USB、RS232 等接口电路设计要点

在当今的电子设备中，接口电路设计至关重要，它直接影响着设备之间的通信和数据传输。本文将详细介绍 USB、RS232、电平转换、PS2 以及 USB&GE 等接口电路的设计要点。

USB 接口设计

USB 总线是目前应用最为广泛的外设接口规范，随着技术的发展，其接口规范也从 USB1.0 逐步演进到 USB 3.2。

• USB 接口简介：USB 3.0 采用高速的全双工模式，增加了两对差分对，而 USB 2.0 在写数据时不能读数据，属于半双工模式。这一区别使得 USB 3.0 在数据传输效率上有了显著提升。

• USB3.0 介绍：USB3.0 提供了更高的每秒 5Gbps 传输速度，相比之下，USB2.0 仅为 480Mbps。它还对需要更大电力支持的设备提供了更好的支持，USB3.0 的总线电力供应可达 900mA，而 USB2.0 为 500mA。此外，USB3.0 增加了新的电源管理功能，除了激活 (ACTIVE) 和挂起 (SUSPEND) 之外，还支持空闲 (FASTEXITIDLE) 和睡眠 (SLOW EXIT IDLE) 两种电源管理模式。其采用对偶单纯形四线制差分信号线，支持双向并发数据流传输，这也是新规范速度猛增的关键原因。在原有 4 线结构（电源， 地线，2 条数据线）的基础上，USB 3.0 再增加了 4 条线路，用于接收和传输信号，不管是线缆内还是接口上，总共有 8 条线路。
  

• USB 接口设计：在进行 USB 接口设计时，需要充分考虑其电气特性和信号传输要求，确保数据的稳定传输。
  
  

RS232 接口设计

• 原理图：在 UART232 的设计中，串口上拉是一个重要的环节。UART232 的 RX 工作中处于输入状态，为了避免 RX 不定电平的噪声导致输入乱码等问题，加上拉可以确定电平。一般情况下，9、12 管脚处于浮空状态，外面的噪声可能会误触发成低或者高，从而误以为接收到数据。由于 232 协议输入信号以低电平作为数据接收的开始，加上拉就是为了在没有数据传输的时候保持高电平，使噪声成为无效传输。虽然 TX 上加也是可以的，但硬件工程师们通常默认在 RX 上接上拉电阻，当 RX 连接了其他工程师的 TX 时，就相当于对方的 TX 也上拉了。
  

• 基本参数：RS232 接口的基本参数包括载波检测 (DCD - Data Carrier Detect)、接受数据 (RXD - Receive Data)、发出数据 (TXD - Transmit Data)、数据终端准备好 (DTR - Data Terminal Ready)、信号地线 (SG - System Ground)、数据准备好 (DSR - Data Set Ready)、请求发送 (RTS - Request to Send)、清除发送 (CTS - Clear to Send) 以及振铃指示 (RI - Ring Indicator) 等。
  

电平转换 & PS2

• 电平转换：电平转换在电路设计中也非常重要。例如，将内部 1V8 转换成 3V3 ，B 端对外，并且 B 端的电压一定比 A 端高。还有一种情况，其中有一个管脚是 DIR 为方向控制的电路，只需要对 DIR 进行访问。如 B→A，只需要将 DIR 拉低。如果需要切换方向，可以将 DIR 接到 GPIO 控制电平。虽然很多单片机是支持容忍 5V 的，但为了电路的安全可靠，还是需要加上一个电平转化。
  
  

• PS2 接口：PS2 接口由数据、时钟、电源、地组成，是一个非常老式的接口。对外的接口通常会放置一些 ESD，并加上附近的小电容防静电，大电容滤波。磁珠是最好的隔离外壳地和信号地的元器件。
  

USB&GE 接口

• GigE 接口电路设计：在 GigE 接口电路设计中，需要注意 GMAC 是差分走线，并在变压器在 PCB 布线时挖空。因为变压器里面是线圈，会干扰到地，使地不再是干净的信号地。
  

• USB 接口电路设计：包括 USB2.0 原理图、变压器以及主从区分等方面。在区分主从时，是因为信号线里面有 ID 来区别。当设备又做主又做从时，可以将 ID 接到 MCU 的 GPIO ，置高为主，置低为从。
  
  
  
  

• DVI/HDMI 接口设计：在 DVI/HDMI 接口设计中，EEPRAM 中存储的是显示器 ID ，告诉 MCU 后，显卡就去读取适配显示器。同时，还需要注意做 ESD 和阻抗匹配，进行电平转换。RGB 最后转换成模拟信号，是高速的敏感的模拟信号，需要按模拟信号的要求去走线，如和数字信号隔离、模拟地和数字地要单点接地、走线最好走弧形线、包地（防止电磁干扰）等。

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