USB識(shí)別及阻抗匹配

1、 USB識(shí)別及阻抗匹配2016/11/22修改記錄：修 訂 號(hào)作 者日 期簡(jiǎn) 要 說 明目 錄1.概述31.1.USB 傳送數(shù)率31.2.USB接口定義32.USB識(shí)別32.1.全速和低速識(shí)別32.2.高速識(shí)別43.USB匹配8版本（A / 1） 第 2 頁 共 15 頁 1. 概述USB是英文universal serial bus通用串行總線的縮寫，是一個(gè)外部總線標(biāo)準(zhǔn)，用于規(guī)范電腦和外部設(shè)備的鏈接和通信。1.1. USB 傳送數(shù)率USB版本理論最大傳輸速率速率稱號(hào)最大輸出電流USB1.01.5Mbps(192KB/s)低速(Low-Speed)5V/500mAUSB1.112Mbps(1.

2、5MB/s)全速(Full-Speed)5V/500mAUSB2.0480Mbps(60MB/s)高速(High-Speed)5V/500mAUSB3.05Gbps(500MB/s)超高速(Super-Speed)5V/900mA1.2. USB接口定義USB信號(hào)使用分別標(biāo)記為D+和D-的雙絞線傳輸，它們各自使用半雙工的差分信號(hào)并協(xié)同工作，以抵消長(zhǎng)導(dǎo)線的電磁干擾。觸點(diǎn)功能（主機(jī)）功能（設(shè)備）1VBUS (4.755.25 V)VBUS (4.45.25 V)2D-D-3D+D+4接地接地2. USB識(shí)別我們知道USB2.0向下兼容USB1.x，即高速2.0的hub能支持所有的速度類型的設(shè)備，而

3、USB1.x的hub不能支持高速設(shè)備（High Speed Device）。因此，如果高速設(shè)備掛到USB1.x的hub上，那該設(shè)備只能工作在全速模式下。不管是hub還是設(shè)備（device），對(duì)于速度的區(qū)分是非常重要的，否則，后續(xù)的通信根本無法進(jìn)行。2.1. 全速和低速識(shí)別根據(jù)規(guī)范，全速（Full Speed）和低速（Low Speed）很好區(qū)分，因?yàn)樵谠O(shè)備端有一個(gè)1.5k的上拉電阻，當(dāng)設(shè)備插入hub或上電（固定線纜的USB設(shè)備）時(shí)，有上拉電阻的那根數(shù)據(jù)線就會(huì)被拉高，hub根據(jù)D+/D-上的電平判斷所掛載的是全速設(shè)備還是低速設(shè)備。如下兩圖：USB全速設(shè)備上電連接（Full-speed Devic

4、e Cable and Resistor Connections）USB低速設(shè)備上電連接（Low-speed Device Cable and Resistor Connections）2.2. 高速識(shí)別 USB全速/低速識(shí)別相當(dāng)簡(jiǎn)單，但USB2.0，USB1.x就一對(duì)數(shù)據(jù)線，不能像全速/低速那樣僅依靠數(shù)據(jù)線上拉電阻位置就能識(shí)別USB第三種速度：高速。因此對(duì)于高速設(shè)備的識(shí)別就顯得稍微復(fù)雜些。 高速設(shè)備初始是以一個(gè)全速設(shè)備的身份出現(xiàn)的，即和全速設(shè)備一樣，D+線上有一個(gè)1.5k的上拉電阻。USB2.0的hub把它當(dāng)作一個(gè)全速設(shè)備之后，hub和設(shè)備通過一系列握手信號(hào)確認(rèn)雙方的身份。在這里對(duì)速度的檢測(cè)

5、是雙向的，比如高速的hub需要檢測(cè)所掛上來的設(shè)備是高速、全速還是低速，高速的設(shè)備需要檢測(cè)所連上的hub是USB2.0的還是1.x的，如果是前者，就進(jìn)行一系列動(dòng)作切到高速模式工作，如果是后者，就以全速模式工作。下圖展示了一個(gè)高速設(shè)備連到USB2.0 hub上的情形：hub檢測(cè)到有設(shè)備插入/上電時(shí)，向主機(jī)通報(bào)，主機(jī)發(fā)送Set_Port_Feature請(qǐng)求讓hub復(fù)位新插入的設(shè)備。設(shè)備復(fù)位操作是hub通過驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)線到復(fù)位狀態(tài)SE0(Single-ended 0，即D+和D-全為低電平)，并持續(xù)至少10ms。高速設(shè)備看到復(fù)位信號(hào)后，通過內(nèi)部的電流源向D-線持續(xù)灌大小為17.78mA電流。此時(shí)高速設(shè)備的

6、1.5k上拉電阻還未撤銷，在hub端，全速驅(qū)動(dòng)器形成一個(gè)阻抗為45歐姆(Ohm)的終端電阻，所以在hub端看到一個(gè)約800mV的電壓（45歐姆*17.78mA），這就是Chirp K信號(hào)。Chirp K信號(hào)的持續(xù)時(shí)間是1ms7ms。在hub端，雖然下達(dá)了復(fù)位信號(hào)，并一直驅(qū)動(dòng)著SE0，但USB2.0的高速接收器一直在檢測(cè)Chirp K信號(hào)，如果沒有Chirp K信號(hào)看到，就繼續(xù)復(fù)位操作,直到復(fù)位結(jié)束，之后就在全速模式下操作。如果只是一個(gè)全速的hub，不支持高速操作，那么該hub不理會(huì)設(shè)備發(fā)送的Chirp K信號(hào)，之后設(shè)備也不會(huì)切換到高速模式。設(shè)備發(fā)送的Chirp K信號(hào)結(jié)束后100us內(nèi)，hub

