（微电子学与固体电子学专业论文）usb接口电路的设计与实现——接收端的设计.pdf

u s b 接口电路的设计与实现一接收端的设计 摘要 通用串行总线( u s b ) 是应用在p c 领域中的新型接口技术，自 从w i n d o n s 9 8 操作系统全面对u s b 接口支持后，u s b 逐渐进入实用阶 段。利用u s b 可以实现较传统方式更有效、更经济、更多扩展的p c 外设与p c 相连。 通用串行总线( u s b ) 作为一种新兴的计算机外设总线标准， 从标准的出现到大规模的应用，仅用了短短几年的时间，这一切都 得益于它易用、真正的热插拔、高性能和系统造价低廉等忧点。它 可以同时支持低速( 1 5 m b s ) 和全速( 12 m b s ) 以及高速( 4 8 0 m b s ) 的数据传输，还可以同时支持多达1 2 7 个外设。连接方式也十分灵 活，既可以串行连接，也可以用集线器( h u b ) 把多个设备连接在一 起，再同p c 机的u s b 接口相连。正由于u s b 的这些特点，使其获得 了广泛的应用。 本文着重分析了u s b 总线的工作原理、通讯协议、总线体系结构、 数据传输模式、u s b 数据流模型。提出设计了u s b 接口电路的整体构架， 设计了u s b 的主要控制逻辑和与m c u 的互连的接口( 此接口与飞利普 的u s b 接口芯片p d i u s b d l 2 兼容) ，也设计了一个数字锁相环( d p l l ) 来同步数据和分离时钟，并对同步模式的识别、并行串行转换、位填 充解除填充、c r c 校验产生、p i d 校验产生、地址识别和握手评估 产生做了具体的分析。 本课题具体是用v e r i l o g 语言设计了u s b 设备端的控制器( 主要为 接收部分) ，并用f p g a 对其进行验证。采用自顶向下的设计方法，在 充分了解系统的基础上，划分功能模块进行行为描述、r t l 功能仿真、 逻辑综合。在此基础上进一步做时序仿真和静态时序分析，产生b y t e 文件，下载到f p g a 进行实物验证。运用硬件描述语言- - v e r i l o g h d l 来完成代码设计，并使用a c t i v e h d l 和$ y n p l i f y 软件完成仿真和综 合。 关键词：u s b 通信模型通讯流模型数据传输方式 通讯协议事务处 理数据采集调制解调器端点事务u s b 接口， n r z i ，s i e u s b 接口电路的设计与实现一接收端的设计 a b si r a cj u n i v e r s a ls e r i a l b u s ( u s b ) i sn e wt e c h n o l o g y a b o u ti n t e r f a c ei n c o m p u t e ra p p l i c a t i o n u s b h a sb e e nu s e d w i d e l y s i n c et h ew i n d o w s o p e r a t i o ns y s t e ms u p p o r t e dt h eu s bi n t e r f a c ei nc o m p u t e r t h em a j o r g o a lo f u s bw a st od e f i n ea ne x t e r n a le x p a n s i o nb u sw h i c hm a k e s a d d i n g p e r i p h e r a l st oap ca s e a s y a s h o o k i n gu p a t e l e p h o n e t oaw a l l j a c k t h e p r o g r a m sd r i v i n gg o a l sw e r ee a s e o g u s ea n dl o wc o s t t h e s e w e r ee n a b l e dw i t ha ne x t e r n a le x p a n s i o na r c h i t e c t u r e u n i v e r s a ls e r i a lb u s ( u s b )i so n eo ft h em o s t i m p o r t a n t d e v e l o p m e n t s i np c p e r i p h e r a l i n t e r c o n n e c t t e c h n o l o g y s i n c et h e i n t r o d u c t i o no fs e r i a la n dp a r a l l e lp o r t si nt h ee a r l y19 8 0 s t h eb e n e f i t s o fu s b ，s u c ha se a s eo fu s e ，p l u ga n dp l a y ，h i g hp e