基于uPD720100控制器实现新型USB2.0高速主机适配卡的应用方案

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首选接口?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?HILIPS?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国际认证?

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数据的传输最终还是发生在USB数据线上?

1.2 USB2.0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主控制器是一个核心芯片，可提供32-bits33MHzPCI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，每个端口最大可有500mA电流?连接USB2.0设备或集线器的USB电缆的最大长度为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?

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1.3 USB2.0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?CB设计采用四层印刷电路板，第一?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最佳布线层，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，使线长最短?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？WHQLTesting ?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?电磁兼容国际认证测试等?

利用TektronixTDS694C?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Windows2000Professional?WindowsMe?Windows98SE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USB2.0Hub?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认证测试，性能可靠，应用前景广阔?

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