USB接口擴(kuò)展與差分信號(hào)仿真

精品文檔-下載后可編輯USB接口擴(kuò)展與差分信號(hào)仿真摘要：介紹了USB總線的特點(diǎn)和分層結(jié)構(gòu)，分析了TMS320F2812擴(kuò)展CY7C68013A芯片控制USB接口與上位機(jī)通信的實(shí)現(xiàn)方法，在此基礎(chǔ)上利用HyperLynx軟件對USB接口的差分?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行了仿真。

本文所闡述的內(nèi)容是依托于一個(gè)便攜式設(shè)備巡檢系統(tǒng)。系統(tǒng)的硬件是由電源管理模塊、信號(hào)處理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、以TMS320F2812為的微處理器模塊、液晶顯示模塊、接口模塊構(gòu)成，軟件主要是由巡檢管理軟件構(gòu)成。便攜式設(shè)備巡檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1USB總線的特點(diǎn)及分層結(jié)構(gòu)

USB是一個(gè)外部總線標(biāo)準(zhǔn)，用于規(guī)范電腦與外部設(shè)備的連接和通訊。USB接口支持設(shè)備的即插即用和熱插拔功能。USB接口可用于連接多達(dá)127種外設(shè)，如鼠標(biāo)、調(diào)制解調(diào)器和鍵盤等。USB是在1994年底由英特爾、康柏、IBM、Microsoft等多家公司聯(lián)合提出的，自1996年推出后，已成功替代串口和并口，并成為當(dāng)今個(gè)人電腦和大量智能設(shè)備的必配的接口之一。

1.1USB接口的特點(diǎn)

以前的外部設(shè)備是通過RS232、RS485、并行接口、PCI接口和PS/2接口等老式專用接口來實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的通信。與老式計(jì)算機(jī)接口相比，USB接口具有以下優(yōu)點(diǎn)[1]：

1、可以熱插拔。這就讓用戶在使用外接設(shè)備時(shí)，不需要重復(fù)“關(guān)機(jī)將并口或串口電纜接上再開機(jī)”這樣的動(dòng)作，而是直接在電腦工作時(shí)，就可以將USB電纜插上使用。

2、攜帶方便。USB設(shè)備大多以“小、輕、薄”見長，對用戶來說，同樣20G的硬盤，USB硬盤比IDE硬盤要輕一半的重量，在想要隨身攜帶大量數(shù)據(jù)時(shí)，當(dāng)然USB硬盤會(huì)是首要之選了。

3、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一。大家常見的是IDE接口的硬盤，串口的鼠標(biāo)鍵盤，并口的打印機(jī)掃描儀，可是有了USB之后，這些應(yīng)用外設(shè)統(tǒng)統(tǒng)可以用同樣的標(biāo)準(zhǔn)與個(gè)人電腦連接，這時(shí)就有了USB硬盤、USB鼠標(biāo)、USB打印機(jī)等等。

4、可以連接多個(gè)設(shè)備。USB在個(gè)人電腦上往往具有多個(gè)接口，可以同時(shí)連接幾個(gè)設(shè)備，如果接上一個(gè)有四個(gè)端口的USBHUB時(shí)，就可以再連上；四個(gè)USB設(shè)備，以此類推，盡可以連下去，將你家的設(shè)備都同時(shí)連在一臺(tái)個(gè)人電腦上而不會(huì)有任何問題（注：可連接至127個(gè)設(shè)備）。

1.2USB系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)

（1）功能層：主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸操作，功能層由USB設(shè)備的功能單元和對應(yīng)的USB主機(jī)程序組成。特定的USB主機(jī)程序段用于與特定的USB設(shè)備功能單元的通信。

（2）USB設(shè)備層：主要用于管理USB設(shè)備、分配USB地址、讀取設(shè)備描述符。在這一層中，可以使USB主機(jī)獲得該USB設(shè)備的能力。這部分功能一方面需要USB主機(jī)自動(dòng)完成，另一方面也需要用戶編寫相應(yīng)的固件程序進(jìn)行支持。

（3）USB總線接口層：主要用于實(shí)現(xiàn)USB主機(jī)和USB設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。在USB協(xié)議中，USB總線接口使用NRZI編碼（反向非歸零編碼）來傳輸數(shù)據(jù)，USB主控制器和USB集線器將數(shù)據(jù)接收或發(fā)送，并自動(dòng)進(jìn)行解碼或編碼，這部分一般由USB系統(tǒng)硬件自動(dòng)完成。

1.2接口布置

USB是一種常用的pc接口，他只有4根線，兩根電源兩根信號(hào)，故信號(hào)是串行傳輸?shù)?，usb接口也稱為串行口，usb2.0的速度可以達(dá)到480Mbps。可以滿足各種工業(yè)和民用需要。USB接口的輸出電壓和電流是：+5V500mA實(shí)際上有誤差，不能超過+/-0.2V也就是4.8-5.2V。usb接口的4根線一般是下面這樣分配的，需要注意的是千萬不要把正負(fù)極弄反了，否則會(huì)燒掉usb設(shè)備或者電腦的南橋芯片：黑線：gnd紅線：vcc綠線：data+白線：data-

2TMS320F2812外部USB接口擴(kuò)展

Cypress公司的EZ-USBFX2系列芯片是世界上款繼承了USB2.0協(xié)議的微處理器，典型的就是CY7C68013，其強(qiáng)大功能包括USB接口以及與8051兼容的指令系統(tǒng)，但是其功耗比較大，高達(dá)936mW。因此，Cypress公司隨后又推出了低功耗版本EZ-USBFX2LP系列芯片，其中用的比較多的是CY7C68013A芯片，本文就選用CY7C68013A作為USB接口的控制芯片。

