文章主要包含以下六個部分：概述、協(xié)議、電路設計、PCB?Layout、USB問題問答（設備插入與識別）、USB接口EMC注意事項(接地設計、連接器設計、線纜設計、電纜設計、走線設計、USB OTG）。

概述

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協(xié)議

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電路設計

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PCB layout

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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(shù)據(jù)線均連接15K歐姆的下拉電阻。而USB設備端的D-或D+數(shù)據(jù)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(fā)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？

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  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(fā)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(fā)數(shù)據(jù)，只能被動的等待PC機來拿。

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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(fā)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(xiàn)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
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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(xiàn)單獨的“尾巴”現(xiàn)象。

四、電纜設計

（ 1） USB-2.0信號電纜采用網(wǎng)狀編織屏蔽層的屏蔽方式，且網(wǎng)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(huán)處理，磁環(huán)內徑與電纜的外徑要緊密結合，盡量選擇厚長型的磁環(huán)。

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。
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六、USB OTG

USB OTG即USB On-The-Go的縮寫，他目的是實現(xiàn)在沒有Host的情況下，實現(xiàn)設備間的數(shù)據(jù)傳送。例如數(shù)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(jié)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(xiàn)沒有主機時設備與設備之間的數(shù)據(jù)傳輸。
USB OTG接口中有5條線：
2條用來傳送數(shù)據(jù)（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）。

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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(tài)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(xié)議(Host Negotiatio n Protocol, HNP),并和外設式OTG設備一樣支持事務請求協(xié)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(fā)器相連的ASIC。
為總線提供電源的外部設備需要一路3.3V穩(wěn)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(fā)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(tài)。
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(fā)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(xiàn)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(fā)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(jiān)視和供電電路；作為B設備初始化SRP時，需要監(jiān)視和觸發(fā)VBUS。
（3）具有ID輸入引腳。

作為兩用OTG設備，ASIC、DSP或其它與收發(fā)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(xié)議轉換其角色。
收發(fā)器所需添加的大多數(shù)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(fā)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(fā)送SOF（幀啟動）包、發(fā)送配置u36755輸入u36755輸出數(shù)據(jù)包，在USB 1ms幀內確定傳輸進程、發(fā)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(fā)器，該器件集成有電荷泵，可將PDA、蜂窩電話和數(shù)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(fā)器、UBUS電荷泵、線性穩(wěn)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。

編輯：黃飛

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