USB识别与阻抗匹配.docx

1、USB识别与阻抗匹配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 31.1.USB传送数率 312 USB接 口定义 32.USB识别 32.1.全速和低速识别 32.2.高速识别 43.USB 匹配 81.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岀电流USB1.01.5Mbps(192KB/s)低速(Low-Speed)5V/ 500mAUSB1.112Mbps(1.5MB/s)全速(Full-Spe

2、ed)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 (4.75 - 5.25 V)VBUS (4.4 - 5.25 V)2D-D-3D+D+4接地接地2.USB识另I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hu

3、b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 hub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 Devic

4、e Cable and Resistor ConnectionsUSB氐速设备上电连接(Low-speed Device Cable and Resistor Conn ecti ons )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

5、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：l-lubEnd of Resethub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

6、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）， 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

7、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-spe

8、ed term in ation ），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ChirpKJ序列幅值降到了原先的一半，400mV这是因为设备端挂载新的终端电阻后，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*22.5OhmW 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-

9、。 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 | 1.5kOhm） = 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

10、的幅值下降到 400mV （17.78mA * （45Ohm| 45Ohm）= 17.78mA* 22.5Ohm =400mV)PreVL*+ Ifn3.4 7ms0 8fl0mV- o4. i sms0.00 VA681M5AECOmV1HnII |it 、:RI hji:hV:4-, 1.-4二 一 JL . = . ”TT9 w9 :hmhd mfO m! ao v22 5OGS/SO、fJI *3 89285ms5M points1J2 V ,L 3.量测了一个chirp J 的宽度：43.5us3.USB匹配USB控制器的内部结构如下图所示:LS/FS_Dala_Driver_l n

11、put Asse rt_Si ng le_Erded_Zero FS_ E dge Mode Sel L S/FS_Driver_OutpLif_Enable H S_Differentul_RecE jver_O jtput HS EXITe erkblE andl dsabJe- il. are only required in upstreami laeing Er&naiwersH S_C jrrent_SodrcE_E nableHS_Dnve_E nabl e HS_Data_D riverlnputWvRbData*Data-SE Data +_ Rece iver_O ut p

12、ut 嚙SE Data- Receiver Output *KxWw: The Rpd resold to grgm日 ffre gmiy incqiimd in dfewrertnwm fgcirg ifrwiSDCiwcrsRpd由上图可知，USB勺高速模式和低速/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速驱动器的输出阻抗一般比较小，1.若输出阻抗 3ohm、22ohm、33ohm、

13、51ohm和68ohmi艮图，RTnear和FTmear为上升和下降时间的平均值。12) R串 = 22ohm , RTmean = 3.71 ns ; FTmean = 3.12ns ;0 10 30 30 *40 50 00 TO EO1im. nf应Itime, ns4) R串 = 51ohm , RTmean = 4.88ns ; FTmean = 4.50ns ;103050I0 52.当阻抗 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

14、的眼图如下：UP0oe o.e 1 uiimt. nrA-J-E亡9上 Etw 豐雷 p2) R串 = 10ohmZ/uiesce 丄 7.78*45仝 0+45) H 440mVon 口 B Ou 2 CMH 45二45+10)*440H 360mV025 3ob6.W0 0 2p垦 oa 0.0 1 严2 lb ;lime- nW3)再 H 22ohm4ffl4妄常OUH传输线17.73mA=17.78*45/(22+45) = 478.6mV , Uhost = 45/(45+22)*478.6 = 321.5mV0,50 40.3 20/10-0.1-.2-0.4-0.50 0 2 0.4 0.8 0 6 1 12 1.4 1.6 16 2timeh rts传输线5 R4) R串 = 33ohm17-76nAUdevice = 17.78*45/(33+45) = 507.4mV , Uhost = 45/(45+33)*507.4 = 292.7mV.43卫-1O.1.2.3.4IQ O o O- Q-O-Q-O051su2?.3yls 茎 P0 0 2 04 OS O.e 1 1 2 1.4 1 0 1 G凰:二亠 亠亠1、 1.5K上拉到？2、 800mV寸候的等效电路？