2.1CY7C68013A結(jié)構(gòu)簡介

CY7C68013A芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括USB2.0收發(fā)器、串行引擎（SIE）、增強(qiáng)型8051內(nèi)核、16KB的RAM、

4KB的FIFO存儲(chǔ)器、I/O接口、數(shù)據(jù)總線、地址總線和通用可編程接口（GPIF）[2]。

CY7C68013A的CPU采用增強(qiáng)型8051內(nèi)核，指令集與標(biāo)準(zhǔn)的8051完全兼容。CY7C68013A的一個(gè)指令周期包含4個(gè)時(shí)鐘周期，而對于標(biāo)準(zhǔn)的8051而言，一個(gè)指令周期則需要12個(gè)時(shí)鐘周期來完成。除了CPU處理速度上的差異外，還進(jìn)行了如下改進(jìn)：

（1）具有第二個(gè)數(shù)據(jù)指針；

（2）具有第二個(gè)USART；

（3）具有第三個(gè)16位定時(shí)器（T2）；

（4）具有非復(fù)用的高速16位外部存儲(chǔ)器接口；

（5）8個(gè)額外的中斷（INT2-6、WAKEUP、T2和USART1）；

（6）FIFO/GPIF數(shù)據(jù)傳輸模式；

（7）具有3個(gè)喚醒源的休眠模式；

（8）I2C總線接口；

（9）多5個(gè)8位并行I/O端口。

2.2TMS320F2812擴(kuò)展CY7C68013A控制USB接口

由于TMS320F2812內(nèi)部沒有集成USB控制器，所以要實(shí)現(xiàn)TMS320F2812通過USB接口與上位機(jī)進(jìn)行通信，就需要外擴(kuò)一個(gè)USB控制器，本文選用CY7C68013A作為USB控制器。基于CY7C68013A主要用于控制USB接口通信，并不對其他設(shè)備進(jìn)行操作，設(shè)計(jì)中選用了Cypress公司提供的簡化版本的56引腳CY7C68013A，包含PA、PB、PD共3個(gè)8bit并行I/O口。其中PB、PD組成16bit數(shù)據(jù)總線，連接到TMS320F2812的GPIO口，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸；PA復(fù)用為USB通信的地址、時(shí)序控制和狀態(tài)信號(hào)[3]。CY7C68013A提供了兩種接口模式：slaveFIFO和GPIF。設(shè)計(jì)中選用了slaveFIFO接口模式，以便于TMS320F2812可以像普通FIFO一樣對CY7C68013A中的端點(diǎn)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)進(jìn)行讀寫。TMS320F2812擴(kuò)展CY7C68013A與USB接口電路原理圖如圖2所示。

3USB接口差分?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)的仿真

便攜式巡檢系統(tǒng)通過USB接口與上位機(jī)進(jìn)行通信。對于USB接口的數(shù)據(jù)線采用差分布線的方式，以保證信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量，抑制干擾。通常認(rèn)為信號(hào)在傳輸時(shí)采用3種方式：單點(diǎn)對單點(diǎn)、差分模式和共模模式。相比于單點(diǎn)對單點(diǎn)模式，差分信號(hào)有著明顯的不足，就是它需要兩根走線，如果PCB上信號(hào)都采用差分布線的方式，可以想象電路設(shè)計(jì)者會(huì)陷入絕境。但是差分信號(hào)又有著其不可替代的優(yōu)點(diǎn)[3]：

（1）差分信號(hào)在低電平應(yīng)用時(shí)非常有效。因?yàn)槿绻粋€(gè)信號(hào)的電平非常低，那么這個(gè)信號(hào)就比較容易受到其他信號(hào)的干擾，而差分信號(hào)使這個(gè)信號(hào)的電平加倍。

（2）由于差分信號(hào)是電平相同而且反向的兩根信號(hào)，不需要參考平面作為信號(hào)回路，這樣就不需要地平面或電源平面的連續(xù)性和完整性。

（3）如果兩根信號(hào)都存在噪聲干擾，就可以通過相減來抵消噪聲，因此差分信號(hào)對信號(hào)干擾有著天然的免疫力。

（4）相對于單點(diǎn)信號(hào)，差分信號(hào)的開關(guān)時(shí)序會(huì)比較，因?yàn)閱吸c(diǎn)信號(hào)受到噪聲干擾后時(shí)序或占空比通常會(huì)發(fā)生變化。

對于差分布線，如果兩根信號(hào)線的長度不相等，在接收端收到信號(hào)的相位會(huì)發(fā)生變化，因此進(jìn)行差分布線時(shí)，要將差分信號(hào)對約束為等長布線。對于USB的差分信號(hào)仿真圖如圖3所示。

由圖3可以觀察到，沒有接電阻端的差分信號(hào)存在較強(qiáng)的過沖和振鈴現(xiàn)象，容易引起時(shí)鐘或數(shù)據(jù)的誤判。針對這種現(xiàn)象，通過HyperLynx計(jì)算出差分阻抗為159Ω，而實(shí)際中只能選用與159Ω相近的160Ω電阻代替。通過在差分信號(hào)接收端端接160Ω電阻來優(yōu)化差分布線，改善了差分信號(hào)存在的過沖和振鈴現(xiàn)象，保證了設(shè)備巡檢系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。經(jīng)過優(yōu)化，端接了160Ω電阻的差分信號(hào)仿真圖如圖4所示。

由圖4可以觀察到，經(jīng)過端接160Ω電阻優(yōu)化后，差分信號(hào)線的過沖和振鈴現(xiàn)象得到了很好的抑制。