USB系列之第二章：硬件

发布人：电子资料库时间：2022-09-02 来源：工程师发布文章

连接器

所有设备都有到主机的上游连接，所有主机都有到设备的下游连接。上游和下游连接器在机械上不可互换，因此消除了集线器上的非法环回连接，例如连接到下游端口的下游端口。通常有两种类型的连接器，称为A型和B型，如下所示。


A型USB接口	B型USB接口

A型始终面向上游堵头。类型A套接字通常会在主机和集线器上找到自己。例如，A型插座在计算机主板和集线器上很常见。B型插头总是连接在下游，因此设备上有B型插座。

有意思的是，在一些电脑商店里可以找到A型到A型的直连电缆和一系列USB性别转换器。这与USB规范相矛盾。A型插头到A型插头设备的唯一一种是用于将两台计算机连接在一起的网桥。其他禁止使用的电缆是一端有插头（a型或B型）另一端有插座的USB分机。这些电缆违反了USB的电缆长度要求。

USB2.0包含勘误表，介绍了迷你USB B连接器。有关这些连接器的详细信息，请参阅Mini-B连接器工程变更通知单微型连接器背后的原因来自于一系列微型电子设备，如手机和组织者。目前的B型连接器太大，不容易集成到这些设备中。

最近发布的随动规范点对点功能。这将USB主机引入到移动电话和电子设备中，因此包括了mini-a插头、mini-a插座和mini-AB插座的规范。我想我们应该很快淹没在迷你USB电缆和一系列迷你到标准转换器电缆。

管脚编号	电缆颜色	功能
1	红色	VBUS（5伏）
2	白色	D-
3	绿色	D
4	黑色	接地

标准的内部电线颜色用于USB电缆，使其更容易识别不同制造商之间的电线。本标准规定了电缆的各种电气参数。这是有趣的阅读细节的原始usb1.0规范包括。你会理解它指定了电气属性，但是第6.3.1.2段建议USB电缆上二次成型的建议颜色应该是霜白色-多无聊！usb1.1和usb2.0比较宽松，推荐黑色、灰色或自然色。

印刷电路板设计人员希望参考第6章中的标准脚印和引线。

电气

除非你是为USB设备/收发器或USB主机/集线器设计硅，否则你不需要了解第7章中的电气规格。我们在这里简要说明要点。

正如我们所讨论的，USB对数据使用差分传输对。这是使用NRZI编码的，并且是位填充的，以确保数据流中有足够的转换。在低速和全速设备上，差分“1”通过将D拉到2.8V以上，用15K欧姆的电阻拉到地上，D-在0.3V以下通过1.5K欧姆电阻拉到3.6V来传输。另一方面，差分“0”是D-大于2.8V，D小于0.3V，具有相同的适当下拉电阻。

接收器将差分“1”定义为D 200mV大于D-，将差分“0”定义为D 200mV小于D-。信号的极性取决于总线的速度。因此，术语“J”和“K”状态用于表示逻辑电平。在低速下，“J”状态是一个差分0。在高速下，“J”状态是一个差分1。

USB收发器将具有差分和单端输出。某些总线状态由D+、D-或两者上的单端信号指示。例如，如果保持10毫秒以上，单端零点或SE0可用于表示设备复位。通过保持D-和D+低（<0.3V）产生SE0。如果您使用收发器和FPGA作为USB设备，则需要注意单端和差分输出。您不能仅对差分输出进行采样。

低速/全速总线的特性阻抗为90欧姆/-15%。因此，在为D和D-选择阻抗匹配串联电阻器时，必须遵守数据表。任何好的数据表都应规定这些值和公差。

高速（480Mbits/s）模式使用17.78mA恒定电流发送信号，以降低噪声。

速度识别

USB设备必须通过将D线或D线拉高到3.3伏来指示其速度。一个全速设备，如下图所示，将使用一个连接到D的上拉电阻器来指定自己为全速设备。主机或集线器还将使用设备端的这些上拉电阻器来检测是否存在连接到其端口的设备。如果没有上拉电阻，USB假设没有任何东西连接到总线上。一些设备的硅中内置了这个电阻器，可以在固件控制下打开和关闭，而其他设备则需要一个外部电阻器。

例如飞利浦半导体公司有一个软连接TM公司技术。当第一次连接到总线时，这允许微控制器在启用上拉速度识别电阻器之前初始化USB功能设备，指示设备连接到总线上。如果上拉电阻器连接到V公共汽车，则表示插入插头后设备已连接到总线。当微处理器还没有开始初始化usb功能设备时，主机可能会尝试重置设备并请求描述符。

其他供应商，如赛普拉斯半导体公司也使用可编程电阻器进行重新计数TM公司在他们的EzUSB设备中，一个设备可以枚举为一个功能，例如在现场编程，然后在固件控制下从总线断开，并作为另一个不同的设备枚举，所有这些都不需要用户抬起眼皮。许多EzUSB设备没有任何Flash或OTP ROM来存储代码。它们在连接时被引导。

