USB-Hub-的设计与生产-毕业实习报告

毕业实习报告 题 目： USB Hub 的设计与生产 姓 名：专 业：电子信息工程班级学号：指导教师： 科技学院信息工程系2010年10月05日前言本次毕业实习地点为深圳市威鑫联电子有限公司，该公司是一家集专业设计开发、生产、销售各种精密连接器和接插件的专业厂商。产品广泛应用于计算机主机板、液晶显示器、电讯卡、存储器、移动硬盘、读卡器、数码相机、MP3、PDA、液晶电视、交换机、汽车防盗器、可视电话、无线电话及各种通讯设备产品上。公司本着产品专一、专业、专注的特点为，主要与国内大中型知名企业和国际著名跨国公司合作，其产品远销欧美，日韩，新加坡及香港台湾等等国家和地区，分别于香港，台湾，上海，北京等地设立分公司。公司自创建以下，积极倡导以人为本，科技创新的穞理念，积极追求产品的科技会计师和完美的产品质量，引进国外先进的生产设备和检测设备，拥有先进的模具设计、开发及制造能力。公司目前已成为有资源保证和品质保障、技术力量雄厚、生产检测设备、实行现代企业管理制度、具有先进电子通讯信息和电子商务平台的外向型企业。本着立足深圳放眼全球的信念，威鑫联人正以创新、诚信、务实的工作态度，以实行品牌战略为宗旨，竭诚为客户提供优质满意的服务。目录第一章 设备组成、工作原理及用途.3第2章 产品的开发和生产工艺过程及产品结构.8第三章 毕业实习总结和体会.12第四章 实习工作建议.13第五章 附录.14第1章 设备组成、工作原理及用途一、设备组成 USB主机、USB集线器和USB设备是USB总线系统的3个主要组成部分。USB集线器是一类特殊的USB设备，USB集线器在整个USB系统中起着非常重要的作用。USB集线器是串联在USB总线系统上的，所有的USB设备都是通过USB集线器连接到USB总线上的。USB集线器包括3种主要部件：一个集线器中继器（Repeater）、一个集线器控制器（Controller）和多个端口（Port）。图1是7端口的USB集线器的基本结构。 图1 USB集线器基本结构 1USB集线器端口在USB协议中USB设备与USB集线器的连接点被称为端口（Port），每个USB集线器将一个连接点转化成多个连接点。每个USB集线器都包含上游端口（Upstream Port）和下游端口（Downstream Port）。上游端口是面向USB主机（HOST）方向进行连接的，而下游端口是面向USB设备进行连接的。下游端口允许连接另外的集线器或USB设备。除了根集线器外，每个USB集线器都包括一个惟一的上游端口和一个以上的下游端口。USB集线器可以检测每个下游端口的设备的连接和断开，并为下游端口的USB设备提供电源，每个下游端口都具有独立的能力，不论全速和低速USB设备均可连接，USB集线器可以将全速和低速端口的信号分开，并做相应的处理。在USB集线器上电后，USB集线器的上游端口需要一直处于启用状态，以便与USB主机进行数据传输；而下游端口在正常工作的过程中可能会处于以下4种状态之一： （1）启用状态（Enable State）：在该状态下，USB数据包可以在端口上传输。 （2）无效状态（Disable State）：在该状态下，USB数据包不能在该端口上传输，只能通过USB主机对集线器的控制命令来启用该端口。 （3）挂起状态（Suspended State）：在该状态下，USB设备可以通过发送总线恢复信号来使能该端口。 （4）无连接状态（Disconnected State）：在该状态下，USB集线器端口处于悬空状态，无任何设备连接。 2USB集线器中继器USB集线器中继器连接在上游端口和下游端口以及上游端口和集线器控制器之间。它的作用就是传输上游端口和所有下游端口之间，以及上游端口和集线器控制器之间的数据包。当集线器中继器从上游端口接收到的数据包是针对该USB集线器自身的数据传输时，如查询集线器状态、配置集线器端口等，集线器中继器负责将数据包转发给集线器控制器。当集线器中继器从上游端口接收到的数据包不是针对该USB集线器自身的数据传输时，集线器中继器负责将数据包转发给所有处于启用状态的下游端口。 3USB集线器控制器USB集线器控制器负责管理USB主机和USB集线器自身的数据通信，使USB主机能正常访问集线器。另外，集线器控制器还负责对下游端口的控制，包括检测在USB集线器下游端口上设备的连接和断开。