USB識別及阻抗匹配

1、鍵入文檔標題2016/11/22修改記錄:修訂號作者日期簡要說明1. 概述3.1.1. USB傳送數(shù)率3.1.2. USB接口定義3.2. USB識別3.2.1. 全速和低速識別3.2.2. 高速識別4.3. USB匹配8.概述USB是英文universalserialbus通用串行總線的縮寫，是一個外部總線標準，用于規(guī)范電腦和外部設備的鏈接和通信。1.1.USB傳送數(shù)率USB版本理論最大傳輸速率速率稱號最大輸出電流USB1.01.5Mbps(192KB/s)低速(Low-Speed)5V/500mAUSB1.112Mbps(1.5MB/s)全速(Full-Speed)5V/500mAUSB2

2、.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信號使用分別標記為D+和D-的雙絞線傳輸，它們各自使用半雙工的差分信號并協(xié)同工作，以抵消長導線的電磁干擾。觸點功能（主機）功能（設備）1VBUS(4.75-5.25V)VBUS(4.4-5.25V)2D-D-3D+D+4接地接地1. USB識別我們知道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備，而USB1.X的hub不能支持高速設備（HighSpeedDevice）

3、。因此，如果高速設備掛到USB1.X的hub上，那該設備只能工作在全速模式下。不管是hub還是設備（device）,對于速度的區(qū)分是非常重要的，否則，后續(xù)的通信根本無法進行。2.1.全速和低速識別根據(jù)規(guī)范，全速（FullSpeed）和低速（LowSpeed）很好區(qū)分，因為在設備端有一個1.5k的上拉電hub根阻，當設備插入hub或上電（固定線纜的USB設備）時，有上拉電阻的那根數(shù)據(jù)線就會被拉高,據(jù)D+/D-上的電平判斷所掛載的是全速設備還是低速設備。如下兩圖:USB全速設備上電連接(Full-speedDeviceCableandResistorConnection©USB低速設備上

4、電連接HostprHubPortFull-speedorLaw-speedUSBTransceiverRpd=15KQ5%點*.5心±5%1>4?D+Low-speedUSBTransceiv&rSlowSlewRateBuff牛r*D-Low-speedFunction(Low-speedDeviceCableandResistorConnection2.2.高速識別USB全速/低速識別相當簡單，但USB2.0,USB1.X就一對數(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別USB第三種速度：高速。因此對丁高速設備的識別就顯得稍微復雜些。高速設備初始是以

5、一個全速設備的身份出現(xiàn)的，即和全速設備一樣,D+線上有一個1.5k的上拉電阻。USB2.0的hub把它當作一個全速設備之后，hub和設備通過一系列握手信號確認雙方的身份。在這里對速度的檢測是雙向的，比如高速的hub需要檢測所掛上來的設備是高速、全速還是低速，高速的設備需要檢測所連上的hub是USB2.0的還是1.x的，如果是前者，就進行一系列動作切到高速模式工作，如果是后者，就以全速模式工作。下圖展示了一個高速設備連到USB2.0hub上的情形：Hubhub檢測到有設備插入/上電時，向主機通報，主機發(fā)送Set_Port_Feature請求讓hub復位新插入的設備。設備復位操作是hub通過驅動數(shù)

6、據(jù)線到復位狀態(tài)SE0(Single-ended0,即D+和D-全為低電平)，并持續(xù)至少10ms。高速設備看到復位信號后，通過內部的電流源向D-線持續(xù)灌大小為17.78mA電流。此時高速設備的1.5k上拉電阻還未撤銷，在hub端，全速驅動器形成一個阻抗為45歐姆(Ohm)的終端電阻，所以在hub端看到一個約800mV的電壓(45歐姆*17.78mA),這就是ChirpK信號。ChirpK信號的持續(xù)時間是1ms7ms=在hub端，雖然下達了復位信號，并一直驅動著SE0,但USB2.0的高速接收器一直在檢測ChirpK信號，如果沒有ChirpK信號看到，就繼續(xù)復位操作，直到復位結束，之后就在全速模式

7、下操作。如果只是一個全速的hub,不支持高速操作，那么該hub不理會設備發(fā)送的ChirpK信號，之后設備也不會切換到高速模式。設備發(fā)送的ChirpK信號結束后100us內，hub必須開始回復一連申的KJKJKJ.序列，向設備表明這是一個USB2.0的hub。這里的KJ序列是連續(xù)的，中間不能問斷，而且每個K或J的持續(xù)時間在40us60us之間。KJ序列停止后的100500us內結束復位操作。hub發(fā)送ChirpKJ序列的方式和設備一樣，通過電流源向差分數(shù)據(jù)線交替灌17.78mA的電流實現(xiàn)。再回到設備端來。設備檢測到6個hub發(fā)出的Chirp信號后(3對KJ序列)，它必須在500us內切換到高速模

