USB問題問答
一、問:當一個USB設備插入PC機,PC機怎么知道有設備插入?
答:如圖1-1和圖1-2所示,USB接口只有4條線: VCC(5V),GND,D-,D+。PC機的USB插孔的D-和D+數據線均連接15K歐姆的下拉電阻。而USB設備端的D-或D+數據線連接1.5K歐姆的上拉電阻。當設備插入PC機的時候,會將PC機的D-或D+端的電壓拉高,當PC機在D-或D+端檢測到高電平時,就知道有設備插入了。
如果是PC機D-端被拉高,接入的則是USB低速設備;
如果是PC機D+端被拉高,接入的則是USB全速或高速設備,具體是全速設備還是高速設備,會由PC機和USB設備發包握手確定。
圖1-1 USB低速設備硬件接線圖
圖1-2 USB全速(高速)設備硬件接線圖
二、問:當USB設備插入后,PC機會提醒我們“某某設備接入”,PC機怎么知道我們插入的設備的信息的呢?
答:如圖2-1所示,當PC機檢測到有USB設備插入后,會主動向設備發送命令包,要求設備告訴PC機,設備信息。這時設備必須向PC機回復自己的信息(以描述符形式)。明確一點:USB設備不會主動給PC機發數據,只能被動的等待PC機來拿。
圖2-1 USB設備獲取設備信息過程
三、問:PC機上接有非常多的USB設備,怎么分辨它們?
答:每一個USB設備接入PC時,USB總線驅動程序都會給它分配一個編號,接在USB總線上的每一個USB設備都有自己的編號(地址)。PC機想訪問某個USB設備時,發出的命令都含有對應的編號(地址)。
四、問:USB設備剛接入PC時,還沒有編號,那么PC怎么把"分配的編號"告訴它?
答:新接入的USB設備的默認編號是0,在未分配新編號前,PC使用0編號和它通信。
USB接口EMC注意事項
一、接地設計
如果 設備為金屬外殼 ,同時單板可以獨立的劃分出接口地,那么金屬外殼與接口地直接電氣連接,且單板地與接口地通過 1000pF 電容相連;
如果 設備為非金屬外殼 ,那么接口地 PGND與單板地 GND 直接電氣連接。
二、連接器設計
1、USB AF連接器 USB信號排序設計9
2、連接器 USB與機體的搭接方式:
( 1) 面板開孔時采用精密的銑削加工技術,使孔眼的形狀更適合連接器的放置,避免孔眼切削不精確的地方出現縫隙, 進而降低電磁干擾輻射;經過測試證明, 精確的銑削開孔加工可以提高 12~18%的電磁兼容性;
( 2) 機體與 USB 金屬連接器之間的接合處要增加金屬彈片,使兩者接合時能夠保持良好的導電性能。具體搭接方式如上圖所示。
三、線纜設計
1、線纜設計要求:
USB2.0 AF連接器 普通型
:
2、屏蔽層與金屬連接器的搭接:
( 1) 屏蔽電纜的屏蔽層要求與金屬連接器進行 360°的搭接;搭接方式如上圖:
( 2) 屏蔽電纜屏蔽層要避免出現單獨的“尾巴”現象。
四、電纜設計
( 1) USB-2.0信號電纜采用網狀編織屏蔽層的屏蔽方式,且網狀編織層編織密度要求不小于 90%;差分線組采用鋁箔屏蔽;
( 2) 內部組線時,差分電纜采用雙絞傳輸,雙絞絞距一般為最小絞距的 2 倍, (最小絞距 = D為電纜的外徑) ;組線方式如上圖所示:
( 3) 電纜兩端需要增加磁環處理,磁環內徑與電纜的外徑要緊密結合,盡量選擇厚長型的磁環。
圖 4 USB-2.0信號電纜
五、走線設計
( 1) USB-2.0信號電纜走線時要求遠離其他強干擾源,如電源模塊;
( 2) 電纜走線最好單獨走線或與其他模擬以及功率線纜保持 10cm 以上距離, 切不可與其他線纜一起混合捆扎。
六、USB OTG
USB OTG即USB On-The-Go的縮寫,他目的是實現在沒有Host的情況下,實現設備間的數據傳送。例如數碼相機直接連接到打印機上,通過OTG技術,連接兩臺設備間的USB口,將拍出的相片立即打印出來;手機讀寫U盤。
6.1 OTG 檢測的原理
USB OTG標準在完全兼容USB2.0標準的基礎上,增添了電源管理(節省功耗)功能,它允許設備既可作為主機,也可作為外設操作(兩用OTG)。USB OTG技術可實現沒有主機時設備與設備之間的數據傳輸。
USB OTG接口中有5條線:
2條用來傳送數據(D+ 、D-);
1條是電源線(VBUS);
1條則是接地線(GND);
1條是ID線。ID線—以用于識別不同的電纜端點,mini-A插頭(即A外設)中的ID引腳接地,mini-B插頭(即B外設)中的ID引腳浮空。當OTG設備檢測到接地的ID引腳時,表示默認的是A設備(主機),而檢測到ID引腳浮空的設備則認為是B設備(外設)。