对于连接到下游端口的USB设备，集线器控制器负责诊断出其数据传输的速率（全速或低速设备）。同时集线器控制器控制每个下游端口是否处于启用状态，并可控制端口的挂起和恢复操作。二、工作原理 常用的USB集线器（基于USB l . l协议)的控制芯片有:Alcor Micro公司的AU9254,Atmel公司的AT43301, Genesys Logic公司的GL650USB,GL651USB, Motorola公司的MC、 MC, Philips公司的PDlUSBH11等等。GL650芯片是一个具有5个端口的USB集线器，其主要是有一个上行端口和四个下行端口。每个下游端口都有电源开关控制和电流过载检测。它主要运用一个类似于八位的RISC对主机的命令进行编码和解码。GL650的设计主要用于独立的集线器，也可以集成到PC机的主板或者任何其他器件上以支持USB集线器的功能。该芯片能够在不需要重新拔出和插入而自动在自行供电和总线供电之间进行切换。 GL650芯片能够被设置成单独模式或者是组的模式以用来对下行端口的器件进行电源管理。为了防止不正常的下游端口器件的电流消耗，GL650芯片通过读入电流溢出标志位来提供电源使能标志位。通过LED闪亮来支持智能通信指示，数据通信流过端口的速度越快，端口指示LED的闪亮的频率越高。当USB被挂起时，GL650将自行关掉LED并且停止运行时钟以减少电源的损耗。单芯片集成的USB集线器控制器大大节省了开发USB集线器的成本。L650USB完全兼容USB1. 1协议，内建了3. 3V电压转换，这样减少了USB集线器的开发成本。GL650USB采用48管脚的LQFP封装。GL650的管脚定义如图2中所示。 图2 GL650芯片管脚示意图 以GL650USB为集线器控制器的原理图3。其中，USB_ DP、USB_ DM为USB集线器的上游端口，USB1-4_DP、USB1-DM为集线器的4个下游端口。 XTAL1, XTAL2需要外接12M的晶振。GL650U SB在15管脚(VCC3V)能够输出3. 3V电压为上游端口D+的上拉电阻提供3. 3V电压。这样不用外接3. 3V电源，只需要从上游端口引入5V电源即可使集线器工作，从而可以减少生产成本。 USB集成器是一个标准类型的USB设备，且大多数操作系统都支持该类USB设备驱动程序，所以不必再设计PC机端的特定设备接口的驱动程序。将USB集成器直接和PC机相连，PC机自动识别。这样一个USB1.1协议、拥有四个下游端口的USB集线器设计完成。 图3 GL650USB为集线器控制器的原理三、用途从根本上讲，USB集线器的设计是USB总线拓扑结构的必然产物。USB集线器具有如下几个功能： 1连接功能 所有系统中的USB设备都是连接在USB集线器所提供的下游端口上。根据USB协议，USB设备与USB集线器之间的连接长度不能超过5m，如需要更长距离的数据通信，则可通过级联USB集线器的方式来增加传输距离，但考虑到系统延时，USB集线器的级联不能超过5级，也就是说USB设备与USB主机的传输距离不能超过30m。 2电源管理功能电源管理功能使USB总线区别于以往计算机外设接口总线的一大特点，也是实现即插即用的一个重要条件。USB协议将电流分成负载单元，每个单元的负载是100mA，USB设备可以根据需要，最大获得500mA的电流。当集线器刚刚接入到某个上游集线器的下游端口上或系统重启动时，它会从上游集线器的端口上获得不超过一个负载单元的电流。当正常工作时，集线器会从上游集线器的端口上申请获得5个负载单元的电流。从电源的提供方式上，集线器分成自供电和总线供电两种。总线供电的集线器为其下游端口提供的最大电流为100mA，而自供电集线器为下游端口提供的最大电流为500mA。 3总线的错误检测和恢复功能 作为USB设备与系统总线的连接点，USB集线器必须能够及时地检测到总线或内部部件的错误，并能从错误中恢复过来，避免出现死锁等现象。 （1）控制器的错误恢复。一个集线器控制器可以对包传输的破坏进行响应，并能从中恢复过来。它能够对令牌包、数据包和握手包的错误都做出反应。对于所有包的包标识错误，控制器会检测包标识的检验位，如果出错，就忽略此包。对于令牌包的数据部分错误，控制器同样忽略此包。当数据包的数据信息出现CRC错误时，控制器会丢弃此数据包。 （2）中继器的错误恢复。集线器能够检测出包结尾（EOP），并能够从无限期的等待中或者一帧的结束时，总线所处的某个非空闲的状态中恢复回来。有两种集线器的故障情况：动作丢失（Lack of Bus activity）和串扰（Babble）。动作丢失表示在检测到包起始（SOP）后，缺少了必备的总线活动或在一帧的结束时没有检测到包结尾信号（EOP）。串扰表示包起始后出现了跨越一帧的终点而继续进行此包的传输。集线器不了解所分配的带宽，必须依赖自己的帧定时器（frame Timer）来检测到动作丢失和串扰。 （3）集线器的同步。每个集线器都有一个帧计时器，它的时钟来自集线器自身的时钟，并通过检测来自于主机的帧起始（SOP）包与主机的时钟同步。它在一定周期内跟踪主机的帧起始包，每次检测到了一个帧起始包时都会重新复位，并负责产生帧结束的时刻。帧计时器要求有对丢失至多两个连续的帧起始包的情况做出错误恢复的功能。当集线器和主机的同步存在偏移时，帧计时器必须仍能够和主机重新同步。 4对全速和低速设备的支持功能基于USB1.1协议，USB系统同时支持全速和低速设备，除了能够对设备的传输速率进行检测外，还要支持不同速率的数据传输。对设备的速率的检测是由设备上的上拉电阻决定的。图2显示了全速设备的电阻连接结构，它的上拉电阻（Rpu）是连接在D+线上的。而低速设备中的上拉电阻（Rpu）是连接在D-线上的，如图3所示。当设备插入到集线器的一个下游端口时，集线器向主机汇报新设备的接入事件，主机端的集线器的驱动程序向此集线器发出SetPortFeature(PORT_RESET)类命令，要求集线器启用连接端口。然后集线器开始对设备的速率进行检测。它根据总线的D+和D-线的电压决定设备是全速设备还是低速设备。对于接收来自USB主机数据包的Hub的上游端口，集线器需要能够处理来自主机的PRE令牌包，并进行相应的全速/低速间的转换 5对设备连接/断开的处理当一个USB设备连接到USB总线上或者断开与USB总线的连接时，USB集线器必须负责检测到这一状态变化，并通过USB主机对集线器的数据访问请求，将端口的状态变化通知给USB主机。在集线器的设备类中，除了用于控制传输的端点0外，每个集线器还有一个中断类型的端点：“状态变化端点”。主机通过这个状态变化端点来接受集线器和其各个下游端口的状态变化。 6集线器的挂起和恢复功能为了省电，集线器支持对传输的挂起，它的上游端口检测总线的空闲时间超过3ms时，集线器就会进人挂起状态。当进入挂起状态时，集线器保持其所有下游端口的当前状态，如果在工作状态接收到SetPortFeature(Port_suspend)命令主动挂起某个端口，则此端口进入挂起状态，其他端口状态不受影响。当端口接收到ClearPortFeature(Port_suspend)命令时，会从挂起状态中恢复到工作状态，如果集线器检测到恢复信号时，它就会返回工作状态。当集线器接收到唤醒信号或硬件重启信号时，都会使集线器恢复到工作状态。第2章 产品的开发和生产工艺过程及产品结构1、 产品的开发一个USB设备能够正常工作需要有PC机和USB设备双方共同的软硬件支持USB集线器的硬件结构由集线器中继器、集线器控制器和端口组成。在硬件方面，PC机必须提供USB主机和USB集线器端口，而USB设备提供USB接口。下面是USB 集成器的总结构图如图4： 图4 USB 集成器的总结构图在软件方面，PC机必须包含USB系统软件、设备的客户端驱动程序和应用软件，而在USB设备端，必须包含设备功能软件、端点0和其它非0端点，非0端点被用来支持特定功能的数据传输。USB系统软件根据功能分成USBD和HCD上下两部分。HCD为上层提供了主机控制器的抽象以及数据在总线上传输的抽象。USBD为上层的客户端驱动程序提供了USB设备的抽象，并在客户端驱动程序和所驱动的设备之间提供了数据传输的抽象。USB集线器客户端驱动程序是一个特殊的客户端驱动程序。当集线器接收到设备的接入时，会由集线器的客户端驱动程序调用USB系统软件提供的功能完成对设备的配置，配置程序通过创建默认控制管道与设备建立联系，获得设备的各种描述符，然后配置程序会为设备的每个接口提供匹配的客户端驱动程序。客户端驱动程序从用户的角度看相当于传统意义上的设备驱动程序。不过设备端不同的接口对应不同的客户驱动程序，如果设备只有一个接口，那么从用户来看，两者是一样的。