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USB识别及阻抗匹配二类参照.docx

1、USB识别及阻抗匹配二类参照USB识别及阻抗匹配2016/11/22修改记录:修 订 号作 者日 期简 要 说 明1. 概述USB是英文universal serial bus通用串行总线的缩写,是一个外部总线标准,用于规范电脑和外部设备的链接和通信。1.1. USB 传送数率USB版本理论最大传输速率速率称号最大输出电流USB1.01.5Mbps(192KB/s)低速(Low-Speed)5V/500mAUSB1.112Mbps(1.5MB/s)全速(Full-Speed)5V/500mAUSB2.0480Mbps(60MB/s)高速(High-Speed)5V/500mAUSB3.05Gb

2、ps(500MB/s)超高速(Super-Speed)5V/900mA1.2. USB接口定义USB信号使用分别标记为D+和D-的双绞线传输,它们各自使用半双工的差分信号并协同工作,以抵消长导线的电磁干扰。触点功能(主机)功能(设备)1VBUS (4.755.25 V)VBUS (4.45.25 V)2D-D-3D+D+4接地接地2. USB识别我们知道USB2.0向下兼容USB1.x,即高速2.0的hub能支持所有的速度类型的设备,而USB1.x的hub不能支持高速设备(High Speed Device)。因此,如果高速设备挂到USB1.x的hub上,那该设备只能工作在全速模式下。不管是h

3、ub还是设备(device),对于速度的区分是非常重要的,否则,后续的通信根本无法进行。2.1. 全速和低速识别根据规范,全速(Full Speed)和低速(Low Speed)很好区分,因为在设备端有一个1.5k的上拉电阻,当设备插入hub或上电(固定线缆的USB设备)时,有上拉电阻的那根数据线就会被拉高,hub根据D+/D-上的电平判断所挂载的是全速设备还是低速设备。如下两图:USB全速设备上电连接(Full-speed Device Cable and Resistor Connections)USB低速设备上电连接(Low-speed Device Cable and Resistor

4、 Connections)2.2. 高速识别 USB全速/低速识别相当简单,但USB2.0,USB1.x就一对数据线,不能像全速/低速那样仅依靠数据线上拉电阻位置就能识别USB第三种速度:高速。因此对于高速设备的识别就显得稍微复杂些。 高速设备初始是以一个全速设备的身份出现的,即和全速设备一样,D+线上有一个1.5k的上拉电阻。USB2.0的hub把它当作一个全速设备之后,hub和设备通过一系列握手信号确认双方的身份。在这里对速度的检测是双向的,比如高速的hub需要检测所挂上来的设备是高速、全速还是低速,高速的设备需要检测所连上的hub是USB2.0的还是1.x的,如果是前者,就进行一系列动作

5、切到高速模式工作,如果是后者,就以全速模式工作。下图展示了一个高速设备连到USB2.0 hub上的情形:hub检测到有设备插入/上电时,向主机通报,主机发送Set_Port_Feature请求让hub复位新插入的设备。设备复位操作是hub通过驱动数据线到复位状态SE0(Single-ended 0,即D+和D-全为低电平),并持续至少10ms。高速设备看到复位信号后,通过内部的电流源向D-线持续灌大小为17.78mA电流。此时高速设备的1.5k上拉电阻还未撤销,在hub端,全速驱动器形成一个阻抗为45欧姆(Ohm)的终端电阻,所以在hub端看到一个约800mV的电压(45欧姆*17.78mA)

6、,这就是Chirp K信号。Chirp K信号的持续时间是1ms7ms。在hub端,虽然下达了复位信号,并一直驱动着SE0,但USB2.0的高速接收器一直在检测Chirp K信号,如果没有Chirp K信号看到,就继续复位操作,直到复位结束,之后就在全速模式下操作。如果只是一个全速的hub,不支持高速操作,那么该hub不理会设备发送的Chirp K信号,之后设备也不会切换到高速模式。设备发送的Chirp K信号结束后100us内,hub必须开始回复一连串的KJKJKJ.序列,向设备表明这是一个USB2.0的hub。这里的KJ序列是连续的,中间不能间断,而且每个K或J的持续时间在40us60us

7、之间。KJ序列停止后的100500us内结束复位操作。hub发送Chirp KJ序列的方式和设备一样,通过电流源向差分数据线交替灌17.78mA的电流实现。再回到设备端来。设备检测到6个hub发出的Chirp 信号后(3对KJ序列),它必须在500us内切换到高速模式。切换动作有:1. 断开1.5k的上拉电阻。2. 连接D+/D-上的高速终端电阻(high-speed termination),实际上就是全速/低速差分驱动器。3. 进入默认的高速状态。执行1,2两步后,USB信号线上看到的现象就发生变化了:hub发送出来的Chirp KJ序列幅值降到了原先的一半,400mV。这是因为设备端挂载

8、新的终端电阻后,配上原先hub端的终端电阻,并联后的阻抗是22.5欧姆。400mV就是由17.78mA*22.5Ohm得来。以后高速操作的信号幅值就是400mV而不像全速/低速那样的3V。至此,高速设备与USB2.0 hub握手完毕,进行后续的480Mbps高速信号通信。最后附上几幅实际USB高速识别的示波器抓图,图中蓝色信号是D+,黄色信号是D-。1.数据线D+在T点之前挂上1.5K电阻,在T点被host拉成EP0状态。在近2ms后,设备发送第一个Chirp K,向host通知说:我是一个高速设备,如果可能,请用高速方式与我通信。其幅度是800mV(17.78mA * (45Ohm | 1.

9、5kOhm) = 800mV,见上文解释)。在这里,Chirp K的持续时间是2.13ms(a,b两点之间)。 2.这幅图显示了host发出的chirp KJ信号的幅度,头几个KJ是800mv(a,b之间),随后的是400mV。图中可以看到设备在收到第三个chirp J(蓝色短条)后马上把1.5k电阻取消,导致chirp J的幅值下降到400mV。(17.78mA * (45Ohm | 45Ohm) = 17.78mA * 22.5Ohm = 400mV) 3.量测了一个chirp J的宽度:43.5us。3. USB匹配USB控制器的内部结构如下图所示: 由上图可知,USB的高速模式和低速/

10、全速使用不同的驱动器,USB使用差分特性阻抗为90ohm的线,USB全速模式下驱动器的输出阻抗和输入阻抗不为45ohm,信号会发生反射造成信号质量下降,需要对电路进行匹配来减小信号的反射;常用的匹配方式有:串联匹配、并联匹配、戴维南匹配等。USB全速驱动器的输出阻抗一般比较小,1. 若输出阻抗特性阻抗时,则要通过并联电阻来实现匹配,而在高速模式下,信号是通过电流源驱动的,以上匹配电阻的存在都将降低信号质量,下面分别举串联10ohm、22ohm和33ohm为例;1) 没有串联电阻时的眼图如下: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/(22+45) = 478.6mV,Uhost = 45/(45+22)*478.6 = 321.5mV;4) R串 = 33ohmUdevice = 17.78*45/(33+45) = 507.4mV,Uhost = 45/(45+33)*507.4 = 292.7mV;1、1.5K上拉到?2、800mv时候的等效电路?

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