USB2.0高速主机适配卡的设计

USB2.0高速主机适配卡的设计

西安交通大学电子与信息工程学院（710049） 邵小桃

ＵＳＢ接口可提供双向、实时的数据传输，具有即插即用、性能可靠、价格低廉等优点，目前已成为计算机和通信电子产品连接外围设备的接口。由于高速ＵＳＢ集线器、高速ＵＳＢ功能部件的不断涌现，如数字图像器、扫描仪、视频会议摄像机、大容量数字存储设备等新型ＵＳＢ设备，在计算机和这些复杂的ＵＳＢ外设之间需要建立一个高速、高性能的数据传输。ＵＳＢ２．０正是为了满足这种需求提出的，它的传输速率为４８０Ｍｂｐｓ。高速ＵＳＢ２．０与全速ＵＳＢ１．１和低速ＵＳＢ１．０完全兼容。虽然新式的计算机至少提供两个ＵＳＢ端口，但多数都只能用于ＵＳＢ１．１和ＵＳＢ１．０的数据传输，不能支持ＵＳＢ２．０的数据传输。ＵＳＢ２．０高速主机适配卡，可直接插入计算机的扩充槽内，利用ＰＣＩ总线接口、可支持ＵＳＢ的操作系统，实现ＵＳＢ２．０的高速数据传输。
ＵＳＢ界面通过ＵＳＢ主控制器与计算机主机系统相连接。ＵＳＢ主控制器不但提供与主机的ＰＣＩ总线接口，同时也包含根集线器。根集线器可提供一个或多个连接点用于ＵＳＢ设备的连接，从而使主机操作系统与ＵＳＢ设备之间可以彼此通信。ＵＳＢ２．０主控制器是设计ＵＳＢ２．０高速主机适配卡的主要芯片。目前世界上许多大公司如ＮＥＣ、ＰＨＩＬＩＰＳ、ＶＩＡ等都相继推出ＵＳＢ２．０主控制器。本文采用ＮＥＣ公司生产的ＵＳＢ２．０主控制器 ｕＰＤ７２０１００，设计出新型ＵＳＢ２．０高速主机适配卡，测量结果良好，满足ＵＳＢ２．０的设计规范，达到ＵＳＢ２．０设计要求，并已经通过ＥＭＣ国际。

１ ＵＳＢ２．０高速主机适配卡的设计

１．１ ＵＳＢ２．０主机系统与ＵＳＢ设备之间的工作流程

ＵＳＢ主机系统可分成客户、ＵＳＢ系统、ＵＳＢ主控制器三层。ＵＳＢ设备也可分成功能部件、ＵＳＢ逻辑设备、ＵＳＢ总线接口三层，如图１所示。

ＵＳＢ主控制器实际上是主机系统方面的ＵＳＢ总线接口，它主要处理电气层和协议层之间的相互作用。ＵＳＢ系统包括主控制器驱动程序、ＵＳＢ驱动程序、主机软件三部分，利用主控制器管理主机和ＵＳＢ设备之间的数据传输。客户负责管理与ＵＳＢ设备直接作用的全部软件。总之，整个ＵＳＢ主机系统可以提供以下功能：检测ＵＳＢ设备的连接和断开、管理主机与ＵＳＢ设备之间的标准控制流和数据流、收集状态和事务的统计信息、控制主控制器与ＵＳＢ设备之间的电气接口，如数据线有限功率的供给等。 图１也表示出ＵＳＢ主机系统与ＵＳＢ设备之间存在功能层、ＵＳＢ设备层、ＵＳＢ总线接口层三个逻辑层。ＵＳＢ总线接口层代表ＵＳＢ主控制器与ＵＳＢ总线接口之间的传输关系，在主机与设备之间提供物理、信号、信息包的连接；ＵＳＢ设备层代表ＵＳＢ系统软件和ＵＳＢ逻辑设备之间的传输关系，ＵＳＢ系统软件可以执行许多关键的和一般的功能，用于给定设备的传输特性；功能层代表客户软件与功能部件之间的关系，通过相应的匹配客户软件提供给主机额外的功能。虽然在ＵＳＢ设备层和功能层内都有各自的逻辑通信，但是实际的数据传输必须通过ＵＳＢ总线接口层完成。ＵＳＢ总线接口层提供ＵＳＢ数据的底层传输，即ＵＳＢ数据的传输终还是发生在ＵＳＢ数据线上。 １．２ ＵＳＢ

２．０高速主机适配卡的设计框图

图２为利用ＮＥＣ公司的ＵＳＢ２．０主控制器 ｕＰＤ７２０１００ 所设计的基本电路框图。可以看出，ＵＳＢ２．０主控制器是一个芯片，可提供３２－ｂｉｔｓ ３３ＭＨｚ ＰＣＩ 总线接口，用于与主机ＰＣＩ总线接口的连接。它还包含两个开放主控制器ＯＨＣＩ ＃１、ＯＨＣＩ ＃２和一个增强主控制器ＥＨＣＩ，支持５个用于连接外围设备的下游端口。ＯＨＣＩ ＃１主控制器用于处理１、３、５三个端口全速和低速信号的传输，ＯＨＣＩ ＃２主控制器用于处理２、４两个端口全速和低速信号的传输，ＥＨＣＩ主控制器用于处理１、２、３、４、５五个端口高速信号的传输。仲裁器（Ａｒｂｉｔｅｒ）用来选择ＯＨＣＩ ＃１、ＯＨＣＩ ＃２主控制器和ＥＨＣＩ主控制器。根集线器完成主控制器内集线器的功能，控制主控制器和５个端口之间的连接。物理层（ＰＨＹ）包含高速、全速和低速的收发器等。