客户端驱动程序通过USB系统软件提供的接口与设备交互，而不是通过过去的I/O地址或端口访问设备。在PC机端，操作系统（如Windows和Linux等）一般都支持HCD、USBD和标准的设备类驱动程序。如果设计一个标准类型的USB设备（如HID设备、存储设备等），且PC机的操作系统支持该类USB设备驱动程序，则不必再花费力气设计PC机端的特定设备接口的驱动程序。由于USB总线具有即插即用、总线供电等诸多优势，但也有数据传输带宽、数据传输距离等限制。因此，在USB设备设计之前必须对设备接口的需求进行分析。USB设备的开发流程如图5所示，采用并行模式的系统开发方式，软硬件同时进行，可以大大缩短设备的开发周期，提高产品的开发效率。 图5 USB设备开发流程图2、 生产的工艺 手工制作的通用串行总线集线器（USB HUB）的产品会经过如下几个过程：通用串行总线集线器的设计、印刷板及其设计与制作和焊接。 1、通用串行总线集线器的设计 将公司开发部USB Hub的原理路图做了一部分的修改，形成本次实习的通用串行总线集线器的电路原理图。具体内容上面已经说明，在此不做赘述。 2、印刷板及其设计与制作 a、印制电路板的结构 印制电路是在一块平面绝缘板上印制成电路，所印制的一般都是导线，挟制有电路的平面板即称为印制电路板，简称为印制板。印制电路板的材料主要是敷有铜箔的层压纸板与玻璃布板，称为敷铜板。也有用聚四乙烯和高频陶瓷做基板，这种材料介电常数及介质损耗很小。 b、印制电路板的排版设计在电子产品和设备中，印制电路板起到电气和机械的双重作用。因此如何将电路中的元器件按照要求在印制板上排列并组成有实用价值的电路板，这便是排版。印制板图的绘制一般需经过下列4个过程：1），整体布局与印制板结构的确定；2），绘制单线不交叉图；3），排版草图的绘制；4），印制板手工制作。c、印制板图的绘制将设计好的电路板转印到敷铜板上，并覆盖上保护层，再经过腐蚀、清洗、钻孔、抗氧化等工序后，便制成印制板。排版设计必须有合理的布局，同一个电路可以有多种布局方案，不同的布局方案所取得的实际效果也各不相同，实际上排版设计并无完全统一的公式可以套用，而只能在实践中积累经验。 在制作的电路板中，如果设计得不合理，会引起地线的共阻抗干扰、电源干扰、电磁干扰、等，为了消除或印制这些干扰，可以通过合理的设计布局来加以解决。 3、焊接 印制电路板上通常印制的是导线，将元器件按电路要求插在印制电路板的位置上，然后用熔化的焊锡把印制导线与元器件引脚连接牢的过程，称为焊接。手工焊接技术虽然不那么高深复杂，但却要掌握一定的工艺和技巧，否则焊接不牢，影响设备的正常工作，甚至造成元器件与印制电路板的损坏。 a、锡焊的概念 焊接方法有多种，在印制板与电子元器件的焊接中，主要是锡焊。所谓锡焊就是将熔点比焊件（即元器件引线，印制板的铜箔等母材）低的焊料、焊剂与焊件共同加热到一定温度，在焊件不熔化的情况下，使焊料熔化，浸润锡焊面，并扩散形成合金层，将焊件彼此连接牢。 b、焊接要求 焊接的好坏，直接关系到电子产品或制作的质量，必须严格要求。1，焊点要有足够的机构强度。为确保制品受到振动或冲击时不至脱落、松动，要求焊点机械强度好。2，焊点无虚焊，焊接可靠，确保良好的导电性能。在焊接过程中，要控制焊锡的用量。3，控制焊点的形状，表面圆而光滑、清洁、无毛刺、在焊接中，适量的焊剂是必不必不可不少的，但要适量。过量的松香使焊点表面及其周围不清洁，甚至会在加热不足之处夹杂到焊锡中形成“夹渣”。对于有松香芯的焊锡丝来讲，基本上可不别用助焊剂。4，控制焊接时间，能短则短。烙铁头应修整窄一些，使焊一个点时不会碰到相邻的焊接点。3、 产品结构 由手工做成的通用串行总线集线器（USB HUB）的产品及其结构如下所示：第3章 毕业实习总结和体会 通过阅读大量英文文献和中文资料，了解了UsB总线的基本知识，如USB的体系结构和特点包括总线特征协议定义传输方式和电源管理等等，对USB总线的基础知识、产生和发展，数据在USB总线上的传输机理，高速USB2. 0的数据传输能力，USB支持的控制传输、同步传输、块传输及中断传输4种传输类型，以及USB2. 0总线的应用场景有了更深的理解。还学习了Genesys Logic公司的GL650USB芯片的相关知识，以及如何去开发一个简单集线器的基本