7、必須開始回復(fù)一連串的KJKJKJ.序列，向設(shè)備表明這是一個(gè)USB2.0的hub。這里的KJ序列是連續(xù)的，中間不能間斷，而且每個(gè)K或J的持續(xù)時(shí)間在40us60us之間。KJ序列停止后的100500us內(nèi)結(jié)束復(fù)位操作。hub發(fā)送Chirp KJ序列的方式和設(shè)備一樣，通過電流源向差分?jǐn)?shù)據(jù)線交替灌17.78mA的電流實(shí)現(xiàn)。再回到設(shè)備端來。設(shè)備檢測(cè)到6個(gè)hub發(fā)出的Chirp 信號(hào)后（3對(duì)KJ序列），它必須在500us內(nèi)切換到高速模式。切換動(dòng)作有：1. 斷開1.5k的上拉電阻。2. 連接D+/D-上的高速終端電阻（high-speed termination），實(shí)際上就是全速/低速差分驅(qū)動(dòng)器。3. 進(jìn)入

8、默認(rèn)的高速狀態(tài)。執(zhí)行1，2兩步后，USB信號(hào)線上看到的現(xiàn)象就發(fā)生變化了：hub發(fā)送出來的Chirp KJ序列幅值降到了原先的一半，400mV。這是因?yàn)樵O(shè)備端掛載新的終端電阻后，配上原先hub端的終端電阻，并聯(lián)后的阻抗是22.5歐姆。400mV就是由17.78mA*22.5Ohm得來。以后高速操作的信號(hào)幅值就是400mV而不像全速/低速那樣的3V。至此，高速設(shè)備與USB2.0 hub握手完畢，進(jìn)行后續(xù)的480Mbps高速信號(hào)通信。最后附上幾幅實(shí)際USB高速識(shí)別的示波器抓圖，圖中藍(lán)色信號(hào)是D+,黃色信號(hào)是D-。1.數(shù)據(jù)線D+在T點(diǎn)之前掛上1.5K電阻，在T點(diǎn)被host拉成EP0狀態(tài)。在近2ms后，

9、設(shè)備發(fā)送第一個(gè)Chirp K，向host通知說：我是一個(gè)高速設(shè)備，如果可能，請(qǐng)用高速方式與我通信。其幅度是800mV（17.78mA * (45Ohm | 1.5kOhm) = 800mV，見上文解釋）。在這里，Chirp K的持續(xù)時(shí)間是2.13ms（a，b兩點(diǎn)之間）。 2.這幅圖顯示了host發(fā)出的chirp KJ信號(hào)的幅度，頭幾個(gè)KJ是800mv（a，b之間），隨后的是400mV。圖中可以看到設(shè)備在收到第三個(gè)chirp J（藍(lán)色短條）后馬上把1.5k電阻取消，導(dǎo)致chirp J的幅值下降到400mV。(17.78mA * (45Ohm | 45Ohm) = 17.78mA * 22.5Oh

10、m = 400mV) 3.量測(cè)了一個(gè)chirp J的寬度：43.5us。3. USB匹配USB控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示： 由上圖可知，USB的高速模式和低速/全速使用不同的驅(qū)動(dòng)器，USB使用差分特性阻抗為90ohm的線，USB全速模式下驅(qū)動(dòng)器的輸出阻抗和輸入阻抗不為45ohm，信號(hào)會(huì)發(fā)生反射造成信號(hào)質(zhì)量下降，需要對(duì)電路進(jìn)行匹配來減小信號(hào)的反射；常用的匹配方式有：串聯(lián)匹配、并聯(lián)匹配、戴維南匹配等。USB全速驅(qū)動(dòng)器的輸出阻抗一般比較小，1. 若輸出阻抗<特性阻抗，則可以通過串聯(lián)電阻來實(shí)現(xiàn)匹配，要實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器和USB線的阻抗匹配必須在USB D+和D-上串聯(lián)電阻，串聯(lián)電阻的要求為Rs+R串=U

11、SB線特性阻抗；以下分別為串聯(lián)0ohm、3ohm、22ohm、33ohm、51ohm和68ohm眼圖，RTmean和FTmean為上升和下降時(shí)間的平均值。1) R串 = 3ohm，RTmean = 3.30ns；FTmean = 2.80ns；2) R串 = 22ohm，RTmean = 3.71ns；FTmean = 3.12ns；3) R串 = 33ohm，RTmean = 4.36ns；FTmean = 3.61ns；4) R串 = 51ohm，RTmean = 4.88ns；FTmean = 4.50ns；5) R串 = 68ohm，RTmean = 6.85ns；FTmean = 7.16ns；2. 當(dāng)阻抗>特性阻抗時(shí)，則要通過并聯(lián)電阻來實(shí)現(xiàn)匹配，而在高速模式下，信號(hào)是通過電流源驅(qū)動(dòng)的，以上匹配電阻的存在都將降低信號(hào)質(zhì)量，下面分別舉串聯(lián)10ohm、22ohm和33ohm為例；1) 沒有串聯(lián)電阻時(shí)的眼圖如下：2) R串 = 10ohmUdevice = 17.78*45/(10+45) = 440.1mV，Uhost = 45/(45+10)*440.1 = 360.1mV；3) R串 = 22ohmUdevice = 17.78*45/