USB相關(guān)知識(shí)講座

USB 相關(guān)知識(shí)講座 說(shuō)到 USB，在座的各位同仁應(yīng)該都不陌生，之前我也是使用一些 USB 產(chǎn)品，但自從我們公司開(kāi)始重新開(kāi)發(fā) MP3 數(shù)碼隨身聽(tīng)產(chǎn)品后，對(duì) USB 的了解才比較全面一些，但由于我是硬件出身，對(duì)軟件方面了解得不多，因此本節(jié)課的重點(diǎn)在于 USB 的一些基本知識(shí)。 一、 USB 相關(guān)知識(shí) 1、 USB 簡(jiǎn)介 可以說(shuō)現(xiàn)在 USB 接口是目前大家使用最頻繁的接口，而且是愈來(lái)愈有把所有接口都淘汰的趨勢(shì)。現(xiàn)在打印機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、 U 盤(pán)（ 閃存盤(pán) ） 、 MP3 Player、鼠標(biāo)、鍵盤(pán)、外置光驅(qū)、 移動(dòng)硬盤(pán)（ 外置硬盤(pán) ） 都使用了 USB 作為 于計(jì)算機(jī)交換數(shù)據(jù)的接口 ； 以往大家使用 USB 接口的存儲(chǔ)設(shè)備時(shí)，主要的原因是它隨插即用、內(nèi)含 5V 電源的便利特性。但隨著 U 盤(pán)、 MP3播放器，甚至 MP4 等產(chǎn)品 的 內(nèi)存 容量加大，與 USB 硬盤(pán)外接盒、 USB 光盤(pán)外接盒的普及，大容量的 USB 存儲(chǔ)設(shè)備的使用已經(jīng)十分普遍。 雖然 2000 年 4 月時(shí)， USBIF（ USB Implement Forum USB 執(zhí)行委員會(huì)？ ）就已經(jīng)制定出 USB 2.0 ，現(xiàn)行市面上大部分計(jì)算機(jī)周邊產(chǎn)品也都使用了 USB2.0 接口，但仍有不少產(chǎn)品仍然采用 USB 1.1 規(guī)格，這就給我們的選購(gòu)帶來(lái)了不少麻煩。 現(xiàn)在，經(jīng)常存取動(dòng)輒 3 、 4G 硬盤(pán)數(shù)據(jù)的玩家，逐漸開(kāi)始重視 USB 1.1 與 USB 2.0 的速度差異。畢竟， USB 2.0 的傳輸速度是 480Mbps ，但 USB 1.1 的傳輸速度只有 12Mbps ，每秒的傳輸速度差距高達(dá) 40 倍，在時(shí)間就是金錢(qián)的時(shí)代，效率分外重要。 USB 是 通用串行總線(xiàn) （ Universal Serial Bus） 的英文縮寫(xiě)，它 是通過(guò) PCI 總線(xiàn)和 PC 的內(nèi)部系統(tǒng)數(shù)據(jù)線(xiàn)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送。 USB 同時(shí)又是一種通 信協(xié)議，他支持主系統(tǒng) (host)和 USB 的外圍設(shè)備 (device)之間的數(shù)據(jù)傳送，在 USB 的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中，每個(gè) USB 的系統(tǒng)有且只有一個(gè) host，因此，很多的朋友問(wèn)我是否可以將兩臺(tái) PC 的 USB 口通過(guò) A-A 頭連接起來(lái)，是否可以實(shí)現(xiàn)通信，這樣是不行的，因?yàn)閷?duì)于電腦主板上的 USB 設(shè)備，都是 host,如果連起來(lái)就是兩個(gè) host 的通信，這樣一來(lái)的一個(gè) USB的系統(tǒng)有了兩個(gè)的 host，與它的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議沖突。 Anchorchip 出了一個(gè)可以直接連接的設(shè)備 (好象是AN2720SC)，實(shí)際上是一個(gè)由兩個(gè)背靠背的 USB 的 device 組 合起來(lái)的一塊芯片 ； 2、 USB 接口的分類(lèi) 按照以前的說(shuō)法，有 USB1.0、 USB1.1 和 USB2.0 三種接口方式， 不過(guò)據(jù)稱(chēng) USB 協(xié)會(huì)在 2004 年年底重新命名了 USB 標(biāo)準(zhǔn)：將 USB1.1 的說(shuō)法徹底取消了，所有的接口都統(tǒng)稱(chēng) USB2.0 接口，現(xiàn)在的USB2.0 標(biāo)準(zhǔn)按速度劃分為三大類(lèi)，具體的分類(lèi)是： USB2.0 High Speed：理論速度是 480Mbps，對(duì)應(yīng)之前的 USB2.0； USB2.0 Full Speed：理論速度是 12Mbps，也就是過(guò)去的 USB1.1； USB2.0 Low Speed：理論速度是 1.5Mbps，這個(gè)一般用于鼠標(biāo)、鍵盤(pán)等對(duì)速度要求不高的外部設(shè)備。 現(xiàn)在還有一種 USB OTG，原來(lái)說(shuō)是 USB 2.0 的補(bǔ)充規(guī)格 ，也有人說(shuō)是 USB2.0 的加強(qiáng)版 ，因?yàn)榫哂?OTG 功能的 USB 對(duì)我們的使用非常方便，而目前一般的便攜設(shè)備上出現(xiàn)的還不是特別多，后面專(zhuān)門(mén)介紹一下。 