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接口/总线/驱动
文章主要包含以下六个部分:概述、协议、电路设计、PCB Layout、USB问题问答(设备插入与识别)、USB接口EMC注意事项(接地设计、连接器设计、线缆设计、电缆设计、走线设计、USB OTG)。
概述
协议
电路设计
PCB layout
USB问题问答
一、问:当一个USB设备插入PC机,PC机怎么知道有设备插入?
答:如图1-1和图1-2所示,USB接口只有4条线: VCC(5V),GND,D-,D+。PC机的USB插孔的D-和D+数据线均连接15K欧姆的下拉电阻。而USB设备端的D-或D+数据线连接1.5K欧姆的上拉电阻。当设备插入PC机的时候,会将PC机的D-或D+端的电压拉高,当PC机在D-或D+端检测到高电平时,就知道有设备插入了。
如果是PC机D-端被拉高,接入的则是USB低速设备;
如果是PC机D+端被拉高,接入的则是USB全速或高速设备,具体是全速设备还是高速设备,会由PC机和USB设备发包握手确定。
图1-1 USB低速设备硬件接线图
图1-2 USB全速(高速)设备硬件接线图
二、问:当USB设备插入后,PC机会提醒我们“某某设备接入”,PC机怎么知道我们插入的设备的信息的呢?
答:如图2-1所示,当PC机检测到有USB设备插入后,会主动向设备发送命令包,要求设备告诉PC机,设备信息。这时设备必须向PC机回复自己的信息(以描述符形式)。明确一点:USB设备不会主动给PC机发数据,只能被动的等待PC机来拿。
图2-1 USB设备获取设备信息过程
三、问:PC机上接有非常多的USB设备,怎么分辨它们?
答:每一个USB设备接入PC时,USB总线驱动程序都会给它分配一个编号,接在USB总线上的每一个USB设备都有自己的编号(地址)。PC机想访问某个USB设备时,发出的命令都含有对应的编号(地址)。
四、问:USB设备刚接入PC时,还没有编号,那么PC怎么把"分配的编号"告诉它?
答:新接入的USB设备的默认编号是0,在未分配新编号前,PC使用0编号和它通信。
USB接口EMC注意事项
一、接地设计
如果设备为金属外壳,同时单板可以独立的划分出接口地,那么金属外壳与接口地直接电气连接,且单板地与接口地通过 1000pF 电容相连;
如果设备为非金属外壳,那么接口地 PGND与单板地 GND 直接电气连接。
二、连接器设计
1、USB AF连接器 USB信号排序设计9
2、连接器 USB与机体的搭接方式:
( 1) 面板开孔时采用精密的铣削加工技术,使孔眼的形状更适合连接器的放置,避免孔眼切削不精确的地方出现缝隙, 进而降低电磁干扰辐射;经过测试证明, 精确的铣削开孔加工可以提高 12~18%的电磁兼容性;
( 2) 机体与 USB 金属连接器之间的接合处要增加金属弹片,使两者接合时能够保持良好的导电性能。具体搭接方式如上图所示。
三、线缆设计
1、线缆设计要求:
USB2.0 AF连接器 普通型
:
2、屏蔽层与金属连接器的搭接:
( 1) 屏蔽电缆的屏蔽层要求与金属连接器进行 360°的搭接;搭接方式如上图:
( 2) 屏蔽电缆屏蔽层要避免出现单独的“尾巴”现象。
四、电缆设计
( 1) USB-2.0信号电缆采用网状编织屏蔽层的屏蔽方式,且网状编织层编织密度要求不小于 90%;差分线组采用铝箔屏蔽;
( 2) 内部组线时,差分电缆采用双绞传输,双绞绞距一般为最小绞距的 2 倍, (最小绞距 = D为电缆的外径) ;组线方式如上图所示:
( 3) 电缆两端需要增加磁环处理,磁环内径与电缆的外径要紧密结合,尽量选择厚长型的磁环。
图 4 USB-2.0信号电缆
五、走线设计
( 1) USB-2.0信号电缆走线时要求远离其他强干扰源,如电源模块;
( 2) 电缆走线最好单独走线或与其他模拟以及功率线缆保持 10cm 以上距离, 切不可与其他线缆一起混合捆扎。
六、USB OTG
USB OTG即USB On-The-Go的缩写,他目的是实现在没有Host的情况下,实现设备间的数据传送。例如数码相机直接连接到打印机上,通过OTG技术,连接两台设备间的USB口,将拍出的相片立即打印出来;手机读写U盘。
6.1 OTG 检测的原理
USB OTG标准在完全兼容USB2.0标准的基础上,增添了电源管理(节省功耗)功能,它允许设备既可作为主机,也可作为外设操作(两用OTG)。USB OTG技术可实现没有主机时设备与设备之间的数据传输。
USB OTG接口中有5条线:
2条用来传送数据(D+ 、D-);
1条是电源线(VBUS);