r f o r m a n c e ，a n d r e d u c e do v e r a l ls y s t e mc o s t ，a r ej u s taf e wo ft h er e a s o n st h i st e c h n o l o g y h a sg o n ef r o ms p e c i f i c a t i o nt op r o d u c td e v e l o p m e n ti nl e s st h a n2y e a r s i t s u p p o r t sl o ws p e e d ( 1 5 m b s ) ，f u l ls p e e d ( 1 2 m b s ) a n dh i g hs p e e d ( 4 8 0 m b s ) d a t at r a n s m i s s i o n t h eu s bd e v i c e sc a nb ec o n n e c t e dw i t h t h ep co nt h ec o m p u t e r su s bi n t e r f a c e ，a n da l s oc o n n e c t e dw i t hp c t h r o u g ht h eh u b s o t h eu s bi sw i d e l yu s e d t h is p a p e rm a i n l y i n t r o d u c e st h eu s bw o r k p r i n c i p l e ，t h e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo fu s b ，b u ss y s t e ms t r u c t u r e ，d a t at r a n s m i s s i o n m e t h o d ，d a t af l o wm o d e lo fu s b a ni d e ai sb r o u g h tf o r t ht od e s i g nt h e t o t a ls t r u c t u r eo ft h eu s bi n t e r f a e ei p ，t h em a i nc o n t r o l l o g i c ，t h em c u i n t e r f a c e ( t h e f u n c t i o ni st h es a m ea st h ep d i u s b d12 c h i p o ft h e p h i l i p ss e m i c o n d u c t o r ) a n dad p l lw h i c hi su s e dt os y n c h r o n i z ed a t a a n ds e p a r a t et h ec l o c k t h i sp a p e ra l s oi n t r o d u c e sp a c k e tr e c o g n i t i o n ， t r a n s a c t i o n s e q u e n c i n g ，s o p ，e o p ，r e s e t ，r e s u m es i g n a l d e t e c t i o n g e n e r a t i o n ， n r z id a t a e n c o d i n g d e c o d i n g a n d b i t - s t u f f i n g ，c r cg e n e r a t i o n a n dc h e c k i n g ( t o k e na n dd a t a ) ， p a c k e ti d ( p i d )g e n e r a t i o na n d c h e c k i n g d e c o d i n g ， u s b 接口电路的设计与实现一接收端的设计 s e r i a l p a r a l l e l ，p a r a l l e l - s e r i a lc 0 n v e r s i o n t h ef u n c t i o nc o n t r o l l e ro fu s b ( r e c e i v e rp a r t ) i sd e v e l o p e di n v e r i l o gw h i c h i saw i d e l yu s e dh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，a n d s i m u l a t e di na c t i v e h d la n ds y n t h e s i z e di ns y n p l i f y ，b a s e do nw h i c h ，t h i s p a p e ra l s og i v et i m i n gs i m u l a t i