3、 USB 接口的傳輸速度 連接類(lèi)型 傳輸速率 (兆位 /秒 ) 串口 .92 Mbps 標(biāo)準(zhǔn)并口 .92 Mbps USB 1.0/1.1 1.5 Mbps USB 2.0 全速 12 Mbps ECP 并口 24 Mbps IEEE1394 (Firewire) 400 Mbps USB 2.0 高速 480 Mbps Bps 指得是 位每秒，如一首 4 分鐘長(zhǎng) 128KBPS 的歌曲大小為： 4*60*（ 128Kbps/8）/1024 3.75M USB 接口支持 1.5Mb/s(低速 )、 12Mb/s(全速 )和高達(dá) 480Mb/s(USB ；2.0 規(guī)范 )的數(shù)據(jù)傳輸速率，扣除用于總線(xiàn)狀態(tài)、控制和錯(cuò)誤監(jiān)測(cè)等的數(shù)據(jù)傳輸， USB 的最大理論傳輸速率仍達(dá) 1.2Mb/s 或 9.6Mb/s，遠(yuǎn)高于一 般的串行總線(xiàn)接口。 例子： 目前市場(chǎng)上 MP3 播放器的接口都標(biāo)明的是 UBS2.0 了，一些 MP3 播放器在包裝盒上標(biāo)明“USB2.0 High”，有的標(biāo)明 “USB2.0 Full”，而有的 MP3 則標(biāo)的是 “USB2.0， 480Mbps”，這顯然比較含糊，很容易蒙蔽消費(fèi)者。 實(shí)際上 在使用過(guò)程中可以看出，當(dāng)寫(xiě)入的歌曲容量不大時(shí)，采用這兩種 USB2.0接口的 MP3 的寫(xiě)入時(shí)間相差還不很大，但當(dāng)寫(xiě)入的歌曲容量較大時(shí)，寫(xiě)入的時(shí)間差別就比較大了。如果用 700KB/s 甚至是 300KB/s 的速度來(lái)寫(xiě)入大容量文件的話(huà)，等待的過(guò)程是漫長(zhǎng)的 。 曾經(jīng)有人專(zhuān)門(mén)測(cè)試過(guò) USB 1.1 與 USB 2.0 的 傳輸速度 ，使用 Windows XP 操作系統(tǒng)，主板支持 USB 2.0，且所有驅(qū)動(dòng)程序都已安裝成功，實(shí)測(cè)結(jié)果顯示 USB 1.1 的閃存盤(pán)，每秒的讀取速度頂多只有 1,000kb/sec ；而 USB 2.0 的閃存盤(pán)，每秒的讀取速度卻可超 6,000 kb/sec 。 4、影響 MP3 的 USB 接口速度的因素（下面說(shuō)的 USB2.0 均指高速版的 USB2.0） 1.主板是否支持 USB2.0，電腦配置的高低對(duì)傳輸速度的影響可以忽略不計(jì)。 2.不同版本操作系統(tǒng)以及主板 USB2.0 驅(qū)動(dòng)版本。 Windows 98 以下的版本及 WIindows NT 都不支持 USB2.0，對(duì) USB2.0 支持得最好的是 Windows XP SP1 及以上版本。 3. MP3 播放器采用的芯片也會(huì)影響傳輸速度。采用 “炬力方案 ”的 MP3 的傳輸速度就比較慢；而采用 Telchips、 SigmaTel、 Philips 這些芯片的 MP3，傳輸速度明顯有一定的提升。并且采用不同型號(hào)芯片的 MP3的傳輸速度也有差異，比如 SigmaTel 3520 支持 USB 2.0 High Speed， SigmaTel 3502就只支持 USB 2.0 Full Speed，炬力 ATJ2085 支持 USB2.0 Full Speed（現(xiàn)在有不少低價(jià) MP3 都是采用的這款芯片）。 4.MP3 播放器的存儲(chǔ)介質(zhì)。一般來(lái)說(shuō)，采用硬盤(pán)存儲(chǔ)介質(zhì)的 MP3 的傳輸速度，比采用閃存存儲(chǔ)介質(zhì)的 MP3 要快一些。 5.MP3 播放器的固件。在同一臺(tái)電腦上拷貝歌曲，即使采用同樣的芯片和介質(zhì)， MP3 的傳輸速度也有一定的差異。 MP3 的新版本固件往往能修整舊版本固件在傳輸速度方面的 BUG， 讓 MP3 的傳輸速度更快！ 5、 USB 接口的優(yōu)點(diǎn) A、統(tǒng)一了外設(shè)接口： USB 為所有的 USB 外設(shè)提供了單一的、易于操作的標(biāo)準(zhǔn)的連接類(lèi)型。這樣一來(lái)就簡(jiǎn)化了 USB 外設(shè)的設(shè)計(jì)，同時(shí)也簡(jiǎn)化了用戶(hù)在判斷哪個(gè)插頭對(duì)應(yīng)哪個(gè)插槽時(shí)的任務(wù) ,實(shí)現(xiàn)了單一的數(shù)據(jù)通用接口。 B、 節(jié)省系統(tǒng)資源： USB 排除了各個(gè)設(shè)備象鼠標(biāo)、調(diào)制解調(diào)器、鍵盤(pán)和打印機(jī)設(shè)備對(duì)去系統(tǒng)資源的需求，因而減少了硬件的復(fù)雜性和對(duì)端口的占用，整個(gè)的 USB 的系統(tǒng)只有一個(gè)端口和一個(gè)中斷，節(jié)省了系統(tǒng)資源。 C、 USB 支持熱插拔 (hot plug)： 也就是說(shuō)在不關(guān) PC 的情況下可以安 全的插上和斷開(kāi) USB 設(shè)備，動(dòng)態(tài)的加載驅(qū)動(dòng)程序。其他普通的外圍連接標(biāo)準(zhǔn)，如 SCSI 設(shè)備等必須在關(guān)掉主機(jī)的情況下才能增加或移走外圍設(shè)備。 D、 USB 支持 PNP（即插即用） 。