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、可動態(tài)監(jiān)測的串行接口，廣泛應(yīng)用于個人電腦的外設(shè)連接。USB支持實時聲音、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、高性價比和低功耗等特點。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端口擴展。

　　2 USB2514i簡介

　　USB2514i是USB25lxi-temp系列中的一款，具有1個USB上行端口、4個USB下行端口的工業(yè)級USB2.0 HUB器件，每個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個外部設(shè)備，為USB用戶提供方便、簡捷的連接方式。同時USB2514i也支持熱插拔，即在不關(guān)機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個下行端口；4個高性能的事務(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)動器或外部24 MHz時鐘輸入；USB主機／設(shè)備速度指示器，每個端口具有3種顏色的發(fā)光二極管驅(qū)動器指示USB主機／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)；增強型EMI抑制和ESD保護。

　　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工作在信號傳輸、重新啟動和等待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，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，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個端口連接至上行端口，并有1個或多個端口連接至下行端口。HUB Controller提供主機到HUB的狀態(tài)和控制。當(dāng)HUB工作在高速傳輸狀態(tài)而同時又有全速或低速的外圍設(shè)備與HUB相連時，處理翻譯器則把高速信號分類處理并將其翻譯成全速或低速處理信號。當(dāng)一個外圍沒備與HUB的下行端口相連時，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、產(chǎn)生，CRC校驗碼的識別、產(chǎn)生，地址檢測，數(shù)據(jù)的串／并、并／串轉(zhuǎn)換，比特填充、提取，NRZI編、解碼，時鐘與數(shù)據(jù)的分離等。在SIE中存在多個異步的時鐘區(qū)域，典型的SIE都包含如下時鐘區(qū)域：主機的12 MHz時鐘，即從接收到的數(shù)據(jù)流中提取的數(shù)據(jù)時鐘。本地48 MHz全局時鐘和本地12 MHz發(fā)送時鐘(由48 MHz全局時鐘4分頻得到)。SIE與其他模塊的接口時鐘，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握手信號。

　　其時鐘區(qū)域最難實現(xiàn)同步的是本地時鐘和主機時鐘。本地時鐘和主機時鐘是由兩個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▽崿F(xiàn)位同步。一個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USB下行端口的供電引腳分別經(jīng)過兩片MIC20261BM，其內(nèi)部具有限流保護電路，當(dāng)電路由于短路等原因?qū)е码娏鬟^大時，MIC20261BM能夠自動切斷USB下行端口的供電引腳，從而有效保護設(shè)備和負(fù)載。通過設(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

　　在PCB設(shè)計中，應(yīng)著重考慮如何提高USB2.0信號的傳輸質(zhì)量，減小電磁干擾(EMI)和靜電干擾(ESD)。在電路設(shè)計中，為了減小高頻干擾，提高速信號的傳輸質(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)盡可能擴大焊接點。在PCB設(shè)計中，首先限定USB2.0的2條差分對信號線D+／D-以及高速時鐘線的長度，使布線最短；保持D+／D-2條信號線相同，且始終平行；盡可能增大每對兒信號線間和每對兒信號線與其他信號線間的距離．2條差分對信號線D+／D-、高速時鐘線的距離越遠(yuǎn)越好；在可能的情況下，將USB2.0信號線布在靠近共地層；不要將USB布線在晶體振蕩器、時鐘和磁性設(shè)備或IC的下面；在只能用90°轉(zhuǎn)角布線時，可利用2個45°轉(zhuǎn)角代替1個90°轉(zhuǎn)角。