o na n ds t a t i ct i m i n ga n a l y s i sr e s u l t s f i n a l l y ，b y t ef i l ei sg i v e na n dd o w n l o a d e di n t of p g a a n dt e s t e d k e y w o r d s ：u s b ，c o m m u n i c a t i o n m o d e l ，c o m m u n i c a t i o nf l o w m o d e l ，t r a n s a c t i o n ，d a t at r a n s m i s s i o nm e t h o dc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l ，d a t a c o l l e c t i o n ，m o d e m ， e n d p o i n t ，t r a n s a c t i o nu s b i n t e r f a c e n r z i s i e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：噩12 ：兰：坐日期：矿? 年朔扩日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：塑查 雪导师签名： 。日期：j u s b 接口电路的设计与实现一接收端的设计 第一章绪论 1 1 概述 大家都知道，p c 中每个设备都有它自己的一套连接的接口。但是， 随着现在外设逐渐地增多，外设接i s l 的规格不一、有限的接口数量， 已经无法满足众多外设连接的需要。唯一能解决这个问题的方法就是 提供一个设备的共享接口来解决个人计算机与周边设备的通用连接。 随之而来的，就是u s b 技术的诞生。u s b 技术可以说是计算机外设连 接技术的重大变革。现在，随着众多设备比如键盘、鼠标、游戏杆、 扫描仪、显示器、数码相机以及m o d e m 等对u s b 接口的支持，u s b 接口也变得越束越重要。那么，什么是u s b ? 它的发展历程是怎么样 的呢? 它有什么特点? 我们如何在自己的计算机上实现u s b 接口的连 接昵? 1 、u s b 技术的发展 u s b ，全称为u n i v e r s a ls e r i a lb u s ( 通用串行总线) 是在1 9 9 4 年 底由康柏、i b m 、m i c r o s o f t 等多家公司联合提出的。不过直到近期， 它才得到广泛地应用。从1 9 9 4 年1 1 月1 1 日发表了u s bv 0 7 版本以 后，u s b 版本经历了九年的发展，到现在已经发展为2 0 版本i l j 。 早期的u s b 版本，在推出时普遍不受到重视。其实最大的原因是： 当时的主板结构以b a b y a t 板型为主，u s b 功能接口在许多主板上 都是一种选择的功能，有些主板制造商在主板上提供了4 2 或5 2 的 u s b 针脚接口，而更多的则为了节省成本，连u s b 针脚接口都省掉了。 另外，在b i o s 方面也缺乏支持：当时很多主板都只提供有u s b 连接 针脚接口，而主板的b i o s 没有真正支持u s b 。这样，很多用户为了 使用u s b ，只有通过升级主板b i o s 的方法，将主板b i o s 刷新成支持 u s b 功能的b i o s 才行。 这种情形一直延续到a t x 主板结构诞生。不过一开始的a t x 主 板在支持u s b 方面还不是特别的好。因为般a t x 的设备接口都设 计成一层高度，所能使用的接口空问都给传统的串行通讯接口和l p t 打印口占用了，根本没有余地留给u s b 接口，所以当时如果要想使用 u s b 接口电路的设计与实现一接收端的设计 u s b 接口的话，还得使用u s b 转接卡，通过连线与主板上的u s b 接 口相连才能得以实现。不过后来a t x 主板的后部面板设计成了两层， 使u s b 接口终于在主板上有了安身立足之处，无须再通过外接u s b 转接卡来实现了。 但是u s b1 1 的速度和操作系统的不支持 2 1 ，他的推广也不普遍。 随着新一代的u s b2 0 标准和w i n d o w s9 8 的正式推出，一切问题都迎 刃而解。在新的u s b2 0 接口标准技术中，它通过将内部时钟加快和 其他方法，将传输速度提高到v 1 1 版本的4 0 倍，达到了4 8 0 m b p s 的 速度。在以前的u s bv 1 1 时是每毫秒发送一条信息，而在新的u s b 2 0 中，每毫秒现在可以发送8 条信息，也就是说速度相应地提高了7 倍。加上w i n d o w s 的全面支持，使u s b 设备的开发工作难度大大下降， 使u s b 很快普及开来。 2 、u s b 的特点 ( 1 ) 速度快 u s b 接口的传输速度高达4 8 0 m b p s ，和串口1 15 2 0 0 b p s 的速度相 比，相当于串口速度的4 0 0 0 多倍，完全能满足需要大量数据交换的外 设的要求。 ( 2 ) 连接简单快捷 u s b 接口设备的安装非常简单，在电脑正常工作时也可以进行安 装，而无须关机或重新启动、打开机箱等操作，这主要是得益于u s b 的即插即用和热插拔功能。 ( 3 ) 无须外接电源 大家都知道，一些采用普通串口或并口的设备( 比如打印机、扫 描仪等) 都需要相应的外接电源系统，而u s b 外部设备直接利用u s b 接口提供的电源，无须外接专门的交流电源。 ( 4 ) 良好的兼容性 u s b 接口标准有良好的向下兼容性，以u s b2 0 和1 1 版本为例， 2 0 版本就能很好地兼容以前的u s b1 ，1 的产品。系统在自动探测到1 1 版本的接口类型时，会自动按照以前的12 m b p s 的速度进行传输，而其 他的采用2 。0 版本的设备，并不会因为接入了一个1 1 标准的设各而减 2 u s b 接口电路的设计与实现一接收端的设计 慢它们的速度，它们还是能以2 0 标准所规定的速度进行传输。 随着大量支持u s b 的个人电脑的普及以及w i n d o w s9 8 的广泛应 用，u s b 已成为p c 机的一个标准接口，目前市面出售的所有电脑都 1o o 地支持u s b ，另外使用u s b 接口的外部设备的也越来越多，价 格也越来越便宜，u s b 的应用肯定也会越来越广泛。 1 2u s b 的用途 总而言之，u s b 是一种设备插架的一种规范。u s b 技术的设计目 的就是位广大计算机用户提供纯粹的数字视频和音频信号，以实现通 信服务。所以u s b 的总线速度足够用来支持这些设备的。 对广大的计算机用户来说，连接外设有一个很大的问题，那就是 连接每一种外设都要一个它们自己的适配器，当然它还要占用主板上 的一个扩展槽。例如，对于图像要一个显卡；为了驱动你的游戏杆你 得装上游戏卡：驱动音频要有声卡；为了把图像信号输入计算机，你 得装上视频输入卡。 随着计算机的飞速发展，各种外设越来越多，而主板的空间有限， 这样扩展槽就不能满足越来越多的外设了。同时，为了适应未来发展 的需要，计算机还要有足够的技术和电源功率，从而为将来的数字输 入设备和带宽敏感的设备提供支持。如在p c 上实现电视会议己成为现 实了，而由你的p c 机提供环绕立体声将成为一种标准功能。因此， u s b 技术着眼于未来，提供良好的可扩充性。 所以，人们正在发展一种涵盖高中低速的数字设备外围设备的需 要，同时所占资源又少的技术。而u s b 正好满足这些要求。它把所有 的外设都置于机箱之外，不要任何扩展槽。它使设备有一定的智能， 但不是计算机 4 1 。 在u s b 方式下，所有的外设都在机箱外连接，不用打开机箱。允 许外设热插拔，不必重启或关机。u s b 设备采用“级联”的方式连接， 即u s b 设备( h u b ) 一端连接到外设插座上，而自己可以提供一系列 u s b 外设插座。通过这种星形结构，一个u s b 主控器可以连接1 2 7 个 设备，设备间的距离最长为5 米。u s b 能智能地识别外设的插入和移 u s b 接口电路的设计与实现一接收端的设计 拦胎直角 静拦 低速键盘、鼠标、游戏棒低价格、热插拔、易用性 交互设备 1 0 2 0 k b s 中速 i s b n 、p b x 、p o t s 低价格、易用性、动态插拔、 电话、音频、压缩视限定带宽和延迟 频 5 0 0 k b s 一1 0 m b s 高速音频、磁盘高带宽、限定延迟、易 ；| 性 音频、磁盘 2 5 5 0 0 m b s 除，u s b 为p c 外设提供了一个很好的解决方案。 表1 1 对一般用户而言，u s b 拥有的带宽和连接距离来支持它们。u s b 允许三种数据传输速度，低速1 5 m b s ，全速1 2 m b s 和高速4 8 0 m b s 。 全速和高速时，节点间的距离为5 m ，连接使用4 芯电缆( 2 根电源线， 2 根信号线) 。这种速率比标准的串口，并口都快许多。因此，u s b 支 持高速接口，使用户拥有足够的带宽供新的数字外设使用。表l - l 是 一些常用的设备1 5j 。 有了u s b 技术，外设的设计者就可以很自由地实现其方案一而无 需将整个外设的功能分为设各和接口卡两部分。如u s b 音箱，就可看 成是声卡和传统音箱的结合体。同时计算机的内部总线也不必理会这 些接口卡间的信息流动了。你会发现，有了这种配置，你可以获得更 好的整体性能。 1 3u s b 布局 由于u s b 总线上连接的外设多达1 2 7 个，所以如果没有一个好的 配置方案，你的书桌将会一团糟。如何安排你的u s b 设备，使其看起 来更象设置一个计算机网络，毕竟它们之间有许多共同点。 4 u s b 接口电路的设计与实现一接收端的设计 当我们安装一个计算机网络时，只要我们安装好软件和电缆后， 它就可以工作了。而我们配置一个计算机u s b 设备时，比计算机网络 简单。因为我们不需要安装许多软件、协议来支持u s b 设备( 当然你 需要一些驱动程序) 。