基于uPD720100控制器实现新型USB2.0高速主机适配卡的应用方案
usb接口可提供双向､实时的数据传输，具有即插即用､性能可靠､价格低廉等优点，目前已成为计算机和通信电子产品连接外围设备的首选接口｡由于高速usb集线器､高速usb功能部件的不断涌现，如数字图像器､扫描仪､视频会议摄像机､大容量数字存储设备等新型usb设备，在计算机和这些复杂的usb外设之间需要建立一个高速､高性能的数据传输｡usb2.0正是为了满足这种需求提出的，它的传输速率为480mbps｡高速usb2.0与全速usb1.1和低速usb1.0完全兼容｡虽然新式的计算机至少提供两个usb端口，但多数都只能用于usb1.1和usb1.0的数据传输，不能支持usb2.0的数据传输｡usb2.0高速主机适配卡，可直接插入计算机的扩充槽内，利用pci总线接口､可支持usb的操作系统，实现usb2.0的高速数据传输｡
usb界面通过usb主控制器与计算机主机系统相连接｡usb主控制器不但提供与主机的pci总线接口，同时也包含根集线器｡根集线器可提供一个或多个连接点用于usb设备的连接，从而使主机操作系统与usb设备之间可以彼此通信｡usb2.0主控制器是设计usb2.0高速主机适配卡的主要芯片｡目前世界上许多大公司如nec､hilips､via等都相继推出usb2.0主控制器｡本文采用nec公司生产的usb2.0主控制器upd720100，设计出新型usb2.0高速主机适配卡，测量结果良好，满足usb2.0的设计规范，达到usb2.0设计要求，并已经通过emc国际认证｡
1 usb2.0高速主机适配卡的设计
1.1 usb2.0主机系统与usb设备之间的工作流程
usb主机系统可分成客户､usb系统､usb主控制器三层｡usb设备也可分成功能部件､usb逻辑设备､usb总线接口三层，如图1所示｡
usb主控制器实际上是主机系统方面的usb总线接口，它主要处理电气层和协议层之间的相互作用｡usb系统包括主控制器驱动程序､usb驱动程序､主机软件三部分，利用主控制器管理主机和usb设备之间的数据传输｡客户负责管理与usb设备直接作用的全部软件｡总之，整个usb主机系统可以提供以下功能：检测usb设备的连接和断开､管理主机与usb设备之间的标准控制流和数据流､收集状态和事务的统计信息､控制主控制器与usb设备之间的电气接口，如数据线有限功率的供给等｡
图1也表示出usb主机系统与usb设备之间存在功能层､usb设备层､usb总线接口层三个逻辑层｡usb总线接口层代表usb主控制器与usb总线接口之间的传输关系，在主机与设备之间提供物理､信号､信息包的连接;usb设备层代表usb系统软件和usb逻辑设备之间的传输关系，usb系统软件可以执行许多关键的和一般的功能，用于给定设备的传输特性;功能层代表客户软件与功能部件之间的关系，通过相应的匹配客户软件提供给主机额外的功能｡虽然在usb设备层和功能层内都有各自的逻辑通信，但是实际的数据传输必须通过usb总线接口层完成｡usb总线接口层提供usb数据的底层传输，即usb数据的传输最终还是发生在usb数据线上｡
1.2 usb2.0高速主机适配卡的设计框图
图2为利用nec公司的usb2.0主控制器upd720100所设计的基本电路框图｡可以看出，usb2.0主控制器是一个核心芯片，可提供32-bits33mhzpci总线接口，用于与主机pci总线接口的连接｡它还包含两个开放主控制器ohci#1､ohci#2和一个增强主控制器ehci，支持5个用于连接外围设备的下游端口｡ohci#1主控制器用于处理1､3､5三个端口全速和低速信号的传输，ohci#2主控制器用于处理2､4两个端口全速和低速信号的传输，ehci主控制器用于处理1､2､3､4､5五个端口高速信号的传输｡仲裁器（arbiter）用来选择ohci#1､ohci#2主控制器和ehci主控制器｡根集线器完成主控制器内集线器的功能，控制主控制器和5个端口之间的连接｡物理层（phy）包含高速､全速和低速的收发器等｡
5v/3.3v的降压调节器用于将pci总线提供的5v电源转换成主控制器需要的3.3v直流电源;系统时钟由30mhz晶振提供;电源控制开关提供短路和过流保护，而且每个下游端口都有各自的控制开关;串行eeprom用于存储子系统标识符､子系统厂商标识符等相关信息｡
usb2.0高速主机适配卡，通过主控制器和根集线器，使得主机操作系统与下游5个端口的usb设备或集线器之间实现同步通信，可以处理usb1.0､usb1.1､usb2.0三种传输速率｡它支持热插拔､总线供电，每个端口最大可有500ma电流｡连接usb2.0设备或集线器的usb电缆的最大长度为5m，设备连接采用不超过7层的星形拓扑结构，可连接多达127个usb设备或集线器｡
［/table］［table］
