，可直接插入計算機的擴充槽內，利用PCI總線接口?可支持USB的操作系統，實現USB2.0的高速數據傳輸?

USB界面通過USB主控制器與計算機主機系統相連接?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?HILIPS?VIA等都相繼推出USB2.0主控制器?本文采用NEC公司生產的USB2.0主控制器uPD720100，設計出新型USB2.0高速主機適配卡，測量結果良好，滿足USB2.0的設計規范，達到USB2.0設計要求，并已經通過EMC國際認證?

1 USB2.0高速主機適配卡的設計

1.1 USB2.0主機系統與USB設備之間的工作流程

USB主機系統可分成客戶?USB系統?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方面的USB總線接口，它主要處理電氣層和協議層之間的相互作用?USB系統包括主控制器驅動程序?USB驅動程序?主機軟件三部分，利用主控制器管理主機和USB設備之間的數據傳輸?客戶負責管理與USB設備直接作用的全部軟件?總之，整個USB主機系統可以提供以下功能：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據流?收集狀態和事務的統計信息?控制主控制器與USB設備之間的電氣接口，如數據線有限功率的供給等?

圖1也表示出USB主機系統與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系統軟件和USB邏輯設備之間的傳輸關系，USB系統軟件可以執行許多關鍵的和一般的功能，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設備層和功能層內都有各自的邏輯通信，但是實際的數據傳輸必須通過USB總線接口層完成?USB總線接口層提供USB數據的底層傳輸，即USB數據的傳輸最終還是發生在USB數據線上?

1.2 USB2.0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-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?全速和低速的收發器等?

5V/3.3V的降壓調節器用于將PCI總線提供的5V電源轉換成主控制器需要的3.3V直流電源;系統時鐘由30MHz晶振提供;電源控制開關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;串行EEPROM用于存儲子系統標識符?子系統廠商標識符等相關信息?

USB2.0高速主機適配卡，通過主控制器和根集線器，使得主機操作系統與下游5個端口的USB設備或集線器之間實現同步通信，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層的星形拓撲結構，可連接多達127個USB設備或集線器?

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1.3 USB2.0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信號的傳輸質量，減小電磁干擾（EMI）和靜電放電（ESD）成為設計的關鍵?本文從電路設計和PCB設計兩個方面進行分析?

在電路設計中，應在數字電源VDD和數字地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，以提高差分信號質量，降低干擾，確保在EMI測試中得到足夠的余量?CB設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，在地層應將模擬地和數字地嚴格分開?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?時鐘電路也是產生電磁輻射的主要來源，故應將晶振元件放在距離USB2.0芯片盡可能遠的區域，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 測試結果及結論

USB實施者論壇（USB-IF）提供USB設備與主機軟件的測試，Microsoft提供Windows硬件品質實驗室測試？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?測試結果滿足USB2.0主控制器的設計標準，滿足USB2.0的設計規范，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，與不同的USB設備連接測試?包含與USB1.0低速設備如鼠標?鍵盤的連接;與USB1.1全速設備如HDD?音頻設備的連接;與USB2.0高速設備如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?所有的測試結果表明，USB2.0高速主機適配卡能夠在不同的操作系統下，與多個廠家的USB設備兼容，提供良好的性能?

基于北美?歐盟和世界范圍內的很多國家都有強制性的電磁兼容規范，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，應用前景廣闊?

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