u s b 外设的安装十分简单，所有的u s b 外设利 用“o n e s i z e f i t s a l l ”( 统一规格) 的连接器来方便地连到计 算机上，安装过程高度自动化，既不必安装插卡，又不必考虑资源分 配，也不必关了计算机。 一个u s b 总线的基本组成：一个主机和若干个设备。这些设备都 连接在u s b 总线上，它们可以是音箱，显示器，也可以是集线器、鼠 标、扫描仪等等。 目前，我们可以在许多机箱后盖上发现通常的串口，并口，当然 你也可以看到两个长方形串口，即u s b 接口。当然现在有些主板不止 2 个u s b 插槽，并且有机箱前面也有。 如果我们只有一两个u s b 设备时，可以直接就用u s b 电缆把设备 连上计算机。但当我们的u s b 设备很多时，u s b 插槽显然不够的。最 简单的办法是在机箱上多留些插槽，现在有些主板也这样做了。但对 于u s b 支持1 2 7 个设备，要留1 2 7 个插槽是不可能的。这时就要用到 了u s b 集线器了，它与以太网的集线器十分相似，但也有不同。以太 网的集线器是一个独立的硬件设备，网络服务器通过它来与计算机终 端互连。而u s b 集线器既可以是一个独立的硬件设备，也可以与u s b 设备集成在一起，这类设备我们称之为复合设备【6 】。如图1 - l 所示。 u s b 接i s i 电路的设计与实现一接收端的设计 图卜1台式机环境下的集线器和 上面的键盘既是u s b 设各，又有集线器的功能。 由于u s b 控制器( 设备端) 主要是主机与设备间的通信问题，所 以有必要对通信进行一些简单的阐释。 1 4 通信模型 一个通信系统要达到的最基本目的是完成双方的数据交换。图 1 2 a 是一般通用的通讯模型框图。图1 2 b 所示为工作站和服务器之问 通过公用电话网进行通信的例子【7 】。另一个例子是两部电话机之间通 过同样的网络来交换话音信号。该模式中的几个要素分别是： 源站：源站设备产生传输的数据，例如电话机和个人电脑。 发送器：通常源系统生成的数据不会以它最初生成时的格 式直接传输，而是通过一个发送器将这些信息转化并编码成为能够在 u s b 接1 5 j 电路的设计与实现一接收端的设计 各种传输系统中进行传输的电磁信号。例如，调制解调器从与之相连 的设备上获得一个数字比特流，并将此比特流转化成能够在电话网上 传输的模拟信号。 图1 2 简化框图 传输系统：它有可能是一根单独的传输线，也可能是连接在 源设备和目的设备之间的复杂网络系统。 接收器：接收器接收来自传输系统的信号，并将其转化为能 够被目的设备处理的信息。例如，调制解调器接收来自网络或传输线 路上的模拟信号，并将其转换成数字比特流。 目的站：目的站设备从接收器获取传送来的信息。 表1 2 列出了数据通信系统必须完成的一些主要任务。 第一项是传输系统的利用，它指的是如何充分利用传输设施，通 u s b 袋u 电路的设计与实现一接收端的设计 - _ - _ - _ _ _ _ _ - 一 常这些传输设施会被多个正在通信的设备共享。 任何设备要通信，都必须与传输系统接口。本节讨论了通讯常用 的几种通讯接1 ：3 ：r s 一2 3 2 、 u s b 等。一旦建立了接i ：3 ，要进行通信 还需要信号的产生。信号的性质，如信号格式及信号强度，必须做到 以下两点： ( 1 ) 能够在传输系统上进行传播； ( 2 ) 能够被接收器转换为数据。 传输系统的利用寻址 接口骼由选择 信姆的产生饿复 同步报交的格式化 交换的管理安全措旅 差错捡测和纠正网络翳理 流鬣控制 表卜2 仅根据传输系统和接收器的要求主成信号还是不够的，必须在 发送器和接收器之间达成某种形式的同步。接收器必须能够判断信号 在什么时候开始到达，什么时候结束。它还必须知道每个信号单元的 持续时间。 要使双方顺利通信，除了决定信号的特性和定时这些基本要求之 外，还有很多其他要求，我们将它们归纳为交换的管理。如果在一段 时间内数据的交换是双向的，那么双方必须合作。例如，双方进行电 话交谈，有一方必须拨打另一方的电话号码，因为拨号产生的信号引 起被叫方的电话振铃。被叫方拿起电话双方就完成了连接。对数据处 理设备来说，仅仅建立简单的连接还是不够的，在此基础上必须设定 其他一些协定。这些协定可能包括：双方设备是同时传输，还是轮流 传输：一次可传送的数据量；数据的格式：如果发生了类似误差的意 外事件该怎么办等等。 u s b 接u 电路的设计与实现一接收端的设计 接下来的两个事情也可看作交换管理，但由于它们十分重要， 有必要将它们独立分列出来。任何通信系统都有出现差错的可能性， 譬如传送的信号在到达目的点之前失真过度。在不允许出现差错的环 境中就需要有差错检测和纠正机制。这种情况通常发生在数据处理系 统中。例如，当一台计算机向另一台计算机发送文件时，如果文件的 内容意外地被改变了，这肯定是无法接受的。为了保证目的点设备不 会因源点设备将数据发送得太快以致无法及时接收和处理这些数据而 导致超载，就需要流量控制。当传输设施被两个以上的设各共享时， 源点系统必须给出其目的点系统的标识。传输系统必须保证只有目的 点系统才能够接收到数据【引。