1.3 usb2.0高速主机适配卡的设计要点
由于usb2.0高速的传输速率，如何提高usb2.0信号的传输质量，减小电磁干扰（emi）和静电放电（esd）成为设计的关键｡本文从电路设计和pcb设计两个方面进行分析｡
在电路设计中，应在数字电源vdd和数字地vss之间尽可能多放一些去耦电容，同时在靠近usb2.0主控制器芯片处多放一些旁路电容，以减少耦合，降低高频辐射噪声;在尽可能靠近主控制器信号管脚处放负载电阻，维持对地45ω的高速负载;在下游每个端口，放15kω下拉电阻;在尽可能靠近接插元件处放差分模式阻抗较低的共模扼流元件和esd抑制元件，如图3所示，以提高差分信号质量，降低干扰，确保在emi测试中得到足够的余量｡cb设计采用四层印刷电路板，第一､四层为信号层，第二层为电源层，第三层为地层｡第四层为usb2.0最佳布线层，在地层应将模拟地和数字地严格分开｡在可能的情况下，不要将usb布线在晶振､时钟和磁性设备或ic的下面｡分层厚度和主要信号的走线宽度，都必须采用阻抗控制并进行阻抗匹配，以满足规定的阻抗值，其中包括保持d+和d-两条信号线同样长度且始终平行，以得到d+/d-90ω的差分对阻抗及45ω的共模阻抗｡时钟电路也是产生电磁辐射的主要来源，故应将晶振元件放在距离usb2.0芯片尽可能远的区域，保证信号线d+/d-和高速时钟线之间的距离越远越好，以减少高频辐射影响｡同时还要限定d+/d-以及高速时钟线的长度，使线长最短｡尽可能增大每对信号线之间的距离，避免90°直角布线等｡
在选择外围附件时，必须选择usb2.0电缆､usb2.0连接器，并将面板等机械部件正确地与高速主机适配卡､主机相连，保证良好的屏蔽，以减少静电放电干扰｡
2 测试结果及结论
usb实施者论坛（usb-if）提供usb设备与主机软件的测试，microsoft提供windows硬件品质实验室测试？whqltesting ｡对于usb2.0高速主机适配卡，除了上述两个标准测试外，还包括高速信号传输质量的测试､功能测试､电磁兼容国际认证测试等｡
利用tektronixtds694c､tds544示波器进行高速信号传输质量的测试，其中包括高速差分对d+/d-眼图､信号传输速率､接收灵敏度､振幅､差分对d+/d-输出阻抗等测试｡测试结果满足usb2.0主控制器的设计标准，满足usb2.0的设计规范，测试连接见图4｡
usb2.0高速主机适配卡功能测试，即采用windows2000professional､windowsme､windows98se等不同的操作系统，与不同的usb设备连接测试｡包含与usb1.0低速设备如鼠标､键盘的连接;与usb1.1全速设备如hdd､音频设备的连接;与usb2.0高速设备如usb2.0hub､cd-r/w､视频会议摄像机､扫描器､宽带打印机､摄像机等的连接，进行“wintest”测试｡所有的测试结果表明，usb2.0高速主机适配卡能够在不同的操作系统下，与多个厂家的usb设备兼容，提供良好的性能｡
基于北美､欧盟和世界范围内的很多国家都有强制性的电磁兼容规范，如fcc､vcci､ul､ce等，电磁兼容和静电放电测试对usb2.0高速主机适配卡来说也是非常重要的｡由于在设计中着重考虑了电磁兼容和静电放电等问题，并进行多方改进，这种新型的usb2.0高速主机适配卡通过了电磁兼容的国际认证测试，性能可靠，应用前景广阔｡
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usb界面通过usb主控制器与计算机主机系统相连接｡usb主控制器不但提供与主机的pci总线接口，同时也包含根集线器｡根集线器可提供一个或多个连接点用于usb设备的连接，从而使主机操作系统与usb设备之间可以彼此通信｡usb2.0主控制器是设计usb2.0高速主机适配卡的主要芯片｡目前世界上许多大公司如nec､hilips､via等都相继推出usb2.0主控制器｡本文采用nec公司生产的usb2.0主控制器upd720100，设计出新型usb2.0高速主机适配卡，测量结果良好，满足usb2.0的设计规范，达到usb2.0设计要求，并已经通过emc国际认证｡
1 usb2.0高速主机适配卡的设计
1.1 usb2.0主机系统与usb设备之间的工作流程
usb主机系统可分成客户､usb系统､usb主控制器三层｡usb设备也可分成功能部件､usb逻辑设备､usb总线接口三层，如图1所示｡
usb主控制器实际上是主机系统方面的usb总线接口，它主要处理电气层和协议层之间的相互作用｡usb系统包括主控制器驱动程序､usb驱动程序､主机软件三部分，利用主控制器管理主机和usb设备之间的数据传输｡客户负责管理与usb设备直接作用的全部软件｡总之，整个usb主机系统可以提供以下功能：检测usb设备的连接和断开､管理主机与usb设备之间的标准控制流和数据流､收集状态和事务的统计信息､控制主控制器与usb设备之间的电气接口，如数据线有限功率的供给等｡