當(dāng)插入 USB 設(shè)備的時(shí)候，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)檢測(cè)該外設(shè)并且通過(guò)自動(dòng)的加載相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序來(lái)對(duì)該設(shè)備進(jìn)行配置，并使其正常工作。 E、 USB 在設(shè)備供電方面提供了靈活性。 USB 直接連接到 Hub 或者是連接到 Host 的設(shè)備可以通過(guò) USB 電纜供電，也可以通過(guò)電池或者其它的電力設(shè)備來(lái)供電，或使用兩種供電方式的組合 .并且支持節(jié)約能源的掛機(jī)和喚醒模式。 F、 USB 提供全速 12Mbps 的速率和低速 1.5Mbps 的速率來(lái)適應(yīng)各種不同類(lèi)型的外設(shè)。 G、 針對(duì)不能處理突然發(fā)生的非連續(xù)傳送的設(shè)備，如音頻和視頻設(shè)備， USB 可以保證其固定帶寬。 H、 為了適應(yīng)各種不同類(lèi)型外圍設(shè)備的要求， USB 提供了四種不同的數(shù)據(jù)傳送類(lèi)型。 I、 USB 使得多個(gè)外圍設(shè)備可以跟主機(jī)通信。 6、 USB 的協(xié)議 不同版本的協(xié)議有所不同，不過(guò)從 USB1.0 USB1.1 USB2.0 USB OTG 的不斷演變，都是朝著更方便實(shí)用方面發(fā)展，其協(xié)議也是慢慢升級(jí)完善的。 本部分比較專(zhuān)業(yè)，都是一些學(xué)術(shù)術(shù)語(yǔ)，只有真正搞 USB 底層開(kāi)發(fā)的才會(huì)深入 去研究，對(duì)此有興趣的可以找相關(guān)的資料，我這也保存有一些。 7、 USB OTG 簡(jiǎn)介 （ 1） USB OTG 就是 USB On-The-Go 的簡(jiǎn)稱(chēng)， 它是 USB2.0 規(guī)范的補(bǔ)充，結(jié)合了對(duì)移動(dòng)應(yīng)用友好的新特性，包括低功耗、更小的 USB 接頭以及在相同的 USB 端口上增加了雙重角色的功能 (作為主機(jī)和外設(shè)的功能 )。 OTG 通過(guò)在沒(méi)有計(jì)算機(jī)的情況下，相互之間對(duì)等連接使傳統(tǒng)的只能作為 USB 外設(shè)的移動(dòng)產(chǎn)品的性能和連接性得到擴(kuò)展。 （ 2） USB OTG 的特點(diǎn) 可以不必通過(guò) PC 就可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接，如一個(gè)具有 OTG 功能的外設(shè)可以跟 其它外設(shè)直接通訊； 可以實(shí)現(xiàn)主從角色轉(zhuǎn)換， On-The-Go 設(shè)備非但能與其他 On-The-Go 設(shè)備連接，由于內(nèi)嵌 USB 主機(jī)端與 USB 外設(shè)功能，因此當(dāng)它連接到一個(gè)普通 USB 外設(shè)時(shí)，它可以扮演 USB 主機(jī)端的角色，而當(dāng)它連接到一個(gè) USB 主機(jī)端時(shí)，則可以扮演 USB 外設(shè)角色 ； USB OTG 通過(guò)五腳接口和五線(xiàn)電纜傳輸數(shù)據(jù)。除了傳統(tǒng)的 “VBUS”、 “D+”、 “D-”、“GND”四個(gè)針腳外，第五個(gè)針腳為 “ID”腳， ID 腳決定了初始化的主從角色：在 Mini-A插頭中， ID 短路接地，所連設(shè)備 被初始化為主；在 Mini-B 插頭中， ID 懸空，所連設(shè)備被初始化為從。在軟件控制下，主從角色也可以利用主設(shè)備轉(zhuǎn)換協(xié)議 (HNP)進(jìn)行互換。 主設(shè)備可提供低功率輸出，最小為 8mA 的電流到 USB 電纜，當(dāng)不傳輸時(shí)可關(guān)掉VBUS。在 VBUS 關(guān)閉時(shí)，如從屬設(shè)備需要使用總線(xiàn)，則可請(qǐng)求主設(shè)備開(kāi)啟 VBUS，為VBUS 重新供電。低功耗可支持 USB 設(shè)備在電池供電的情況下正常工作，延長(zhǎng)電池壽命，節(jié)省能源。 備注：雙角色工作原理 OTG 雙角色設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序由 USB 主設(shè)備軟件包和 USB 設(shè)備軟件包構(gòu)成。 OTG 驅(qū)動(dòng)通過(guò)連接器中 “ID”的不同連接，或通過(guò)是否有主設(shè)備轉(zhuǎn)換協(xié)議確定雙角色設(shè)備工作方式的轉(zhuǎn)換，確定使用 USB 主設(shè)備軟件包還是 USB 設(shè)備軟件包。 當(dāng) OTG 雙角色設(shè)備以主機(jī)方式工作時(shí)， USB 主設(shè)備軟件包工作。主控制驅(qū)動(dòng)完成USB 主設(shè)備軟件包與雙角色 USB OTG 硬件間的數(shù)據(jù)交換， USB 總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)保存設(shè)備的信息，目標(biāo)主設(shè)備類(lèi)驅(qū)動(dòng)支持目標(biāo)設(shè)備列表里的設(shè)備。 OTG 提供通用的主設(shè)備類(lèi)驅(qū)動(dòng)程序。 