此外，传输系统本身还可能是具有不只 一条路径的网络，那么还必须在这个网络中选择某条特定路径。 恢复( r e c o v e r y ) 与差错纠正( e r r o rc o r r e c t i o n ) 是两种不同的概 念。当信息正在交换时，譬如数据库处理或文件传输时，由干系统某 处发生了故障而导致传输中断，那么在这种情况下就要使用恢复技术。 它的任务就是要么从中断处开始继续工作，要么至少应把系统被涉及 的部分恢复到数据交换开始之前的状态。 报文的格式化是双方必须就数据交换或传输的格式达成一致的协 议。例如，双方都必须使用同样的二进制字符编码。 在数据通信系统中采取某些安全措施常常是很重要的。发送数据 方可能希望确保只有对方能够接收到数据。而数据接收方则可能希望 保证接收到的数据在传送过程中没有被改变过，且此数据确实来自正 确的发送方。 数据通信设施是一个十分复杂的系统，它不可能自动创建或运行， 于是就需要各种网络管理功能来设置系统，监视系统状态，在发生故 障和过载时进行处理，并为系统进一步发作出合理的规划。 1 5 常用的数据通讯方式及其现状 1 5 1 无线通讯 对于无线媒体，发送和接收都是通过天线实现的。在发送时，天 线将电磁能量发射到媒体中( 通常是空气) ，而在接收时，天线从周围 的媒体中获取电磁波。无线传输有两种基本的构造类型：定向的和全 u s l 3 接口电路的设计与实现一接收端的设计 向的。在定向的结构中，发送天线将电磁波聚集成波束后发射出去， 因此，发送和接收天线必须仔细校准。在全向的情况下，发送信号沿 所有方向传播，并能够被多数天线接收到。通常信号的频率越高，将 信号聚集成方向性电磁波束的可能性就越大。 i ，5 2 无线电传输 无线电波很容易产生，可以传播很远，很容易穿过建筑物，因此 被广泛用于通信，不管是窒内还是室外。无线电波同时还是全方向传 播的，也就是说它能从源向任意方向传播，因此发射和接收装簧不必 在物理上很准确地对准。 无线电波的特性与频率有关。在较低频率上无线电不能轻易地通 过障碍物，但是能量随着与信号源距离的增大而急剧减小，大致为1 r 。在高频上，无线电波趋于直线传播并受障碍物的阻挡，它们还 会被雨水吸收。在所有的频率上，无线电波易受发动机和其他电子设 备的干扰。我国水利系统用的较多的是超短波通信。 1 5 3 微波传输 在】0 0 m h z 以上，微波沿着直线传播，因此可以集中于一点。通 过抛物状天线( 像常见的卫星电视接收器) 把所有的能量集中于一小 束，便可以获得极高的信噪比，但是发射大线和接收天线必须精确地 对准。除此以外，这种方向性使成排的多个发射设各可以和成排的多 个接收设备通信而不会发生串扰。在光纤出现以前，几十年来这种微 波构成了远距离电话传输系统的核心。 1 5 4 电话系统 当进行远距离通讯而且通信量不是太大时，可以采用公用电话 交换网进行通信。公用电话交换网是一种比较简单又廉价的通信网 络。现在分布广泛。在有些采集点如果铺设专线电缆太昂贵的话，可 以轻松的利用现成的电话网进行长距离的数据传输。 电话系统只需两根导线，其中的信号是模拟的，实际的话音信 号被作为电压从源端传输到目的地。要在电话网中传输计算机的数字 信号，必须通过一个调制解调器将其转换成模拟信号。经过调制后的 电话线数传速率一般只能达到5 6 k b p s 。所以适合于对数据的实时性要 u s b 接口电路的设计与实现一接收端的设计 求不高的场合。 1 5 5 其它通讯方式 ( 1 ) r s 一4 8 5 总线 r s 一4 8 5 总线是c c i t t 标准化v 1 1 x 2 7 兼容的平衡式电气 特性标准。这种标准应用集成电路技术，在一对平衡的互联电缆a 和 b 上传送差分信号，在接收端使用差分接牧器进行信号判决。在电缆a 和b 上，如果a 线的电位比b 线高0 3 v ，则发送的是逻辑“l ”：如嗓 a 线的电位比b 线低0 3 v ，则发送的是逻辑“0 ”。这种接口的抗干 扰性能很好，信号发送频率最高可达1 0 m h z 。在信号发送速率小于 1 0 0 k b p s 时，传输距离可大于1 0 0 0 米。r s 一4 8 5 接口在一个回路上可 以进行半双工通讯。所以只需要两根线就可以进行双向通讯，并可以 很方便的构成个一点对多点或多点之间相互通信的网络。 ( 2 ) 2 0 m a 电流环 2 0 m a 电流环采用电流信号控制，把2 0 m a 电流作为逻辑“卫”， 把零电流作为逻辑0 。采用这种通信接口，如果电流检测采用光电 耦合器件，就可以实现电气隔离，这在远距离布线中防雷击、防静电 击穿是非常有益的。这种接口抗干扰能力较好，传输距可达数千米， 传输速率一般不超过9 6 0 0 h p 。但是这种接口个回路只能作单工用， 如果需要双向通信就必须设两个回路，即用4 根线进行通信。这会引 起布线成本提高、维护工作量增大等问题。另外，使用2 0 m a 电流环， 只能进行点对点通讯，难以实现一点对多点或多点之间相互通信，所 以在实际上较少使用。 ( 3 ) 电力线载波通讯 电力线载波通讯技术出现于二十世纪二十年代初期。