USB接口擴(kuò)展與差分信號(hào)仿真

　　本文所闡述的內(nèi)容是依托于一個(gè)便攜式設(shè)備巡檢系統(tǒng)。系統(tǒng)的硬件是由電源管理模塊、信號(hào)處理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、以TMS320F2812為核心的微處理器模塊、液晶顯示模塊、接口模塊構(gòu)成，軟件主要是由巡檢管理軟件構(gòu)成。便攜式設(shè)備巡檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

　　1 USB總線(xiàn)的特點(diǎn)及分層結(jié)構(gòu)

　　USB是一個(gè)外部總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，用于規(guī)范電腦與外部設(shè)備的連接和通訊。USB接口支持設(shè)備的即插即用和熱插拔功能。USB接口可用于連接多達(dá)127種外設(shè)，如鼠標(biāo)、調(diào)制解調(diào)器和鍵盤(pán)等。USB是在1994年底由英特爾、康柏、IBM、Microsoft等多家公司聯(lián)合提出的，自1996年推出后，已成功替代串口和并口，并成為當(dāng)今個(gè)人電腦和大量智能設(shè)備的必配的接口之一。

　　1.1 USB接口的特點(diǎn)

　　以前的外部設(shè)備是通過(guò)RS232、RS485、并行接口、PCI接口和PS/2接口等老式專(zhuān)用接口來(lái)實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的通信。與老式計(jì)算機(jī)接口相比，USB接口具有以下優(yōu)點(diǎn)[1]：

　　1、可以熱插拔。這就讓用戶(hù)在使用外接設(shè)備時(shí)，不需要重復(fù)“關(guān)機(jī)將并口或串口電纜接上再開(kāi)機(jī)”這樣的動(dòng)作，而是直接在電腦工作時(shí)，就可以將USB電纜插上使用。

　　2、攜帶方便。USB設(shè)備大多以“小、輕、薄”見(jiàn)長(zhǎng)，對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)，同樣20G的硬盤(pán)，USB硬盤(pán)比IDE硬盤(pán)要輕一半的重量，在想要隨身攜帶大量數(shù)據(jù)時(shí)，當(dāng)然USB硬盤(pán)會(huì)是首要之選了。

　　3、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一。大家常見(jiàn)的是IDE接口的硬盤(pán)，串口的鼠標(biāo)鍵盤(pán)，并口的打印機(jī)掃描儀，可是有了USB之后，這些應(yīng)用外設(shè)統(tǒng)統(tǒng)可以用同樣的標(biāo)準(zhǔn)與個(gè)人電腦連接，這時(shí)就有了USB硬盤(pán)、USB鼠標(biāo)、USB打印機(jī)等等。

　　4、可以連接多個(gè)設(shè)備。USB在個(gè)人電腦上往往具有多個(gè)接口，可以同時(shí)連接幾個(gè)設(shè)備，如果接上一個(gè)有四個(gè)端口的USB HUB時(shí)，就可以再連上；四個(gè)USB設(shè)備，以此類(lèi)推，盡可以連下去，將你家的設(shè)備都同時(shí)連在一臺(tái)個(gè)人電腦上而不會(huì)有任何問(wèn)題（注：最高可連接至127個(gè)設(shè)備）。

　　1.2 USB系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)

　?。?）功能層：主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸操作，功能層由USB設(shè)備的功能單元和對(duì)應(yīng)的USB主機(jī)程序組成。特定的USB主機(jī)程序段用于與特定的USB設(shè)備功能單元的通信。

　?。?）USB設(shè)備層：主要用于管理USB設(shè)備、分配USB地址、讀取設(shè)備描述符。在這一層中，可以使USB主機(jī)獲得該USB設(shè)備的能力。這部分功能一方面需要USB主機(jī)自動(dòng)完成，另一方面也需要用戶(hù)編寫(xiě)相應(yīng)的固件程序進(jìn)行支持。

　?。?）USB總線(xiàn)接口層：主要用于實(shí)現(xiàn)USB主機(jī)和USB設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。在USB協(xié)議中，USB總線(xiàn)接口使用NRZI編碼（反向非歸零編碼）來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，USB主控制器和USB集線(xiàn)器將數(shù)據(jù)接收或發(fā)送，并自動(dòng)進(jìn)行解碼或編碼，這部分一般由USB系統(tǒng)硬件自動(dòng)完成。

