USB接口擴展與差分信號仿真

　　本文所闡述的內(nèi)容是依托于一個便攜式設(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總線的特點及分層結(jié)構(gòu)

　　USB是一個外部總線標(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127種外設(shè)，如鼠標(biāo)、調(diào)制解調(diào)器和鍵盤等。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

　　以前的外部設(shè)備是通過RS232、RS485、并行接口、PCI接口和PS/2接口等老式專用接口來實現(xiàn)與計算機的通信。與老式計算機接口相比，USB接口具有以下優(yōu)點[1]：

　　1、可以熱插拔。這就讓用戶在使用外接設(shè)備時，不需要重復(fù)“關(guān)機將并口或串口電纜接上再開機”這樣的動作，而是直接在電腦工作時，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”見長，對用戶來說，同樣20G的硬盤，USB硬盤比IDE硬盤要輕一半的重量，在想要隨身攜帶大量數(shù)據(jù)時，當(dāng)然USB硬盤會是首要之選了。

　　3、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一。大家常見的是IDE接口的硬盤，串口的鼠標(biāo)鍵盤，并口的打印機掃描儀，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)與個人電腦連接，這時就有了USB硬盤、USB鼠標(biāo)、USB打印機等等。

　　4、可以連接多個設(shè)備。USB在個人電腦上往往具有多個接口，可以同時連接幾個設(shè)備，如果接上一個有四個端口的USB HUB時，就可以再連上；四個USB設(shè)備，以此類推，盡可以連下去，將你家的設(shè)備都同時連在一臺個人電腦上而不會有任何問題（注：最高可連接至127個設(shè)備）。

　　1.2 USB系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)

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

　　（2）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主機獲得該USB設(shè)備的能力。這部分功能一方面需要USB主機自動完成，另一方面也需要用戶編寫相應(yīng)的固件程序進行支持。

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

　　1.2 接口布置

　　USB是一種常用的pc接口，他只有4根線，兩根電源兩根信號，故信號是串行傳輸?shù)?，usb接口也稱為串行口，usb2.0的速度可以達到480Mbps?？梢詽M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 實際上有誤差，最大不能超過+/-0.2V 也就是4.8-5.2V 。usb接口的4根線一般是下面這樣分配的，需要注意的是千萬不要把正負極弄反了，否則會燒掉usb設(shè)備或者電腦的南橋芯片：黑線：gnd 紅線：vcc 綠線：data+ 白線：data-

　　2 TMS320F2812外部USB接口擴展

　　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，絕對值高達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）、 增強型8051內(nèi)核、 16 KB的RAM、

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

　　CY7C68013A的CPU采用增強型8051內(nèi)核，指令集與標(biāo)準(zhǔn)的8051完全兼容。CY7C68013A的一個指令周期包含4個時鐘周期，而對于標(biāo)準(zhǔn)的8051而言，一個指令周期則需要12個時鐘周期來完成。除了CPU處理速度上的差異外，還進行了如下改進：

　?。?）具有第二個數(shù)據(jù)指針；

　?。?）具有第二個USART；

　?。?）具有第三個16 位定時器（T2）；

　?。?）具有非復(fù)用的高速16位外部存儲器接口；

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

　　（6）FIFO/GPIF數(shù)據(jù)傳輸模式；

　?。?）具有3個喚醒源的休眠模式；

　?。?）I2C總線接口；

　?。?）最多5個8位并行I/O端口。

　　2.2 TMS320F2812擴展CY7C68013A控制USB接口

　　由于TMS320F2812內(nèi)部沒有集成USB控制器，所以要實現(xiàn)TMS320F2812通過USB接口與上位機進行通信，就需要外擴一個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，并不對其他設(shè)備進行操作，設(shè)計中選用了Cypress公司提供的簡化版本的56引腳CY7C68013A，包含PA、PB、PD共3個8 bit并行I/O口。其中PB、PD組成16 bit數(shù)據(jù)總線，連接到TMS320F2812的GPIO口，負責(zé)數(shù)據(jù)傳輸；PA復(fù)用為USB通信的地址、時序控制和狀態(tài)信號[3]。CY7C68013A提供了兩種接口模式：slave FIFO和GPIF。設(shè)計中選用了slave FIFO接口模式，以便于TMS320F2812可以像普通FIFO一樣對CY7C68013A中的端點數(shù)據(jù)緩沖區(qū)進行讀寫。TMS320F2812擴展CY7C68013A與USB接口電路原理圖如圖2所示。

　　3 USB接口差分數(shù)據(jù)信號的仿真

　　便攜式巡檢系統(tǒng)通過USB接口與上位機進行通信。對于USB接口的數(shù)據(jù)線采用差分布線的方式，以保證信號傳輸?shù)馁|(zhì)量，抑制干擾。通常認為信號在傳輸時采用3種方式：單點對單點、差分模式和共模模式。相比于單點對單點模式，差分信號有著明顯的不足，就是它需要兩根走線，如果PCB上信號都采用差分布線的方式，可以想象電路設(shè)計者會陷入絕境。但是差分信號又有著其不可替代的優(yōu)點[3]：

　?。?）差分信號在低電平應(yīng)用時非常有效。因為如果一個信號的電平非常低，那么這個信號就比較容易受到其他信號的干擾，而差分信號使這個信號的電平加倍。

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

　?。?）如果兩根信號都存在噪聲干擾，就可以通過相減來抵消噪聲，因此差分信號對信號干擾有著天然的免疫力。

　?。?）相對于單點信號，差分信號的開關(guān)時序會比較精確，因為單點信號受到噪聲干擾后時序或占空比通常會發(fā)生變化。

　　對于差分布線，如果兩根信號線的長度不相等，在接收端收到信號的相位會發(fā)生變化，因此進行差分布線時，要將差分信號對約束為等長布線。對于USB的差分信號仿真圖如圖3所示。

　　由圖3可以觀察到，沒有接電阻端的差分信號存在較強的過沖和振鈴現(xiàn)象，容易引起時鐘或數(shù)據(jù)的誤判。針對這種現(xiàn)象，通過HyperLynx計算出差分阻抗為159 Ω，而實際中只能選用與159 Ω相近的160 Ω電阻代替。通過在差分信號接收端端接160 Ω電阻來優(yōu)化差分布線，改善了差分信號存在的過沖和振鈴現(xiàn)象，保證了設(shè)備巡檢系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。經(jīng)過優(yōu)化，端接了160 Ω電阻的差分信號仿真圖如圖4所示。

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

　　USB以其小巧的體積、強大的功能、高效的傳輸速度及兼容性強等優(yōu)勢迅速成為各嵌入式系統(tǒng)與上位機進行通信的重要方式。本文基于實際項目，分析了USB通信的特點與優(yōu)勢，進一步給出了TMS320F2812擴展CY7C68013A控制USB接口與上位機進行通信的硬件設(shè)計。并且使用HyperLynx軟件對USB的差分數(shù)據(jù)信號進行仿真，改進了硬件設(shè)計，確保便攜式設(shè)備巡檢系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場的可靠運行。