图1也表示出usb主机系统与usb设备之间存在功能层､usb设备层､usb总线接口层三个逻辑层｡usb总线接口层代表usb主控制器与usb总线接口之间的传输关系，在主机与设备之间提供物理､信号､信息包的连接;usb设备层代表usb系统软件和usb逻辑设备之间的传输关系，usb系统软件可以执行许多关键的和一般的功能，用于给定设备的传输特性;功能层代表客户软件与功能部件之间的关系，通过相应的匹配客户软件提供给主机额外的功能｡虽然在usb设备层和功能层内都有各自的逻辑通信，但是实际的数据传输必须通过usb总线接口层完成｡usb总线接口层提供usb数据的底层传输，即usb数据的传输最终还是发生在usb数据线上｡
1.2 usb2.0高速主机适配卡的设计框图
图2为利用nec公司的usb2.0主控制器upd720100所设计的基本电路框图｡可以看出，usb2.0主控制器是一个核心芯片，可提供32-bits33mhzpci总线接口，用于与主机pci总线接口的连接｡它还包含两个开放主控制器ohci#1､ohci#2和一个增强主控制器ehci，支持5个用于连接外围设备的下游端口｡ohci#1主控制器用于处理1､3､5三个端口全速和低速信号的传输，ohci#2主控制器用于处理2､4两个端口全速和低速信号的传输，ehci主控制器用于处理1､2､3､4､5五个端口高速信号的传输｡仲裁器（arbiter）用来选择ohci#1､ohci#2主控制器和ehci主控制器｡根集线器完成主控制器内集线器的功能，控制主控制器和5个端口之间的连接｡物理层（phy）包含高速､全速和低速的收发器等｡
5v/3.3v的降压调节器用于将pci总线提供的5v电源转换成主控制器需要的3.3v直流电源;系统时钟由30mhz晶振提供;电源控制开关提供短路和过流保护，而且每个下游端口都有各自的控制开关;串行eeprom用于存储子系统标识符､子系统厂商标识符等相关信息｡
usb2.0高速主机适配卡，通过主控制器和根集线器，使得主机操作系统与下游5个端口的usb设备或集线器之间实现同步通信，可以处理usb1.0､usb1.1､usb2.0三种传输速率｡它支持热插拔､总线供电，每个端口最大可有500ma电流｡连接usb2.0设备或集线器的usb电缆的最大长度为5m，设备连接采用不超过7层的星形拓扑结构，可连接多达127个usb设备或集线器｡
［/table］［table］
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在电路设计中，应在数字电源vdd和数字地vss之间尽可能多放一些去耦电容，同时在靠近usb2.0主控制器芯片处多放一些旁路电容，以减少耦合，降低高频辐射噪声;在尽可能靠近主控制器信号管脚处放负载电阻，维持对地45ω的高速负载;在下游每个端口，放15kω下拉电阻;在尽可能靠近接插元件处放差分模式阻抗较低的共模扼流元件和esd抑制元件，如图3所示，以提高差分信号质量，降低干扰，确保在emi测试中得到足够的余量｡cb设计采用四层印刷电路板，第一､四层为信号层，第二层为电源层，第三层为地层｡第四层为usb2.0最佳布线层，在地层应将模拟地和数字地严格分开｡在可能的情况下，不要将usb布线在晶振､时钟和磁性设备或ic的下面｡分层厚度和主要信号的走线宽度，都必须采用阻抗控制并进行阻抗匹配，以满足规定的阻抗值，其中包括保持d+和d-两条信号线同样长度且始终平行，以得到d+/d-90ω的差分对阻抗及45ω的共模阻抗｡时钟电路也是产生电磁辐射的主要来源，故应将晶振元件放在距离usb2.0芯片尽可能远的区域，保证信号线d+/d-和高速时钟线之间的距离越远越好，以减少高频辐射影响｡同时还要限定d+/d-以及高速时钟线的长度，使线长最短｡尽可能增大每对信号线之间的距离，避免90°直角布线等｡
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usb2.0高速主机适配卡功能测试，即采用windows2000professional､windowsme､windows98se等不同的操作系统，与不同的usb设备连接测试｡包含与usb1.0低速设备如鼠标､键盘的连接;与usb1.1全速设备如hdd､音频设备的连接;与usb2.0高速设备如usb2.0hub､cd-r/w､视频会议摄像机､扫描器､宽带打印机､摄像机等的连接，进行“wintest”测试｡所有的测试结果表明，usb2.0高速主机适配卡能够在不同的操作系统下，与多个厂家的usb设备兼容，提供良好的性能｡
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