當(dāng) OTG 雙角色設(shè)備以從機(jī)方式工作時(shí)， USB 設(shè)備軟件包工作。設(shè)備控制驅(qū)動(dòng)完成USB 設(shè)備軟件包與雙角色 USB OTG 硬件間的數(shù)據(jù)交換， USB 協(xié)議層完成 USB 協(xié) 議規(guī)范， USB 設(shè)備類(lèi)驅(qū)動(dòng)的功能取決于該雙角色 OTG 設(shè)備的功能。 二、 USB 相關(guān)器件簡(jiǎn)介 1、 接插件 （ 1）電腦上使用的 USB 座：我們見(jiàn)到比較多的是電腦機(jī)箱上的 USB 口，那是一個(gè) USB母座，跟它相對(duì)應(yīng)的就是 USB 公座，兩個(gè)都是 4 引腳器件； （ 2）一般便攜設(shè)備使用的標(biāo)準(zhǔn) USB 座：我們 MP3 上的標(biāo)準(zhǔn) USB 公母插座，這兩個(gè)是五 pin 器件，其中 4 腳為空腳，只有具有 USB OTG 功能的機(jī)器第 4 腳才使用為“ ID”信號(hào)腳，；還有 OPPO 目前在使用的迷爾 USB 座，只有 4pin 接口； （ 3）市面上出現(xiàn)的非標(biāo)準(zhǔn)的 USB 座：不管使 用什么類(lèi)型的插座，能用市面上流通的標(biāo)準(zhǔn)件最好，如果自己定義那就是非標(biāo)品，象我們 V1、 V8、 V12 等機(jī)型上使用的耳機(jī)插座共用的方法，那都不是正常用法，多少會(huì)影響到機(jī)器的性能； （ 4） USB 連接線(xiàn)材：類(lèi)似我們數(shù)碼隨身聽(tīng)的 USB 下載線(xiàn)（一端連電腦一端連 MP3） 不管采用什么類(lèi)型的接插件和線(xiàn)材，只有 符合 USB 規(guī)范 最好能取得相關(guān)認(rèn)證的東西才能最終保證下載速度的問(wèn)題。 2、 USB 控制 IC 市場(chǎng)上供應(yīng)的 USB 控制器主要有兩種：帶 USB 接口的單片機(jī)（ MCU）或純粹的 USB接口芯片。 此類(lèi) IC 主要是滿(mǎn)足 USB 規(guī)范而實(shí)現(xiàn) USB 上傳下載功能，很多公司都有，目前我們?cè)谑褂玫氖桥_(tái)灣安國(guó)國(guó)際的 AU9386,外接幾個(gè)器件就是一個(gè) U 盤(pán)。如果采用性能好一些的方案，一般本身都帶 USB 功能，或者通過(guò)軟件編程來(lái)完成 USB 功能。 3、 USB HOST IC 具有 host 功能的 USB IC 市面上也不少，但使用量不多，主要是價(jià)格一直降不下來(lái)，動(dòng)不動(dòng)就是三四十塊錢(qián)一片，有些產(chǎn)品增加了 host 功能后成本也就增加了不少，前段時(shí)間找到一個(gè)國(guó)產(chǎn) IC，南京沁恒電子的 CH375，價(jià)格相對(duì)還可以，對(duì)這有興趣的同事可以找我要相關(guān)的 IC 資料和聯(lián)系方式。 4、 其它器件 （ 1）利用 FTDI 公司生產(chǎn)的 FT8U232AM 實(shí)現(xiàn) USB/RS-232 轉(zhuǎn)換器 （ 2） USB/串口轉(zhuǎn)換器 （ 3）轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，使用在多路信號(hào)共用一個(gè)輸出口的狀態(tài)，如我們公司的 V1、 V8、 V12 等機(jī)型，利用耳機(jī)插座來(lái)與電腦連接上傳下載資料、給鋰電池充電、音頻信號(hào)輸出、收音天線(xiàn)等，對(duì)這類(lèi)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的要求很高，導(dǎo)通阻抗大會(huì)影響音頻信號(hào)的失真度和電腦能否正常連接問(wèn)題，分布電容大會(huì)影響信號(hào)的正確性和資料的上傳下載速度。目前我們?cè)谑褂玫氖?IT 的 3157 和仙童的 4157，一般來(lái)說(shuō)，如有可能盡量不要采用多功能共用一個(gè)輸出口的方案，雖然 在外觀(guān)上是占了一些優(yōu)勢(shì)，但對(duì)整機(jī)性能和壽命都有一定的影響。 （ 4） 意法半導(dǎo)體推出微型封裝的 USB 2.0 接口專(zhuān)用 ESD 保護(hù) IC ，該 IC 專(zhuān)門(mén)保護(hù) USB2.0 高速接口的兩條數(shù)據(jù)線(xiàn)路和電源線(xiàn)，典型電容 2.5pF，抗靜電達(dá)到空氣放電 15KV 和接觸放電 8KV 的標(biāo)準(zhǔn)（ IEC61000-4-2 第 4 級(jí)放電保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)），當(dāng)然要使用這些新東西，需要付出的成本代價(jià)也是不小的。 備注： 現(xiàn)在比較通用的 ESD 標(biāo)準(zhǔn)是 IEC61000-4-2 （ IEC 國(guó)際電工委員會(huì) ） ，應(yīng)用人體靜電模式，測(cè)試電壓的范圍為 2kV 15kV(空氣放 電 )，峰值電流最高為 20A/ns，整個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間不超過(guò) 60ns。