1条则是接地线(GND);
1条是ID线。ID线—以用于识别不同的电缆端点,mini-A插头(即A外设)中的ID引脚接地,mini-B插头(即B外设)中的ID引脚浮空。当OTG设备检测到接地的ID引脚时,表示默认的是A设备(主机),而检测到ID引脚浮空的设备则认为是B设备(外设)。
举个例子:
当我们手机使用OTG线接U盘时,一般手机OTG线,手机端是mini头,里面的ID被接到了GND,另一端是正常USB的母座,只有4pin,没有ID脚,相当于悬空。手机就是设备A,因为ID脚被连到了GND,所以手机端的USB OTG控制器读取到ID的状态为低,因此手机就作为主设备。而U盘端ID悬空,故被当做从设备B。
总结:
当设备检测到USB_ID信号为低时,该设备应作为Host(主机,也称A设备)用。
当设备检测到USB_ID信号为高时,该设备作为Slave(外设,也称B设备)用。
实际的USB连接线中,是没有USB_ID这根线的。都是在接口部分直接拉死的。
对于Host端,只需将连接线的USB_ID pin和地短接即可,
对于Slave端,USB连接线的USB_ID pin是悬空的。(设备内部上拉)。
OTG有两种设备类型:两用OTG设备(Dualrole device)和外设式OTG设备(Peripheralonly OTG device) 。
两用OTG设备要提供有限的主机能力和一个MiniAB插座、支持主机流通协议(Host Negotiatio n Protocol, HNP),并和外设式OTG设备一样支持事务请求协议(Session Request Protocol, SRP)。当作为主机工作时,两用OTG设备可在总线上提供8mA的电流,而以往标准主机则需要 提供100~500 mA的电流。
6.2 OTG功能的构建
下图所示电路给出了构建OTG功能时需要在基础USB外设上添加的电路,电路中的通用串行总线控制器可以是一个微处理器和USB SIE(串口引擎),也可以是集成的μP/USB芯片或与USB收发器相连的ASIC。
为总线提供电源的外部设备需要一路3.3V稳压输出供电电压,以便为逻辑电路和连接在D+、D-引脚的1500Ω电阻提供电源。
通过D+、D-引脚上的上拉电阻可向主机发出设备已连接的信号,并指示设备的工作速度。
电阻上拉至D+表示全速运行,电阻上拉至D-表示低速运行。
其它端点(包括D+和D-的15kΩ下拉电阻)用于检测上拉电阻的状态。
由于USB设计需要提供热插拔功能。因此,其ESD保护电路主要用于为D+、D-和VBUS引脚提供保护。
为了增加OTG的两用功能,必须扩充收发器功能来使OTG设备既可作为主机使用,也可以作为外设使用。而要实现上述功能,就需要在下图所示电路中添加D+和D-端的15kΩ下拉电阻并为VBUS提供供电电源。此外,收发器还需要具备以下三个条件:
(1)可切换D+/D-线上的上拉和下拉电阻,以提供外设和主机功能。
(2)作为A设备时,需要具有VBUS监视和供电电路;作为B设备初始化SRP时,需要监视和触发VBUS。
(3)具有ID输入引脚。
作为两用OTG设备,ASIC、DSP或其它与收发器连接的电路必须具备充当外设和主机的功能,并应按照HNP协议转换其角色。
收发器所需添加的大多数电路用于VBUS引脚的管理。作为主机,它必须能够提供5V、输出电流可达8mA的电源。图中的模拟开关用于配置收发器的各种功能。
ASIC和控制器还必须包含USB主机逻辑控制功能,包括发送SOF(帧启动)包、发送配置u36755输入u36755输出数据包,在USB 1ms帧内确定传输进程、发送USB复位信号、提供USB电源管理等。
6.3 Maxim USB OTG 设计方案
MAX3301E是Maxim公司研制的一款USB OTG收发器,该器件集成有电荷泵,可将PDA、蜂窝电话和数码相机等移动设备与USB外设直接连接而无需PC机的参与。
采用MAX3301E和一个嵌入式USB主机,就可直接将诸如打印机或外部硬盘驱动器这样的外设连接。
MAX3301E内部包括USB OTG收发器、UBUS电荷泵、线性稳压器和I2C 2线串行接口。
内部电平转换器使MAX3301E能够与采用+1.65至+3.6V逻辑电源电压的器件连接。
MAX3301E中的电荷泵工作在+3V至+4.5V输入电源下,可产生符合OTG要求的VBUS输出,且输出电流大于8mA。该器件可利用内部比较器控制并测量VBUS,同时支持USB OTG SRP和HNP,其典型应用电路下图所示。
编辑:黄飞
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