　　1.2 接口布置

　　USB是一種常用的pc接口，他只有4根線(xiàn)，兩根電源兩根信號(hào)，故信號(hào)是串行傳輸?shù)?，usb接口也稱(chēng)為串行口，usb2.0的速度可以達(dá)到480Mbps?？梢詽M(mǎn)足各種工業(yè)和民用需要。USB接口的輸出電壓和電流是： +5V 500mA 實(shí)際上有誤差，最大不能超過(guò)+/-0.2V 也就是4.8-5.2V 。usb接口的4根線(xiàn)一般是下面這樣分配的，需要注意的是千萬(wàn)不要把正負(fù)極弄反了，否則會(huì)燒掉usb設(shè)備或者電腦的南橋芯片：黑線(xiàn)：gnd 紅線(xiàn)：vcc 綠線(xiàn)：data+ 白線(xiàn)：data-

　　2 TMS320F2812外部USB接口擴(kuò)展

　　Cypress公司的EZ-USB FX2系列芯片是世界上第一款繼承了USB2.0協(xié)議的微處理器，最典型的就是CY7C68013，其強(qiáng)大功能包括USB接口以及與8051兼容的指令系統(tǒng)，但是其功耗比較大，絕對(duì)值高達(dá)936mW。因此，Cypress公司隨后又推出了低功耗版本EZ-USB FX2LP系列芯片，其中用的比較多的是CY7C68013A芯片，本文就選用CY7C68013A作為USB接口的控制芯片。

　　2.1 CY7C68013A結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

　　CY7C68013A芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括USB2.0收發(fā)器、串行引擎（SIE）、 增強(qiáng)型8051內(nèi)核、 16 KB的RAM、

　　4 KB的FIFO存儲(chǔ)器、I/O接口、數(shù)據(jù)總線(xiàn)、地址總線(xiàn)和通用可編程接口（GPIF）[2]。

　　CY7C68013A的CPU采用增強(qiáng)型8051內(nèi)核，指令集與標(biāo)準(zhǔn)的8051完全兼容。CY7C68013A的一個(gè)指令周期包含4個(gè)時(shí)鐘周期，而對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的8051而言，一個(gè)指令周期則需要12個(gè)時(shí)鐘周期來(lái)完成。除了CPU處理速度上的差異外，還進(jìn)行了如下改進(jìn)：

　　（1）具有第二個(gè)數(shù)據(jù)指針；

　?。?）具有第二個(gè)USART；

　?。?）具有第三個(gè)16 位定時(shí)器（T2）；

　?。?）具有非復(fù)用的高速16位外部存儲(chǔ)器接口；

　?。?）8個(gè)額外的中斷（INT2-6、WAKEUP、T2和USART1）；

　?。?）FIFO/GPIF數(shù)據(jù)傳輸模式；

　?。?）具有3個(gè)喚醒源的休眠模式；

　　（8）I2C總線(xiàn)接口；

　　（9）最多5個(gè)8位并行I/O端口。

　　2.2 TMS320F2812擴(kuò)展CY7C68013A控制USB接口

　　由于TMS320F2812內(nèi)部沒(méi)有集成USB控制器，所以要實(shí)現(xiàn)TMS320F2812通過(guò)USB接口與上位機(jī)進(jìn)行通信，就需要外擴(kuò)一個(gè)USB控制器，本文選用CY7C68013A作為USB控制器?；贑Y7C68013A主要用于控制USB接口通信，并不對(duì)其他設(shè)備進(jìn)行操作，設(shè)計(jì)中選用了Cypress公司提供的簡(jiǎn)化版本的56引腳CY7C68013A，包含PA、PB、PD共3個(gè)8 bit并行I/O口。其中PB、PD組成16 bit數(shù)據(jù)總線(xiàn)，連接到TMS320F2812的GPIO口，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸；PA復(fù)用為USB通信的地址、時(shí)序控制和狀態(tài)信號(hào)[3]。CY7C68013A提供了兩種接口模式：slave FIFO和GPIF。設(shè)計(jì)中選用了slave FIFO接口模式，以便于TMS320F2812可以像普通FIFO一樣對(duì)CY7C68013A中的端點(diǎn)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)進(jìn)行讀寫(xiě)。TMS320F2812擴(kuò)展CY7C68013A與USB接口電路原理圖如圖2所示。