在這樣的脈沖下所產(chǎn)生的能量總共不超過(guò)幾百個(gè)微焦?fàn)?，但卻足以損壞敏感元器件。 三、 USB 在設(shè)計(jì)上應(yīng)該注意的事項(xiàng) 由于很多 USB 接口設(shè)計(jì)在機(jī)器的外面，就算通過(guò)橡膠塞保護(hù)，在上傳下載資料時(shí)打開(kāi)橡膠塞時(shí)也有可能接觸到 USB 口，因此對(duì)于 USB 的設(shè)計(jì)，主要是從 ESD 方面考慮，當(dāng)然其它的也會(huì)涉及到。 1、 如何改良 USB 接口的 EMI 和 ESD 設(shè)計(jì) USB 接口的傳輸速率很高，因此如何提高 USB 信號(hào)的傳輸質(zhì)量、減小電磁干擾 (EMI)和靜電放電 (ESD)成為 USB設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文以 USB2.0 為例，從電路設(shè)計(jì)和 PCB 設(shè)計(jì)兩個(gè)方面對(duì)此進(jìn)行分析。 USB 線(xiàn)纜由四根線(xiàn)組成，其中一根是電源線(xiàn) VBus，一根是 地線(xiàn) GND，其余兩根是用于差動(dòng)信號(hào)傳輸?shù)馁Y料線(xiàn) ( D+，D- )。將數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)成為差動(dòng)信號(hào)來(lái)傳輸?shù)姆椒梢杂行岣咝盘?hào)的抗干擾能力 ( EMI )。 當(dāng) USB2.0 接口采用高速差動(dòng)信號(hào)傳輸方式時(shí)，由于接地層與電源層的信號(hào)搖擺，放射噪聲會(huì)有所增加。因此，為避免串?dāng)_并保證信號(hào)的完整性，消除將要混入高速信號(hào)中的共模噪聲是電磁兼容設(shè)計(jì)的必要對(duì)策。在圖 1 所示的電路中，數(shù)據(jù)電源線(xiàn)和地線(xiàn)上分別串聯(lián)一個(gè)阻抗為 120 歐姆、額定電流為 2A 的磁珠，而差分線(xiàn)對(duì)上則串聯(lián)一個(gè)共模阻抗為 90 歐姆的共模扼流器。共?？沽髌饔蓛筛鶎?dǎo)線(xiàn)同方向 繞在磁芯材料上，當(dāng)共模電流通過(guò)時(shí)，共模抗流器會(huì)因磁通量疊加而產(chǎn)生高阻抗；當(dāng)差模電流通過(guò)時(shí)，共?？沽髌饕虼磐炕ハ嗟窒a(chǎn)生較小阻抗。 圖 1： USB2.0 的噪聲抑制電路圖。 圖 2： SDCW2012-2-900 的衰減頻譜。 以深圳順絡(luò)電子有限公司生產(chǎn)的共模抗流器 SDCW2012-2-900 為例 ，該器件在 100MHz 的差模阻抗僅為 4.6 歐姆。從圖 2 所示的衰減特性也能看出共模扼流器對(duì)差分信號(hào)不會(huì)造成影響，主要是針對(duì)共模電流進(jìn)行選擇性的衰減。 圖 3： USB2.0 的 ESD 防護(hù)電路圖。 由于 USB 接口具有可熱插拔性， USB 接口很容易因不可避免的人為因素而導(dǎo)致靜電損壞器件，比如死機(jī)、燒板等。因此使用 USB 接口的用戶(hù)迫切要求加入防 ESD 的保護(hù)器件。在圖 3 電路中，數(shù)據(jù)電源線(xiàn)、地線(xiàn)上各有一個(gè)工作電壓為 5.5V、電容為 100pF 的壓敏電阻連到屏蔽地上。差分線(xiàn)對(duì)因數(shù)據(jù)傳送速度高達(dá) 480Mbps，則需要連接電容小于 4pF的器件，因?yàn)檩^大的電容可導(dǎo)致數(shù)據(jù)信號(hào)波形惡化，甚至出現(xiàn)位錯(cuò)誤。因此在差分線(xiàn)對(duì)上接入工作電壓為 18V、電容最大值為 4pF 的壓敏電阻器。圖 4 所示的電壓波形也驗(yàn)證了電容為 4pF 的壓敏電阻器 (如 深圳順絡(luò)電子有限公司生產(chǎn)的 SDV1005H180C4R0GPT)對(duì)波形的影響不大。 圖 4：不同電容值的壓敏電阻對(duì)波形的影響。 對(duì)于 USB2.0 的 PCB 布線(xiàn)，需要考慮以下原則： 1.差分線(xiàn)對(duì)要保持線(xiàn)長(zhǎng)匹配，否則會(huì)導(dǎo)致時(shí)序偏移、降低信號(hào)質(zhì)量以及增加 EMI； 2.差分線(xiàn)對(duì)之間的間距要保持小于 10mm，并增大它們與其它信號(hào)走線(xiàn)的間距； 3.差分走線(xiàn)要求在同一板層上，因?yàn)椴煌瑢又g的阻抗、過(guò)孔等差別會(huì)降低差模傳輸?shù)男Ч牍材Ｔ肼暎?4.差分信號(hào)線(xiàn)之間的耦合會(huì)影響信號(hào)線(xiàn)的外在阻抗，必須采用終端電阻實(shí)現(xiàn)對(duì)差分傳輸線(xiàn) 的最佳匹配； 5.盡量減少過(guò)孔等會(huì)引起線(xiàn)路不連續(xù)的因素；6.避免導(dǎo)致阻值不連續(xù)性的 90 度走線(xiàn)，可用圓弧或 45 度折線(xiàn)來(lái)代替； 7.壓敏電阻器的接地端要接入屏蔽地層，并放置在端口位置。 2、利用 TVS 二極管 來(lái)對(duì) USB 進(jìn)行 ESD 保護(hù) 數(shù)據(jù)率高達(dá) 480Mbps 的 USB 接口 ， 要利用 TVS 二極管來(lái)進(jìn)行 ESD 保護(hù)，為了保持?jǐn)?shù)據(jù)的正常傳輸，必須 要選擇低電容 的 LCTVS，它通常是將一個(gè)低電容二極管與 TVS 二極管串聯(lián)，以降低整個(gè)線(xiàn)路的電容 (可低于 3pF)，達(dá)到高速率回路的要求。 