他以电力线 路为传输通道，具有通道可靠性高、投资少、见效快、与电网建设同 步等电力部门得天独厚的优点。在我国，从四十年代开始经过几十年 的发展，目前已具相当的规模和水平。电力线载波通讯的特点是通信 信道不稳定，尤其是2 2 0 v 低压电力线上的干扰非常大，备种用电设备 的通断会在线路山产生瞬时的脉冲干扰，这些于扰脉冲的峰值最高可 达上千伏：各种大功率开关器件的开关，产生很宽的频谱分布的驻波 u s b 接口电路的设计与实现一接收端的设计 干扰，载波信号衰减很快。因此，在低压电力线上进行通信，如何抑 制干扰，减少衰减，提高通信的可靠性是首先需要考虑的。其次不同 地方的低压电力线通信可能完全不同，使用线路的种类及线路上的负 荷情况都会对高频信号在电力线上的传输特性产生很大的影响即使 是同一段电力线路，其传输特性也会随各种电力负荷的投切而改变所 以通信设各的稳定性和适应不同线路的能力也是非常重要的为了满 足这些要求，除了应合理设计各部分电路外，还应合理的选择数据的 调制方式及纠错方法。目前电力载波通讯的研究方向主要是采用扩频 通讯以提高信号的抗干扰性。 第二章u s b 的通讯原理 u s b 是一种电缆总线，用于主机与可访问辅助设备的广泛的数据 交换。通过一个主机分配的令牌协议，辅助设备共享u s b 带宽。一个 u s b 系统可由三个方面定义：u s b 互联、u s b 设备、u s b 主机。 u s b 的互连包括了u s b 的拓扑结构( u s b 设备与主机之间的连 接模式) ，u s b 内层相关性( 每一层执行不同的u s b 任务) ，数据流模 式等。 u s b 的设备主要是h u b ( 线结点) 和功能模块。h u b 提供了u s b 终端到u s b 系统的附加点，是u s b 设备和主机之间的电气接口。h u b 有两个成分：h u b 收发器和h u b 控制器。其结构如图2 - l 所示。其中， 收发器负责联接的建立和撤除，而h u b 控制器为主机到h u 通信的机 制提供了状态和控制并允许主机对h u b 的访问。所有u s b 设备的 接入是通过h u b 来完成的。h u b 的状态指示器表明了u s b 设备的接 入或移开。接入时，主机对此端口使能并通过一个控制信道使用u s b 缺省的地址来对此设备寻址，然后对u s b 设备分配一个唯一的地址。 功能模块提供附加到u s b 系统的能力，如i s d n 连接的电话适配器等。 u s b 接口电路的设计与实现一接收端的设计 图2 1 h u b 的结构 在任何u s b 系统中，只能有一个主机。u s b 和主机的接口叫 u s b 主机控制器( 即r o o th u b ) 。 u s b 主机和u s b 设备之间是通过 主机控制器相连的。u s b 主机的主要结构如图2 2 所示。 图2 - 2u s b 的主机结构 u s b 主机主要负责：检查u s b 设备的接入与拆除：管理u s b 设备 和主机之间的控制流和数据流；提供u s b 设备一定的电源；等时和异 步传输的系统软件。 2 1u s b 的总线拓扑结构 主机跟u s b 设各互连采用分层星型拓扑结构。h u b 位于每个星型 的中心。主机、h u b 和设备相互之间都是点对点的连接。由于受到h u b 和电缆传输延时的限制，一个u s b 系统最多只能有七层a 通过使用集 线器h u b 扩展可外接多达1 2 7 个外设。如图2 - 3 所示。 u s b 接u 电路的设计与实现一接收端的设计 图2 3u s b 总线拓扑图 在u s b 2 0 中，高速方式下h u b 从全速和低速方式的信令环境独 立出来，图2 - 4 显示了高速方式下h u b 的作用。 图2 - 4 高速工作方式下h u b 的连接 2 2u s b 物理层特性 2 2 1u s b 的接口特性 物理u s b 连线使用一种专用的四芯电缆，如图2 - 5 所示。其中两 根传送的是5 v 的电源，有一些直接和电源h u b 相连的设备可以直接 利用它来供电。另外的两根是以差分数字信号的形式传送数据的数据 线。也就是说，两根导线上的电压幅度相同而相反，以便去掉加在两 根线上的相同噪声。数据线是单工的，在整个的一个系统中的任何两 u s b 接口电路的设计与实现一接收端的设计 个设备之间( 主机与h u b ，h u b 与h u b ，h u b 与功能块) 的数据速 率是一定的，要么是高速或全速，要么是低速。在这一点上，u s b 和 l3 9 4 有明显的差别1 9 】。 n 惦 脚 p 一 国辔 璺长s 米 v b 证； m i k - 姗 图2 5u s b 电缆结构 u s b 的总线可以在不使用的时候被挂起，这样一来就可以节约能 源。在有些时候的总线还有可能当机( s t a l l ) ，比如说数据传送的时候 突然被打断，这个时候只有通过主机的重新配置才可以实现总线的重 新工作。为了达到高码速率，u s b 规定电缆的物理特性必须很好地控 制。即使这样，最大传输距离也被限制为5 米。电缆长度受限的一个 原因是电源电压下降。