　　3 USB接口差分?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)的仿真

　　便攜式巡檢系統(tǒng)通過(guò)USB接口與上位機(jī)進(jìn)行通信。對(duì)于USB接口的數(shù)據(jù)線(xiàn)采用差分布線(xiàn)的方式，以保證信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量，抑制干擾。通常認(rèn)為信號(hào)在傳輸時(shí)采用3種方式：?jiǎn)吸c(diǎn)對(duì)單點(diǎn)、差分模式和共模模式。相比于單點(diǎn)對(duì)單點(diǎn)模式，差分信號(hào)有著明顯的不足，就是它需要兩根走線(xiàn)，如果PCB上信號(hào)都采用差分布線(xiàn)的方式，可以想象電路設(shè)計(jì)者會(huì)陷入絕境。但是差分信號(hào)又有著其不可替代的優(yōu)點(diǎn)[3]：

　?。?）差分信號(hào)在低電平應(yīng)用時(shí)非常有效。因?yàn)槿绻粋€(gè)信號(hào)的電平非常低，那么這個(gè)信號(hào)就比較容易受到其他信號(hào)的干擾，而差分信號(hào)使這個(gè)信號(hào)的電平加倍。

　?。?）由于差分信號(hào)是電平相同而且反向的兩根信號(hào)，不需要參考平面作為信號(hào)回路，這樣就不需要地平面或電源平面的連續(xù)性和完整性。

　?。?）如果兩根信號(hào)都存在噪聲干擾，就可以通過(guò)相減來(lái)抵消噪聲，因此差分信號(hào)對(duì)信號(hào)干擾有著天然的免疫力。

　　（4）相對(duì)于單點(diǎn)信號(hào)，差分信號(hào)的開(kāi)關(guān)時(shí)序會(huì)比較精確，因?yàn)閱吸c(diǎn)信號(hào)受到噪聲干擾后時(shí)序或占空比通常會(huì)發(fā)生變化。

　　對(duì)于差分布線(xiàn)，如果兩根信號(hào)線(xiàn)的長(zhǎng)度不相等，在接收端收到信號(hào)的相位會(huì)發(fā)生變化，因此進(jìn)行差分布線(xiàn)時(shí)，要將差分信號(hào)對(duì)約束為等長(zhǎng)布線(xiàn)。對(duì)于USB的差分信號(hào)仿真圖如圖3所示。

　　由圖3可以觀察到，沒(méi)有接電阻端的差分信號(hào)存在較強(qiáng)的過(guò)沖和振鈴現(xiàn)象，容易引起時(shí)鐘或數(shù)據(jù)的誤判。針對(duì)這種現(xiàn)象，通過(guò)HyperLynx計(jì)算出差分阻抗為159 Ω，而實(shí)際中只能選用與159 Ω相近的160 Ω電阻代替。通過(guò)在差分信號(hào)接收端端接160 Ω電阻來(lái)優(yōu)化差分布線(xiàn)，改善了差分信號(hào)存在的過(guò)沖和振鈴現(xiàn)象，保證了設(shè)備巡檢系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。經(jīng)過(guò)優(yōu)化，端接了160 Ω電阻的差分信號(hào)仿真圖如圖4所示。

　　由圖4可以觀察到，經(jīng)過(guò)端接160 Ω電阻優(yōu)化后，差分信號(hào)線(xiàn)的過(guò)沖和振鈴現(xiàn)象得到了很好的抑制。

　　USB以其小巧的體積、強(qiáng)大的功能、高效的傳輸速度及兼容性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)迅速成為各嵌入式系統(tǒng)與上位機(jī)進(jìn)行通信的重要方式。本文基于實(shí)際項(xiàng)目，分析了USB通信的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步給出了TMS320F2812擴(kuò)展CY7C68013A控制USB接口與上位機(jī)進(jìn)行通信的硬件設(shè)計(jì)。并且使用HyperLynx軟件對(duì)USB的差分?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行仿真，改進(jìn)了硬件設(shè)計(jì)，確保便攜式設(shè)備巡檢系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的可靠運(yùn)行。