舉個例子:
當我們手機使用OTG線接U盤時,一般手機OTG線,手機端是mini頭,里面的ID被接到了GND,另一端是正常USB的母座,只有4pin,沒有ID腳,相當于懸空。手機就是設備A,因為ID腳被連到了GND,所以手機端的USB OTG控制器讀取到ID的狀態為低,因此手機就作為主設備。而U盤端ID懸空,故被當做從設備B。
總結:
當設備檢測到USB_ID信號為低時,該設備應作為Host(主機,也稱A設備)用。
當設備檢測到USB_ID信號為高時,該設備作為Slave(外設,也稱B設備)用。
實際的USB連接線中,是沒有USB_ID這根線的。都是在接口部分直接拉死的。
對于Host端,只需將連接線的USB_ID pin和地短接即可,
對于Slave端,USB連接線的USB_ID pin是懸空的。(設備內部上拉)。
OTG有兩種設備類型:兩用OTG設備(Dualrole device)和外設式OTG設備(Peripheralonly OTG device) 。
兩用OTG設備要提供有限的主機能力和一個MiniAB插座、支持主機流通協議(Host Negotiatio n Protocol, HNP),并和外設式OTG設備一樣支持事務請求協議(Session Request Protocol, SRP)。當作為主機工作時,兩用OTG設備可在總線上提供8mA的電流,而以往標準主機則需要 提供100~500 mA的電流。
6.2 OTG功能的構建
下圖所示電路給出了構建OTG功能時需要在基礎USB外設上添加的電路,電路中的通用串行總線控制器可以是一個微處理器和USB SIE(串口引擎),也可以是集成的μP/USB芯片或與USB收發器相連的ASIC。
為總線提供電源的外部設備需要一路3.3V穩壓輸出供電電壓,以便為邏輯電路和連接在D+、D-引腳的1500Ω電阻提供電源。
通過D+、D-引腳上的上拉電阻可向主機發出設備已連接的信號,并指示設備的工作速度。
電阻上拉至D+表示全速運行,電阻上拉至D-表示低速運行。
其它端點(包括D+和D-的15kΩ下拉電阻)用于檢測上拉電阻的狀態。
由于USB設計需要提供熱插拔功能。因此,其ESD保護電路主要用于為D+、D-和VBUS引腳提供保護。
為了增加OTG的兩用功能,必須擴充收發器功能來使OTG設備既可作為主機使用,也可以作為外設使用。而要實現上述功能,就需要在下圖所示電路中添加D+和D-端的15kΩ下拉電阻并為VBUS提供供電電源。此外,收發器還需要具備以下三個條件:
(1)可切換D+/D-線上的上拉和下拉電阻,以提供外設和主機功能。
(2)作為A設備時,需要具有VBUS監視和供電電路;作為B設備初始化SRP時,需要監視和觸發VBUS。
(3)具有ID輸入引腳。
作為兩用OTG設備,ASIC、DSP或其它與收發器連接的電路必須具備充當外設和主機的功能,并應按照HNP協議轉換其角色。
收發器所需添加的大多數電路用于VBUS引腳的管理。作為主機,它必須能夠提供5V、輸出電流可達8mA的電源。圖中的模擬開關用于配置收發器的各種功能。
ASIC和控制器還必須包含USB主機邏輯控制功能,包括發送SOF(幀啟動)包、發送配置u36755輸入u36755輸出數據包,在USB 1ms幀內確定傳輸進程、發送USB復位信號、提供USB電源管理等。
6.3 Maxim USB OTG 設計方案
MAX3301E是Maxim公司研制的一款USB OTG收發器,該器件集成有電荷泵,可將PDA、蜂窩電話和數碼相機等移動設備與USB外設直接連接而無需PC機的參與。
采用MAX3301E和一個嵌入式USB主機,就可直接將諸如打印機或外部硬盤驅動器這樣的外設連接。
MAX3301E內部包括USB OTG收發器、UBUS電荷泵、線性穩壓器和I2C 2線串行接口。
內部電平轉換器使MAX3301E能夠與采用+1.65至+3.6V邏輯電源電壓的器件連接。
MAX3301E中的電荷泵工作在+3V至+4.5V輸入電源下,可產生符合OTG要求的VBUS輸出,且輸出電流大于8mA。該器件可利用內部比較器控制并測量VBUS,同時支持USB OTG SRP和HNP,其典型應用電路下圖所示。
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