高速主機適配卡管理論文

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摘要：介紹一種新型的USB2．0高速主機適配卡的設計。通過主機PCI總線接口，利用USB2．0主控制器，針對USB2．0高速數據傳輸帶來的EMI／ESD問題，進行了全面的考慮和設計。USB2．0高速主機適配卡性能完善、功能齊全，并已經通過EMC國際認證。

關鍵詞：USB2.0主機適配卡PCIEMC

USB接口可提供雙向、實時的數據傳輸，具有即插即用、性能可靠、價格低廉等優點，目前已成為計算機和通信電子產品連接外圍設備的首選接口。由于高速USB集線器、高速USB功能部件的不斷涌現，如數字圖像器、掃描儀、視頻會議攝像機、大容量數字存儲設備等新型USB設備，在計算機和這些復雜的USB外設之間需要建立一個高速、高性能的數據傳輸。USB2．0正是為了滿足這種需求提出的，它的傳輸速率為480Mbps。高速USB2．0與全速USB1．1和低速USB1．0完全兼容。雖然新式的計算機至少提供兩個USB端口，但多數都只能用于USB1．1和USB1．0的數據傳輸，不能支持USB2．0的數據傳輸。USB2．0高速主機適配卡，可直接插入計算機的擴充槽內，利用PCI總線接口、可支持USB的操作系統，實現USB2．0的高速數據傳輸。

USB界面通過USB主控制器與計算機主機系統相連接。USB主控制器不但提供與主機的PCI總線接口，同時也包含根集線器。根集線器可提供一個或多個連接點用于USB設備的連接，從而使主機操作系統與USB設備之間可以彼此通信。USB2．0主控制器是設計USB2．0高速主機適配卡的主要芯片。目前世界上許多大公司如NEC、PHILIPS、VIA等都相繼推出USB2．0主控制器。本文采用NEC公司生產的USB2．0主控制器uPD720100，設計出新型USB2．0高速主機適配卡，測量結果良好，滿足USB2．0的設計規范，達到USB2．0設計要求，并已經通過EMC國際認證。

1USB2．0高速主機適配卡的設計

1．1USB2．0主機系統與USB設備之間的工作流程

USB主機系統可分成客戶、USB系統、USB主控制器三層。USB設備也可分成功能部件、USB邏輯設備、USB總線接口三層，如圖1所示。

USB主控制器實際上是主機系統方面的USB總線接口，它主要處理電氣層和協議層之間的相互作用。USB系統包括主控制器驅動程序、USB驅動程序、主機軟件三部分，利用主控制器管理主機和USB設備之間的數據傳輸?？蛻糌撠煿芾砼cUSB設備直接作用的全部軟件?？傊麄€USB主機系統可以提供以下功能：檢測USB設備的連接和斷開、管理主機與USB設備之間的標準控制流和數據流、收集狀態和事務的統計信息、控制主控制器與USB設備之間的電氣接口，如數據線有限功率的供給等。

圖1也表示出USB主機系統與USB設備之間存在功能層、USB設備層、USB總線接口層三個邏輯層。USB總線接口層代表USB主控制器與USB總線接口之間的傳輸關系，在主機與設備之間提供物理、信號、信息包的連接；USB設備層代表USB系統軟件和USB邏輯設備之間的傳輸關系，USB系統軟件可以執行許多關鍵的和一般的功能，用于給定設備的傳輸特性；功能層代表客戶軟件與功能部件之間的關系，通過相應的匹配客戶軟件提供給主機額外的功能。雖然在USB設備層和功能層內都有各自的邏輯通信，但是實際的數據傳輸必須通過USB總線接口層完成。USB總線接口層提供USB數據的底層傳輸，即USB數據的傳輸最終還是發生在USB數據線上。

1．2USB2．0高速主機適配卡的設計框圖

圖2為利用NEC公司的USB2．0主控制器uPD720100所設計的基本電路框圖。可以看出，USB2．0主控制器是一個核心芯片，可提供32－bits33MHzPCI總線接口，用于與主機PCI總線接口的連接。它還包含兩個開放主控制器OHCI＃1、OHCI＃2和一個增強主控制器EHCI，支持5個用于連接外圍設備的下游端口。OHCI＃1主控制器用于處理1、3、5三個端口全速和低速信號的傳輸，OHCI＃2主控制器用于處理2、4兩個端口全速和低速信號的傳輸，EHCI主控制器用于處理1、2、3、4、5五個端口高速信號的傳輸。仲裁器（Arbiter）用來選擇OHCI＃1、OHCI＃2主控制器和EHCI主控制器。根集線器完成主控制器內集線器的功能，控制主控制器和5個端口之間的連接。物理層（PHY）包含高速、全速和低速的收發器等。