8、式。切換動作有：1. 斷開1.5k的上拉電阻。2. 連接D+/D-上的高速終端電阻(high-speedtermination),實際上就是全速/低速差分驅動器。進入默認的高速狀態(tài)執(zhí)行1,2兩步后，USB信號線上看到的現(xiàn)象就發(fā)生變化了：hub發(fā)送出來的ChirpKJ序列幅值降到了原先的一半，400mV。這是因為設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幅值就是400mV而不像全速/低速那樣的3V。至此，高速設備與USB2.0hub握手完畢，進行后續(xù)的480Mbps高速信號通信。最后附上

9、幾幅實際USB高速識別的示波器抓圖，圖中藍色信號是D+，黃色信號是D-。1.數(shù)據(jù)線D+在T點之前掛上1.5K電阻，在T點被host拉成EP0狀態(tài)。在近2ms后，設備發(fā)送第一個ChirpK,向host通知說：我是一個高速設備，如果可能，請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，ChirpK的持續(xù)時間是2.13ms（a,b兩點之間）。2.這幅圖顯示了host發(fā)出的chirpKJ信號的幅度，頭幾個KJ是800mv（a,b之間）,隨后的是400mV。圖中可以看到設備在收到第三個chirpJ（藍色短條）后馬上把1.5k電阻

10、取消，導致chirpJ的幅值下降到400mV。（17.78mA*（45Ohm|45Ohm）=17.78mA*22.5Ohm=400mV）3.量測了一個chirpJ的寬度：43.5usUSB匹配USB控制器的內部結構如下圖所示:+3%RpuEnnhlf?RpuDjIj*HS_Dff-it-mialRrceivt-TOLrtfkitriiHa-Squelch+nwNiniMdvfi&抽口試。攻LS/FS_DiffercinfialLRoceivcT_OuTpijtV2：F&EE?如HDjdld凡HSDisconnect(>ftCfiTtr¥iiEn¥t1f

11、tp«5OftrtSrwVSr_Daia+_R&:erver_OLrtput<0.-F_l).：i.：_-：i.*：>：_!：)i.lp-u-Sinald=rcedcapersHS&Currenf_Soijroe_EnabiaHSjDnveEnaiblieHS_Data_Dfiwer_lnp<jtNetsTheRpupwlT_prwel-ST,ancm*eiirwfflrFKedtoenwieariadla>虬wfrw村皿h*IhJjpf4ra4mnzinqzrancarvers-FSEtlycMtxieScdkIS,FS_DnvRr_(=Hj

12、fpiri_FnnhleHighCutctiE>rn,ei1DauInputAiwflSE.0LSTSL>atiDnverInpcrlAssertSinqlrRrntd7rm'*o:T<ifg*tEgggunflatcreoruimdindcnntitrcamTuningmggew由上圖可知，USB的高速模式和低速/全速使用不同的驅動器，USB使用差分特性阻抗為90ohm的線,USB全速模式下驅動器的輸出阻抗和輸入阻抗不為45ohm,信號會發(fā)生反射造成信號質量下降，需要對電路進行匹配來減小信號的反射；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全速驅動器

13、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)電阻來實現(xiàn)匹配，要實現(xiàn)驅動器和USB線的阻抗匹配必須在USBD+和D-上串聯(lián)電阻，串聯(lián)電阻的要求為Rs+R串=USB線特性阻抗；以下分別為串聯(lián)0ohm、3ohm、22ohm、33ohm、51ohm和68ohm眼圖，RTmea仰FTmean為上升和下降時間的平均值。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；01020304050607090timt,nt2.當阻抗特性阻抗時，則要通過并聯(lián)電阻來實現(xiàn)匹配，而在高速模式下，信號是通過電流源驅動的，以上匹配電阻的存在都將降低信號質量，下面分別舉串聯(lián)10ohm、22ohm和33ohm為例;1)沒有串聯(lián)電阻時的眼圖如下:隋輸線17,Udevice=17.78*45/(10+45)=440.1mV,Uhost=45/(45+10)*440.1=360.1mV;If,78mA00.2040.6O.e11.2141.8time*ns1J82傳輸線gw17-76nAU