TVS 二極管的工作原理： 處理瞬時(shí)脈沖對(duì)器件損害的 最好辦法是將瞬時(shí)電流從敏感器件引開(kāi)。 TVS 二極管在線(xiàn)路板上是與被保護(hù)線(xiàn)路并聯(lián)的，當(dāng)瞬時(shí)電壓超過(guò)電路正常工作電壓后， TVS 二極管便發(fā)生雪崩，提供給瞬時(shí)電流一個(gè)超低電阻通路，其結(jié)果是瞬時(shí)電流通過(guò)二極管被引開(kāi)，避開(kāi)被保護(hù)器件，并且在電壓回復(fù)正常值之前使被保護(hù)回路一直保持截止電壓。當(dāng)瞬時(shí)脈沖結(jié)束以后， TVS 二極管自動(dòng)回復(fù)高阻狀態(tài)，整個(gè)回路進(jìn)入正常電壓。 TVS 二極管的特點(diǎn) ： （ 1） 反應(yīng)迅速，使瞬時(shí)脈沖在沒(méi)有對(duì)線(xiàn)路或器件造成損傷之前就被有效地遏制 ； （ 2） 二是截止電壓比較低，更適用于電池供電的低電壓回路環(huán)境 ； （ 3） 對(duì) TVS 二極管設(shè)計(jì)的改進(jìn)使其具有更低的漏電流和結(jié)電容，因而在處理高速率傳導(dǎo)回路的靜電沖擊時(shí)有更理想的性能表現(xiàn) ； 備注： 5kV 的沖擊會(huì)造成約 10%陶瓷電容失效，到 10kV 時(shí)，損壞率達(dá)到 60%，而 TVS 可以承受 15kV 電壓。 使用 TVS 二極管保護(hù) ESD 損害的同時(shí)，必須配合合理的 PCB 布局 ： 首先是要避免自感。對(duì)于 ESD 這樣巨變突發(fā)的脈沖，很可能會(huì)在回路中引起寄生自感，進(jìn)而對(duì)回路形成強(qiáng)大的電壓沖擊，并可能超出 IC 的承受極限而造成損傷。負(fù)載產(chǎn)生的自感電壓與電源變化強(qiáng)度成正比， ESD 沖擊的瞬變特征易于誘發(fā)高強(qiáng)自感 。減小寄生自感的基本原則是盡可能縮短分流回路，必須考慮到包括接地回路、 TVS 和被保護(hù)線(xiàn)路之間的回路以及由接口到 TVS 的通路等所有因素。所以 TVS 器件應(yīng)與接口盡量接近，與被保護(hù)線(xiàn)路盡量接近，這樣才會(huì)減少自感耦合到其它鄰近線(xiàn)路上的機(jī)會(huì)。 另外可應(yīng)用下述原則對(duì)線(xiàn)路進(jìn)行優(yōu)化： 1避免在保護(hù)線(xiàn)路附近走比較關(guān)鍵的信號(hào)線(xiàn)； 2盡量將接口安排在同一個(gè)邊上； 3避免被保護(hù)回路和未實(shí)施保護(hù)的回路并聯(lián)； 4各類(lèi)信號(hào)線(xiàn)及其饋線(xiàn)所形成的回路所環(huán)繞面積要盡量小，必要時(shí)可考慮改變信號(hào)線(xiàn)或接地線(xiàn)的位置； 5將接口信號(hào) 線(xiàn)路和接地線(xiàn)路直接接到保護(hù)器件上，然后再進(jìn)入回路的其它部分； 6將復(fù)位、中斷、控制信號(hào)遠(yuǎn)離輸入 /輸出口，遠(yuǎn)離 PCB 的邊緣； 7在可能的地方都加入接地點(diǎn)； 8采用高集成度器件，二極管陣列不但可以大大節(jié)約線(xiàn)路板上的空間，而且減少了由于回路復(fù)雜可能誘發(fā)的寄生性線(xiàn)路自感的影響。 3、 通過(guò) USB 為電池充電 USB 標(biāo)準(zhǔn)最有價(jià)值，卻最少被提及的特性之一就是可利用主機(jī) USB 接口作為電源對(duì)外設(shè)供電。除了直接對(duì) USB 設(shè)備供電， USB 電源最有用的功能之一就是對(duì)電池充電* 。（在與 PC 交換數(shù)據(jù)的同時(shí)對(duì)電池充電 ） USB 電池充電可能很復(fù)雜，也可能很簡(jiǎn)單，這取決于 USB 設(shè)備的要求。影響設(shè)計(jì)的因素不僅包括通常的成本、尺寸、重量等。其它重要因素還包括 : 1) 電池耗盡的設(shè)備插入 USB 端口時(shí)，要求多快開(kāi)始全功能運(yùn)行； 2) 允許電池充電的時(shí)間； 3) 在 USB 功率限制范圍內(nèi)的功率分配； 4) 是否需要一個(gè)交流適配器充電。 搞過(guò)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的人員都知道，所有 USB 主機(jī)，如電腦，每個(gè) USB 插孔都能支持最少 500mA 電流輸出或驅(qū)動(dòng) 5 個(gè)“單位負(fù)載”。在 USB 術(shù)語(yǔ)中，“一個(gè)單位負(fù)載”是100mA。自帶電源的 USB 集線(xiàn)器也能 驅(qū)動(dòng) 5 個(gè)單位負(fù)載。總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)的 USB 集線(xiàn)器只能保證驅(qū)動(dòng)一個(gè)單位負(fù)載。 備注：按照 USB 規(guī)范，由 USB 主機(jī)或帶電源的集線(xiàn)器提供的，電纜外設(shè)端的最小可用電壓為 4.5V，而由 USB總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)的集線(xiàn)器提供的最小電壓為 4.35V。