所有导线都有压降，大小取决于导线尺寸。 u s b 提供了三种数据传输率： 1 5 m b s 低速模式，1 2 m b s 全速 模式，4 8 0 m b s 高速模式。这三种传输模式可同时运行于同一个u s b 系统中。u s b 信号线在高速和全速模式下必须使用带有屏蔽的双绞线。 u s b 常使用总线供电和自供电模式两种电源分配模式。总线供电 模式时，每个设备可以从总线上获得1 0 0 m a 的电流，如果特殊的向系 统申请，最多可以获得5 0 0 m a 的电流，在挂机的状态下，电流只有 5 0 0 u a 。 u s b 的电源管理通过u s b 主机完成，它独立于u s b 总线。u s b 系统和它的主机电源管理系统相互作用来处理系统电源的各种情况， 比如s u s p e n d 或r e s u m e 等。 2 2 2u s b 的驱动特性 u s b 总线采用差分方式驱动，接收和驱动电路分开。因为高速 方式是后来加入到u s b 标准，原来支持低全速的电路无法支持高速方 式，所以又加入了独立的高速接收和驱动电路。如图2 - 6 所示。下行 u s b 接口电路的设计与实现一接收端的设计 端口的收发电路中，连接至电缆的两根数据线在接口处都有一个下拉 电阻，一般总线差分阻抗为9 0n ，下拉电阻的阻值约为总线差分阻抗 的1 2 ，即4 5q i j 。 为了能高速传输数据，收发器就会通过内部一个电子丌关向两根 数据线输出电流。这样，收发器就在电缆上产生高速的j ，k 区状态。 连到d + 和d 一线的动态开关按照n r z i 数据编码方式输出数字信号。 对于信号j ，就将电流接入d + 线，如果是k 信号，就将电流接入d 一线。 在低速和全速方式下，驱动器静态输出低电平在通过1 5 kn 负 载接至3 6 v 的电源时最大输出值为0 3 v ，当通过1 5 k n 负载接地时 其高电平输出最小值为2 8 v 。减小电平转换的时延有利子减少噪声和 干扰。u s b 驱动器在d + 和d 一数据线上不允许同时高干o 8 v 。在输 出阻抗为3 9 q 的情况下，高低电平的转换时间不允许高于2 0 n s 。这种 情况下u s b 设备的最大输入波形如图2 7 所示。 6 u s b 接口电路的设计与实现一接收端的设计 + 皋w 图2 - 6u s b 的接口电路 7 u s b 接口电路的设计与实现一接收端的设计 刚气。 r _ k 霉麓n 蝴审 捌柚8 _ t n t k ) - i p 。 a - 1 0 r n d 礁基 磐怩it 抽 1 图2 7u s b 信号的最大输入波形 在全速驱动方式下，差分输出阻抗为9 0q ，在电缆上单程的时延 为2 6 n s 。当全速驱动器不与高速收发器兼容时，每个驱动器的阻抗 z d r v 必须介于2 8q 至4 4q 之间。如图2 1 0 的灰色区域所示。当用 c m o s 电路来实现驱动时，驱动器的阻抗必须小于该值，因为系统中 存在离散的串行阻抗。要保证其等效阻抗位于该区域内。驱动缓冲器 阻抗与串行阻抗r s 如图2 8 所示。 2 8 q 一4 4 q 的罄数越抗 d + 粼 孙 图2 - 8 用c m o s 实现的驱动电路 u s b 接口电路的设计与实现一接收端的设计 图2 - 9 显示了全速方式下带串行阻尼电阻的驱动器的复合电压 电流特性图。该特性为稳定状态且无负载输出。驱动的电压和电流应 完全在阴影区波动。在低电平和高电平的驱动下限分别有一个常值电 流1 6 ，l v o h im a 和一1 6 1 v o h im a 形成的交叉点，如图所示。只有 驱动电流达到该值，才能保证波形能正确传输到电缆的另一端。在进 行低电平测试时，设备的输入输出电流不应超过i 1 0 7 1 t v o h i m a ，加 在d + d 一两端的电压不应超过0 3 * v o h 在进行商电平测试时，电 压不应低于0 7 + v o h u s b 接口电路的设计与实现一接收端的设计 图2 - 9 显示了全速时的信号波形传输情况。 一 卞铡_ j 尸 ”一l 1 。、l l 、 f l 键螭 厂 l m s b ) 。 3 1 包的组成 包一般由同步域、p i d 、c r c 校验等组成。例如对u s b 数据包来 说，开头是1 个字节的同步域，接着是1 个字节的包标( p i d ) 。接着 是最多1 0 3 2 字节的数据域。最后两字节是c r c 校验，用于验证数据 传输的正确性。包标识域由它自己的冗余检查机制来决定。图3 1 给 出了u s b 数据包的图示。同步信号是一个能产生最大边沿翻转度的编 码序列。是在总线处于d 比状态时出现二进制串“k j k j k k ”表示。 输入电路系统用它来校正输入的数据与内部时钟同步。p i d 由4 位分 组类型域后跟4 位类型校验组成；4 位4 位类型位的相对位的补码。如 图3 2 ，当解码时，四位校验位不是其相对各位分组标示的补码时即产 生p i d 错。 i i 同步信号包舻蠛数据部分 l i - - e v t l 熵十扑蛹- - t p 1 0 2 补字节卜一l 蛹叫