5V／3．3V的降壓調節器用于將PCI總線提供的5V電源轉換成主控制器需要的3．3V直流電源；系統時鐘由30MHz晶振提供；電源控制開關提供短路和過流保護，而且每個下游端口都有各自的控制開關；串行EEPROM用于存儲子系統標識符、子系統廠商標識符等相關信息。

USB2．0高速主機適配卡，通過主控制器和根集線器，使得主機操作系統與下游5個端口的USB設備或集線器之間實現同步通信，可以處理USB1．0、USB1．1、USB2．0三種傳輸速率。它支持熱插拔、總線供電，每個端口最大可有500mA電流。連接USB2．0設備或集線器的USB電纜的最大長度為5m，設備連接采用不超過7層的星形拓撲結構，可連接多達127個USB設備或集線器。

1．3USB2．0高速主機適配卡的設計要點

由于USB2．0高速的傳輸速率，如何提高USB2．0信號的傳輸質量，減小電磁干擾（EMI）和靜電放電（ESD）成為設計的關鍵。本文從電路設計和PCB設計兩個方面進行分析。

在電路設計中，應在數字電源VDD和數字地VSS之間盡可能多放一些去耦電容，同時在靠近USB2．0主控制器芯片處多放一些旁路電容，以減少耦合，降低高頻輻射噪聲；在盡可能靠近主控制器信號管腳處放負載電阻，維持對地45Ω的高速負載；在下游每個端口，放15kΩ下拉電阻；在盡可能靠近接插元件處放差分模式阻抗較低的共模扼流元件和ESD抑制元件，如圖3所示，以提高差分信號質量，降低干擾，確保在EMI測試中得到足夠的余量。

PCB設計采用四層印刷電路板，第一、四層為信號層，第二層為電源層，第三層為地層。第四層為USB2．0最佳布線層，在地層應將模擬地和數字地嚴格分開。在可能的情況下，不要將USB布線在晶振、時鐘和磁性設備或IC的下面。分層厚度和主要信號的走線寬度，都必須采用阻抗控制并進行阻抗匹配，以滿足規定的阻抗值，其中包括保持D＋和D－兩條信號線同樣長度且始終平行，以得到D＋／D－90Ω的差分對阻抗及45Ω的共模阻抗。時鐘電路也是產生電磁輻射的主要來源，故應將晶振元件放在距離USB2．0芯片盡可能遠的區域，保證信號線D＋／D－和高速時鐘線之間的距離越遠越好，以減少高頻輻射影響。同時還要限定D＋／D－以及高速時鐘線的長度，使線長最短。盡可能增大每對信號線之間的距離，避免90°直角布線等。

在選擇外圍附件時，必須選擇USB2．0電纜、USB2．0連接器，并將面板等機械部件正確地與高速主機適配卡、主機相連，保證良好的屏蔽，以減少靜電放電干擾。

2測試結果及結論

USB實施者論壇（USB－IF）提供USB設備與主機軟件的測試，Microsoft提供Windows硬件品質實驗室測試WHQLTesting。對于USB2．0高速主機適配卡，除了上述兩個標準測試外，還包括高速信號傳輸質量的測試、功能測試、電磁兼容國際認證測試等。

利用TektronixTDS694C、TDS544示波器進行高速信號傳輸質量的測試，其中包括高速差分對D＋／D－眼圖、信號傳輸速率、接收靈敏度、振幅、差分對D＋／D－輸出阻抗等測試。測試結果滿足USB2．0主控制器的設計標準，滿足USB2．0的設計規范，測試連接見圖4。

USB2．0高速主機適配卡功能測試，即采用Windows2000Professional、WindowsMe、Windows98SE等不同的操作系統，與不同的USB設備連接測試。包含與USB1．0低速設備如鼠標、鍵盤的連接；與USB1．1全速設備如HDD、音頻設備的連接；與USB2．0高速設備如USB2．0Hub、CD－R／W、視頻會議攝像機、掃描器、寬帶打印機、攝像機等的連接，進行“Wintest”測試。所有的測試結果表明，USB2．0高速主機適配卡能夠在不同的操作系統下，與多個廠家的USB設備兼容，提供良好的性能。

基于北美、歐盟和世界范圍內的很多國家都有強制性的電磁兼容規范，如FCC、VCCI、UL、CE等，電磁兼容和靜電放電測試對USB2．0高速主機適配卡來說也是非常重要的。由于在設計中著重考慮了電磁兼容和靜電放電等問題，并進行多方改進，這種新型的USB2．0高速主機適配卡通過了電磁兼容的國際認證測試，性能可靠，應用前景廣闊。