图2：全速装置，上拉电阻器连接至D

图3：带上拉电阻器连接到D的低速装置-

您会注意到我们没有包括高速模式的速度标识。高速设备将以全速设备（1.5k至3.3V）的形式连接。一旦它被连接起来，它将在复位期间发出高速啁啾声，并在集线器支持的情况下建立高速连接。如果设备在高速模式下运行，则移除上拉电阻器以平衡线路。

支持高速模式不需要符合USB 2.0的设备。如果速度不重要，这就可以生产出更便宜的设备。对于不需要支持全速传输的低速usb1.1设备也是如此。

但是，高速设备不得支持低速模式。它应该只支持全速模式需要先连接，然后高速模式，如果成功协商后。兼容usb2.0的面向下游的设备（集线器或主机）必须支持所有三种模式，高速、全速和低速。

功率（VBUS)

USB的好处之一是总线供电的设备，即从总线获得电源的设备，不需要外部插头或额外的电缆。然而，许多人在没有考虑所有必要标准的情况下，就在这个选择上跃跃欲试。

USB设备在配置描述符中指定了它的功耗，以2mA为单位，我们将在后面详细介绍。即使设备失去外部电源，设备也不能增加其功耗（大于枚举期间指定的值）。有三类USB功能，

低功耗总线供电功能
大功率总线供电功能
自供电功能

低功耗总线供电功能从V公共汽车不能超过一个单位的负荷。USB规范将单位负载定义为100mA。低功耗总线供电的功能也必须设计成低至V公共汽车在装置的上插塞处测得的电压为4.40V，最大电压为5.25V。对于许多3.3V设备，LDO调节器是强制性的。

高功率总线供电的功能将从总线上获取所有电源，并且在配置之前不能消耗多个单元负载，之后，如果在描述符中要求，则可以排出5个单元负载（最大500毫安）。大功率总线功能必须能够在至少4.40V的电压下被检测和计数。在满负荷运行时，最小V公共汽车规定为4.75 V，最大为5.25 V。再次，在上游堵头处进行这些测量。

自供电功能可以从总线上提取1个单元负载，并从外部电源获取其余的电源。如果这个外部电源发生故障，它必须准备好从总线上提取不超过1个单元的负载。自供电功能更容易按照规范设计，因为功耗没有太大问题。1单元总线供电负载允许检测和计数没有主电源/辅助电源的设备。

没有USB设备，无论是总线供电还是自供电都可以驱动V公共汽车在它面向上游的港口。如果V公共汽车一旦丢失，该设备将有10秒的时间来切断用于速度识别的D/D上拉电阻器的电源。

其他V公共汽车考虑的是必须限制的涌流。USB规范第7.2.4.1段对此进行了概述，但通常被忽略。浪涌电流是由你的设备上的电容量在V之间产生的公共汽车和地面。因此，规范指定设备上的最大去耦电容为10uF。当电流流过感应式USB电缆后断开设备时，电缆的开口端可能会产生较大的反激电压。为防止出现这种情况，应使用1uF最小V公共汽车规定了去耦电容

对于典型的母线供电装置，其电流不能超过500mA，这是不合理的。你问的复杂程度是什么？可能是挂起模式？

暂停电流

所有设备都必须使用挂起模式。在挂起期间，其他约束将生效。最大悬浮电流与机组负荷成正比。对于1个单元负载设备（默认），最大暂停电流为500uA。这包括来自总线上的上拉电阻器的电流。在集线器上，D和D都有15K欧姆的下拉电阻。为了达到功耗的目的，设备上的下拉电阻与1.5K欧姆的上拉电阻串联，使得V上的总负载为16.5K欧姆期限通常为3.3v。所以这个电阻在我们开始之前就下沉了200uA。

许多设备的另一个考虑因素是3.3V调节器。许多USB设备运行在3.3V上。PDIUSBD11就是这样一个例子。线性调节器通常效率很低，平均静态电流约为600uA，因此需要更高效、更昂贵的调节器。在大多数情况下，您还必须减慢或停止微控制器上的时钟，使其在500uA的限制范围内。

许多开发人员在USB实现者论坛上问，超过这个限制有什么复杂之处？据了解，大多数主机和集线器都无法检测到如此严重的过载，因此，如果你消耗了5毫安甚至10毫安的电流，你还是应该没事的，记住，在一天结束时，你的设备违反了USB规范。然而，在正常运行中，如果您试图超过100mA或您指定的允许负载，那么希望集线器或主机检测到这一点并断开您的设备，以保证总线的完整性。

当然，如果你选择设计一个自供电的设备，这些设计问题是可以避免的。暂停电流对台式电脑来说可能不是一个大问题，但随着移动规范的引入，我们将开始看到USB主机内置在手机和移动组织者中。这些设备的耗电量将对电池的使用寿命产生不利影响。

进入暂停模式

当总线上没有活动超过3.0毫秒时，USB设备将进入挂起状态。然后，它还有7ms的时间来关闭设备，并消耗不超过指定的暂停电流，因此，必须在总线活动停止后10mS从总线上提取额定的暂停电流。为了保持与悬挂式集线器或主机的连接，设备在挂起期间仍必须向其上拉速度选择电阻器供电。

USB有一个开始帧包或保持活动在总线上定期发送。这可以防止空闲总线在没有数据的情况下进入挂起模式。