５Ｖ／３．３Ｖ的降压调节器用于将ＰＣＩ总线提供的５Ｖ电源转换成主控制器需要的３．３Ｖ直流电源；系统时钟由３０ＭＨｚ晶振提供；电源控制开关提供短路和过流保护，而且每个下游端口都有各自的控制开关；串行ＥＥＰＲＯＭ用于存储子系统标识符、子系统厂商标识符等相关信息。

ＵＳＢ２．０高速主机适配卡，通过主控制器和根集线器，使得主机操作系统与下游５个端口的ＵＳＢ设备或集线器之间实现同步通信，可以处理ＵＳＢ１．０、ＵＳＢ１．１、ＵＳＢ２．０三种传输速率。它支持热插拔、总线供电，每个端口可有５００ｍＡ电流。连接ＵＳＢ２．０设备或集线器的ＵＳＢ电缆的长度为５ｍ，设备连接采用不超过７层的星形拓扑结构，可连接多达１２７个ＵＳＢ设备或集线器。 １．３ ＵＳＢ ２．０高速主机适配卡的设计要点

由于ＵＳＢ２．０高速的传输速率，如何提高ＵＳＢ２．０信号的传输质量，减小电磁干扰（ＥＭＩ）和静电放电（ＥＳＤ）成为设计的关键。本文从电路设计和ＰＣＢ 设计两个方面进行分析。

在电路设计中，应在数字电源ＶＤＤ和数字地ＶＳＳ之间尽可能多放一些去耦电容，同时在靠近ＵＳＢ２．０主控制器芯片处多放一些旁路电容，以减少耦合，降低高频辐射噪声；在尽可能靠近主控制器信号管脚处放负载电阻，维持对地４５Ω的高速负载；在下游每个端口，放１５ｋΩ下拉电阻；在尽可能靠近接插元件处放差分模式阻抗较低的共模扼流元件和ＥＳＤ抑制元件，如图３所示，以提高差分信号质量，降低干扰，确保在ＥＭＩ测试中得到足够的余量。

ＰＣＢ设计采用四层印刷电路板，、四层为信号层，第二层为电源层，第三层为地层。第四层为ＵＳＢ２．０布线层，在地层应将模拟地和数字地严格分开。在可能的情况下，不要将ＵＳＢ布线在晶振、时钟和磁性设备或ＩＣ的下面。分层厚度和主要信号的走线宽度，都必须采用阻抗控制并进行阻抗匹配，以满足规定的阻抗值，其中包括保持Ｄ＋和Ｄ－两条信号线同样长度且始终平行，以得到Ｄ＋／Ｄ－９０Ω的差分对阻抗及４５Ω的共模阻抗。时钟电路也是产生电磁辐射的主要来源，故应将晶振元件放在距离ＵＳＢ２．０芯片尽可能远的区域，保证信号线Ｄ＋／Ｄ－和高速时钟线之间的距离越远越好，以减少高频辐射影响。同时还要限定Ｄ＋／Ｄ－以及高速时钟线的长度，使线长短。尽可能增大每对信号线之间的距离，避免９０°直角布线等。

在选择外围附件时，必须选择ＵＳＢ２．０电缆、ＵＳＢ２．０连接器，并将面板等机械部件正确地与高速主机适配卡、主机相连，保证良好的屏蔽，以减少静电放电干扰。

２ 测试结果及结论

ＵＳＢ实施者论坛（ＵＳＢ－ＩＦ）提供ＵＳＢ设备与主机软件的测试，Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ 提供Ｗｉｎｄｏｗｓ 硬件品质实验室测试 ＷＨＱＬ Ｔｅｓｔｉｎｇ。对于ＵＳＢ２．０高速主机适配卡，除了上述两个标准测试外，还包括高速信号传输质量的测试、功能测试、电磁兼容国际测试等。

利用Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ ＴＤＳ６９４Ｃ、ＴＤＳ５４４ 示波器进行高速信号传输质量的测试，其中包括高速差分对Ｄ＋／Ｄ－ 眼图、信号传输速率、接收灵敏度、振幅、差分对Ｄ＋／Ｄ－输出阻抗等测试。测试结果满足ＵＳＢ２．０主控制器的设计标准，满足ＵＳＢ２．０ 的设计规范，测试连接见图４。

ＵＳＢ２．０高速主机适配卡功能测试，即采用Ｗｉｎｄｏｗｓ ２０００ Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ、Ｗｉｎｄｏｗｓ Ｍｅ、Ｗｉｎｄｏｗｓ ９８ＳＥ等不同的操作系统，与不同的ＵＳＢ设备连接测试。包含与ＵＳＢ１．０低速设备如鼠标、键盘的连接；与ＵＳＢ１．１全速设备如ＨＤＤ、音频设备的连接；与ＵＳＢ２．０高速设备如ＵＳＢ２．０ Ｈｕｂ、ＣＤ－Ｒ／Ｗ、视频会议摄像机、扫描器、宽带打印机、摄像机等的连接，进行"Ｗｉｎｔｅｓｔ" 测试。所有的测试结果表明，ＵＳＢ２．０高速主机适配卡能够在不同的操作系统下，与多个厂家的ＵＳＢ设备兼容，提供良好的性能。

基于北美、欧盟和世界范围内的很多国家都有强制性的电磁兼容规范，如ＦＣＣ、ＶＣＣＩ、ＵＬ、ＣＥ等，电磁兼容和静电放电测试对ＵＳＢ２．０高速主机适配卡来说也是非常重要的。由于在设计中着重考虑了电磁兼容和静电放电等问题，并进行多方改进，这种新型的ＵＳＢ２．０高速主机适配卡通过了电磁兼容的国际测试，性能可靠，应用前景广阔。