用這些電壓對(duì)充電電壓典型要求為 4.2V 的 Li+電池充電時(shí)，只有很小的裕度，這使得充電器的壓降變得極為重要。 所有接入 USB 端口的設(shè)備啟動(dòng)時(shí)消耗電流都不能超過(guò) 100mA。與主機(jī)進(jìn)行通信后，設(shè)備才能決定是否可以用足 500mA 電流（一旦與主機(jī)連接，所有 USB 設(shè)備都必須首先讓主機(jī)識(shí)別自己。這一動(dòng)作被稱(chēng)為 枚舉）。所以， USB 設(shè)備與電腦連接時(shí)，如果設(shè)備的啟動(dòng)電流大于 100 mA，不僅不能給電池充電，還需要由電池提供部分的電流來(lái)時(shí)設(shè)備正常工作，只有電腦識(shí)別到 USB 設(shè)備后，能夠提供高達(dá) 500mA 的 電流，此時(shí)不僅能與電腦交換數(shù)據(jù)，還同時(shí)利用電腦電源給電池充電。 當(dāng)然，也可以利用 USB 電源給鎳氫電池充電（畢竟鎳氫電池成本低），但是需要增加一個(gè) DC-DC 轉(zhuǎn)換器將 1.3V 的電池電壓升至設(shè)備可使用的電壓，典型為 3.3V。 鮮為人知的 USB特性 USB端口并不限制電流（與規(guī)范差異的地方） 盡管 USB規(guī)范詳細(xì)規(guī)定了每個(gè) USB端口必須提供多少電流，但對(duì)于它能夠提供多少電流，規(guī)范給出的界限卻極為寬泛。盡管定義了電流上限不能超過(guò) 500mA，但一個(gè)明智的設(shè)計(jì)者不應(yīng)該依賴(lài)于這個(gè)信息。任何情況下，都不認(rèn)為每個(gè) USB端口會(huì)將它的輸出電流限制在 500mA，或附近的一個(gè)值。實(shí)際上， USB端口輸出的電流經(jīng)常超過(guò)幾安培，因?yàn)槎喽丝谙到y(tǒng) (如 PC機(jī) )經(jīng)常只有一個(gè)保護(hù)器件公用于所有的端口。保護(hù)器件被設(shè)定在所有端口總額定功率之上。因此，一個(gè) 4USB端口系統(tǒng)，如果其余 3個(gè)端口未被使用，一個(gè)端口就可提供超過(guò) 2A的電流。此外，盡管一些 PC機(jī)使用精度為 10%至 20%的 IC保護(hù)方案，其它大多使用非常不精確的自復(fù)保險(xiǎn)絲，只有負(fù)載功率超出額定值 100%或更高時(shí)才會(huì)觸發(fā)。 USB端口很少 (從不 )關(guān)斷電源 。 USB規(guī)范對(duì)此并沒(méi)有說(shuō)明，但人們時(shí)常認(rèn)為如果枚舉失敗，或遇到其它軟件或固件問(wèn)題， USB電源可能被關(guān)斷。但實(shí)際情況是，除非有電路故障 (如短路 )，沒(méi)有 USB主機(jī)會(huì)關(guān)斷 USB電源。也許會(huì)有例外，但是目前還沒(méi)有見(jiàn)到。筆記本和主板生產(chǎn)商甚至不愿意為故障保護(hù)買(mǎi)單，更不用說(shuō)智能電源切換了。因此，無(wú)論 USB外設(shè)與主機(jī)的對(duì)話(huà)是否發(fā)生， 5V一直可以利用 (電流為 500mA或 100mA，也許 為2A或更高 )。 USB供電的閱讀燈、咖啡杯加熱器以及其他一些諸如此類(lèi)沒(méi)有任何通信能力的產(chǎn)品的出現(xiàn)就證明了這一點(diǎn)。它們可能并不“守規(guī)”，但它們工作的很好。 例子：我們的數(shù)碼隨身聽(tīng)，凡是用聚合物鋰電池的，現(xiàn)在都用 BQ24013來(lái)控制充電，一方面可以直接使用 USB的電源充電，另一方面也可以利用充電適配器來(lái)給電池充電。一般的小雜牌廠(chǎng)家，為了降低成本，一般都是用普通的穩(wěn)壓管來(lái)穩(wěn)壓，充電效果極不好，對(duì)鋰電池的傷害也很大。 4、 USB 接口與串口設(shè)備之間互連問(wèn)題 由于 USB 口具有即插即用的特性，現(xiàn)已出現(xiàn)只有 USB 口而沒(méi) 有傳統(tǒng)接口的 PC， 但是有很多業(yè)界專(zhuān)業(yè)人士或嵌入式應(yīng)用人員一直采用的是 UART（ Universal Asynchronous Receiver and Transmitter 通用異步收發(fā)器 ）接口，如改用 USB 對(duì)他們而言需要投入太多的時(shí)間和金錢(qián)， 那么在這樣的 計(jì)算機(jī) 上如何使用舊式基于 串行接口 的設(shè)備呢？ 可采用三種基本方法調(diào)整系統(tǒng)，使之適應(yīng)無(wú)傳統(tǒng)接口 的 PC。 第一種方法是進(jìn)行全面的系統(tǒng)再設(shè)計(jì)，使設(shè)備本身能夠支持 USB 連接； 本方案涉及很多工作， 除了硬件改變之外，還需進(jìn)行軟件方面的改動(dòng)。 第二種方法是使用目前市面上 出現(xiàn)的 USB 至 RS-232 適配器； 本方案可快速使用但成本較高，同時(shí)產(chǎn)品的兼容性、質(zhì)量不能得到很好的保障，可能導(dǎo)致維修服務(wù)增加對(duì)品牌產(chǎn)生負(fù)面影響。 第三種方法則是采用為系統(tǒng)應(yīng)用定制的 USB 至 UART 適配器。 這種方案有專(zhuān)用外部接口方式和嵌入式橋接兩種方式。 5、 USB 對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求 （ 1）所有具有接地底板護(hù)罩 的元件都應(yīng)將護(hù)罩連接到底板接地框。 