USB2514i USB HUB及其應(yīng)用

　　1 引言

　　通用串行總線(Universal Serial Bus，USB)是一種快速、雙向、同步、可動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的串行接口，廣泛應(yīng)用于個(gè)人電腦的外設(shè)連接。USB支持實(shí)時(shí)聲音、音頻數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)傳輸。而目前USB HUB(通用串行總線集線器)包含USB HUB和功能元件的USB設(shè)備不斷涌現(xiàn)。因此要求在USB主機(jī)和復(fù)雜外圍設(shè)備之間有一種高性能、高速的數(shù)據(jù)傳輸。SMSC的USB251x系列USB 2.0集線器控制器具有多功能、高性價(jià)比和低功耗等特點(diǎn)。該集線器控制器采用創(chuàng)新的MultiTRAK技術(shù)，能夠在混合速度的USB環(huán)境中提供行業(yè)領(lǐng)先的數(shù)據(jù)吞吐量，適用于為那些要求低功耗、小體積、高性能的應(yīng)用提供USB端口擴(kuò)展。

　　2 USB2514i簡(jiǎn)介

　　USB2514i是USB25lxi-temp系列中的一款，具有1個(gè)USB上行端口、4個(gè)USB下行端口的工業(yè)級(jí)USB2.0 HUB器件，每個(gè)下行端口最大工作電流可為500 mA，最高速率為480 Mb／s，并在全速USB1.1(傳輸速率為12 Mb／s)和低速USB1.0(傳輸速率為1.5 Mb／s)的基礎(chǔ)上提出第三種高速傳輸速率。USB2.0完全兼容USB1.1和USB1.0。USB HUB支持多個(gè)不同屬性的USB外部設(shè)備，分層星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)支持多達(dá)127個(gè)外部設(shè)備，為USB用戶提供方便、簡(jiǎn)捷的連接方式。同時(shí)USB2514i也支持熱插拔，即在不關(guān)機(jī)的情況下用戶可直接插入或拔出設(shè)備。

　　USB2514i的主要特性如下：4個(gè)下行端口；4個(gè)高性能的事務(wù)轉(zhuǎn)換器；36引腳QFN和48引腳QFN封裝；與USB2513i和USB2512i(36引腳QFN)的封裝相兼容；支持工業(yè)級(jí)的溫度范圍-40℃～85℃：MultiTRAK-每端口傳輸轉(zhuǎn)譯器，可在混合速度USB環(huán)境中提供最佳數(shù)據(jù)吞吐量；較低的工作電壓(5 V)；片上通電復(fù)位；集成1.8 V電壓調(diào)節(jié)器；完全集成USB終端和上拉／下拉電阻；板上24 MHz晶體振蕩器驅(qū)動(dòng)器或外部24 MHz時(shí)鐘輸入；USB主機(jī)／設(shè)備速度指示器，每個(gè)端口具有3種顏色的發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)器指示USB主機(jī)／設(shè)備的連接速度；其中，高速(480 Mb／s)，全速(12 Mb／s)，低速(1.5 Mb／s)(48引腳QFN封裝)；增強(qiáng)型EMI抑制和ESD保護(hù)。

　　3 USB2514i內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　USB2514i的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，包括轉(zhuǎn)發(fā)器(HUB Repeater)、控制器(HUB Controller)和處理翻譯器(Transaction Translator，TT)。USB2514i工作在信號(hào)傳輸、重新啟動(dòng)和等待3種狀態(tài)，支持高速、全速和低速3種傳輸速率。其傳輸速率取決于面向主機(jī)的上行端口系統(tǒng)的連接狀態(tài)和面向USB設(shè)備的HUB下行端口外圍設(shè)備的傳輸狀態(tài)。當(dāng)HUB上行端口連接高速系統(tǒng)時(shí)，HUB必須工作在高速狀態(tài)；當(dāng)HUB的上行端口連接全速系統(tǒng)時(shí)，HUB必須工作在全速狀態(tài)。HUB Repeater負(fù)責(zé)HUB上行端口和HUB下行端口工作在同一傳輸速率的連通性。HUB Repeater必須有1個(gè)端口連接至上行端口，并有1個(gè)或多個(gè)端口連接至下行端口。HUB Controller提供主機(jī)到HUB的狀態(tài)和控制。當(dāng)HUB工作在高速傳輸狀態(tài)而同時(shí)又有全速或低速的外圍設(shè)備與HUB相連時(shí)，處理翻譯器則把高速信號(hào)分類處理并將其翻譯成全速或低速處理信號(hào)。當(dāng)一個(gè)外圍沒(méi)備與HUB的下行端口相連時(shí)，工作速率決定其路由邏輯是連接至HUB轉(zhuǎn)發(fā)器還是HUB處理翻澤器。