具有護(hù)罩的元件比如： USB 座 、按鈕、耳機(jī)插座、話(huà)筒等。由于護(hù)罩的導(dǎo)電性高且表面積大，因此他們極易成為靜電放電的電荷傳輸路徑。 （ 2）如果電性能允許， 在每條連接到外 部電纜線(xiàn)的信號(hào)線(xiàn)上都應(yīng)置有鐵氧體磁環(huán)。 主要信號(hào)線(xiàn)包括：線(xiàn)路輸出 /耳機(jī)、線(xiàn)路輸入、遙控和 USB_5V信號(hào) 。每個(gè)鐵氧體磁環(huán)的位置都應(yīng)盡可能靠近元件，并且在元件引腳和鐵氧體間沒(méi)有過(guò)孔，對(duì)于線(xiàn)路輸入和線(xiàn)路輸出信號(hào)，鐵氧體的直流電阻應(yīng)在 0.4歐姆以?xún)?nèi)，否則總諧波失真（ THD）將變大。 （ 3）不應(yīng)將鐵氧體磁環(huán)置于 USB D+ 和 D信號(hào)線(xiàn)上。 如果使用鐵氧體磁環(huán)，他們可能破壞 D+ 和 D 信號(hào)的完整性，從而導(dǎo)致 USB 通訊 故障。 （ 4） USB 接口應(yīng)該采用一個(gè)非導(dǎo)電性罩或者橡膠塞包裹。 播放器外殼上的按鈕 或開(kāi)關(guān)應(yīng)不導(dǎo)電。所以至少，印刷電路板上與按鈕或開(kāi)關(guān)接觸的內(nèi)層材料應(yīng)不導(dǎo)電。如果整個(gè)按鈕導(dǎo)電，則將導(dǎo)致在靜電放電時(shí)電荷均勻分布在按鈕或開(kāi)關(guān)上。這將減少電路板和靜電放電源之間的有效空隙，從而使靜電放電能以較高的電壓釋放到電路板上。 如果采用金屬或者導(dǎo)電性的外殼，那么我們的設(shè)計(jì)就應(yīng)該允許電荷在電路板的各面均勻分布，以構(gòu)成一個(gè)法拉第罩。 按鈕和機(jī)器外殼直接的空隙盡可能小，以防止靜電放電情況穿透空隙的空氣直接放電到電路板上。 四、 USB 使用常識(shí)問(wèn)題 1、 你用的 USB ，真的是 2.0 嗎？ 相信大家手邊都有蠻多產(chǎn) 品是使用 USB 接口與計(jì)算機(jī)連接的，例如打印機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、 U 盤(pán)、鼠標(biāo)、鍵盤(pán)、外置光驅(qū)、外置硬盤(pán)等。 但所用的 USB，是真的以 USB2.0 的速度在傳輸數(shù)據(jù)嗎？ USB 傳輸速度必須分四個(gè)部份（主板芯片組、操作系統(tǒng)、外接設(shè)備、傳輸線(xiàn)）來(lái)檢查 USB 規(guī)格是否通通為 2.0 ，不然明明是 USB 2.0 的周邊產(chǎn)品，實(shí)際的傳輸速度可能只有 USB 1.1 。 （ 1）首先保證所購(gòu)買(mǎi)的 外接設(shè)備 支持 High USB 2.0 外，還要注意主板、操作系統(tǒng)、傳輸線(xiàn)是否支持 USB 2.0 ，最重要的是操作系統(tǒng) 與外接設(shè)備的 USB 2.0 驅(qū)動(dòng)程序是否有安裝、設(shè)置成功。不然操作系統(tǒng)與所有的硬件都支持 USB 2.0 ，卻沒(méi)將 USB 2.0 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)定成功，一直使用低速的 USB 1.1 而不自知，這不是很浪費(fèi)嗎？ USB 2.0 兼容于 USB 1.1 ，因此系統(tǒng)不會(huì)主動(dòng)告知使用者，目前的 USB Port 是以 USB 1.1 還是 USB 2.0 的傳輸速度在傳送文件，所以就得自行檢查計(jì)算機(jī)軟硬件的各部份是否都已安裝妥當(dāng)，才能肯定的大聲說(shuō) “我用 USB 2.0 ！ ” （ 2） 只要是 Windows Me 操作系統(tǒng)以上的計(jì)算機(jī)，都已支持并內(nèi)建 USB 1.1 外接設(shè)備（ Device ）的驅(qū)動(dòng)程序，不需另外安裝驅(qū)動(dòng)程序就可馬上使用。而 Windows XP Service Pack 1 （ SP1 ）以上的操作系統(tǒng)都支持并內(nèi)建 USB 2.0 外接設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。 將 Windows 2000 操作系統(tǒng)升級(jí)成支持 USB 2.0 ，需要 Usbport.sys、 Usbhub20.sys、 Usbehci.sys 三個(gè)文件， Windows Update 會(huì)自動(dòng)下載、安裝成功，不用怕漏了哪些文件忘記安裝。而對(duì)于舊版 的操作系統(tǒng)，如 Windows 98 、 95 與 NT 4.0 ， Microsoft 已經(jīng)不會(huì)再推出 USB 更新程序，因此確定這些操作系統(tǒng)通通不支持 USB 2.0。 （ 3）傳輸線(xiàn)對(duì) usb2.0 速度的影響： 有時(shí)候，因?yàn)橛?jì)算機(jī)主機(jī)沒(méi)有前置 USB Port ，因此須將主機(jī)后方的 USB Port 通過(guò)傳輸線(xiàn)，接到前方來(lái)，方便使用。而有些外接設(shè)備必須使用傳輸線(xiàn)才能接到 USB Port ，例如數(shù)碼相機(jī)、打印機(jī)等，因此外接設(shè)備與主板的