　　SIE主要負(fù)責(zé)物理層和協(xié)議層的協(xié)議解析，控制器主要負(fù)責(zé)設(shè)備層的協(xié)議解析，緩沖區(qū)是SIE和控制器之間通信的橋梁，SIE把接收到的數(shù)據(jù)包存放在緩沖區(qū)中供控制器讀取，控制器把需要發(fā)送的數(shù)據(jù)存放在緩沖區(qū)中供SIE讀取。

　　SIE模塊的主要功能包括：包的解析與組織，PID檢測(cè)、產(chǎn)生，CRC校驗(yàn)碼的識(shí)別、產(chǎn)生，地址檢測(cè)，數(shù)據(jù)的串／并、并／串轉(zhuǎn)換，比特填充、提取，NRZI編、解碼，時(shí)鐘與數(shù)據(jù)的分離等。在SIE中存在多個(gè)異步的時(shí)鐘區(qū)域，典型的SIE都包含如下時(shí)鐘區(qū)域：主機(jī)的12 MHz時(shí)鐘，即從接收到的數(shù)據(jù)流中提取的數(shù)據(jù)時(shí)鐘。本地48 MHz全局時(shí)鐘和本地12 MHz發(fā)送時(shí)鐘(由48 MHz全局時(shí)鐘4分頻得到)。SIE與其他模塊的接口時(shí)鐘，主要是SIE與控制器之間關(guān)于緩沖區(qū)和接口寄存器的讀寫(xiě)握手信號(hào)。

　　其時(shí)鐘區(qū)域最難實(shí)現(xiàn)同步的是本地時(shí)鐘和主機(jī)時(shí)鐘。本地時(shí)鐘和主機(jī)時(shí)鐘是由兩個(gè)不同的晶體振蕩器產(chǎn)生，它們之間可能存在±0.25的誤差，所以SIE必須采用適當(dāng)?shù)姆椒▽?shí)現(xiàn)位同步。一個(gè)典型的位同步方法就是采用一種特定結(jié)構(gòu)的數(shù)字鎖相環(huán)(PLL)。

　　4 USB2514i的應(yīng)用電路

　　4.1應(yīng)用電路

　　圖2所示為USB2514i的應(yīng)用電路。其電路外部供電電壓為5 V是由PQlL333M2SP轉(zhuǎn)換為3.3 V提供。4個(gè)USB下行端口的供電引腳分別經(jīng)過(guò)兩片MIC20261BM，其內(nèi)部具有限流保護(hù)電路，當(dāng)電路由于短路等原因?qū)е码娏鬟^(guò)大時(shí)，MIC20261BM能夠自動(dòng)切斷USB下行端口的供電引腳，從而有效保護(hù)設(shè)備和負(fù)載。通過(guò)設(shè)置USB下行端口的數(shù)據(jù)引腳(D+、D-)是否上拉可以控制USB下行端口是否使能。

 　　4.2 PCB設(shè)計(jì)

　　在PCB設(shè)計(jì)中，應(yīng)著重考慮如何提高USB2.0信號(hào)的傳輸質(zhì)量，減小電磁干擾(EMI)和靜電干擾(ESD)。在電路設(shè)計(jì)中，為了減小高頻干擾，提高速信號(hào)的傳輸質(zhì)量，在數(shù)字電源和數(shù)字地之間應(yīng)盡可能多放置去耦電容；在靠近USB2.0處多放置旁路電容，如果使用表面貼電容，則應(yīng)盡可能擴(kuò)大焊接點(diǎn)。在PCB設(shè)計(jì)中，首先限定USB2.0的2條差分對(duì)信號(hào)線D+／D-以及高速時(shí)鐘線的長(zhǎng)度，使布線最短；保持D+／D-2條信號(hào)線相同，且始終平行；盡可能增大每對(duì)兒信號(hào)線間和每對(duì)兒信號(hào)線與其他信號(hào)線間的距離．2條差分對(duì)信號(hào)線D+／D-、高速時(shí)鐘線的距離越遠(yuǎn)越好；在可能的情況下，將USB2.0信號(hào)線布在靠近共地層；不要將USB布線在晶體振蕩器、時(shí)鐘和磁性設(shè)備或IC的下面；在只能用90°轉(zhuǎn)角布線時(shí)，可利用2個(gè)45°轉(zhuǎn)角代替1個(gè)90°轉(zhuǎn)角。