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USB11中文协议-4
USB技术
──USB的电气特性(之六)
南京大学计算机系 周玉军
USB(Universal Serial Bus,即通用串行总线)的电气特性主要是对信号的发送及电压分
布情况的描述。下面我们将分别对其进行详细介绍,首先来看看其信号的发送。
一、信号的发送
USB通常使用一种差分的输出驱动器来控制数据信号在USB电缆上的发送,在了解具体的信号发送之前,我们先来谈谈有关USB设备的特性。
(一)USB驱动器的特性及其使用
一个USB设备端的连接器是由D+、D-及Vbus,GND和其它数据线构成的简短连续电路,并要求连接器上有电缆屏蔽,以免设备在使用过程中被损坏。它有两种工作7状态,即低态和高态。在低态时,驱动器的静态输出端的工作电压Vol变动范围为0~0.3V,且接有一个15kΩ的接地负载。处于差分的高态和低态之间的输出电压变动应尽量保???平衡,以能很好地减小信号的扭曲变形。
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靠近设备的USB连接器上的D+或D_插口
USB设备
由于USB设备上的输入保护设备可能互相排斥,因此当观察数据的输入端口时,可能发现由电压生成器产生的信号波形可能会变形。
图1 USB信号发送的最大输出波形
在任何驱动状态下,USB设备必须能接收如图1所示的波形。这些波形从一个输出阻抗为3PΩ的电压源直接进入每一个USB数据口。
下面我们将分别对USB高速驱动器和低速驱动器的特性作一个介绍.
高速驱动器特性
一个高速USB设备的连接是通过阻抗为90Ω±15%,最大单路时延为26ns的屏蔽双绞线电缆进行的,其到达的最大速率为12Mb/s,并且每个驱动器的阻抗必须在28Ω~44Ω之间。图2描述了高速驱动器的信号波形。
低速驱动器特性
一个低速USB设备在插口端必须要有一个带有串行A口连接器的可控制电缆,其速率为1.5Mb/s。当电缆与设备相连时,在D+/D-线上必须要有一个200~450PF的单终端电容器。低速电缆的传播时延必须小于18ns,从而保证信号响在其上升沿或下降沿的第一个中点处产生,以允许电缆与一块电容器相连。图3列出了低速驱器的信号波形。
图4和图5分别列出了高速和低速USB设备在集线器的终端位置及其所连的功能设备。从图我们可以看出在电缆的下形端的电阻Rpu在两图中的连接位置是不同的:
单路长电缆时延
单电缆时延后经过信号端口的标准输入电平
图2 高速信号波形
接收器信号端口
驱动器信号端口
图3 低速驱动器信号波形
驱动器信号端口
经过信号端 的标准输出电平,并具有最小的映象和阻尼
·图4高速设备中的Rpu电阻是接在D+线上的。
·图5低速设备中的Rpu电阻是接在D-线上的。
主机/HUB口
图5 低速设备电缆和电阻连接
高低USB速发送器
低速设备
低速USB设备
慢速旋转缓冲器
高低速USB发送器
HUB上行端或高速设备
主机/HUB口
高速USB发送器
图4 高速设备电缆和电阻连接
·下行端口处的Rpu电阻是与地相连的,其电阻为15KΩ±5%。
这个Rpu电阻的选取要满足一定的条件,为了在一个复位操作结束后方便地确定可被执行的总线状态,那么选取Rpu时要能使D+/D-线上的电压在2.5us的最大复位松驰时间内可在0~Vih内自由变动。为了满足这一条件,带有可分电缆的设备必须使用加载电压在3.0~3.6V间阻抗为1.5KΩ±5%的电阻;而具有可控电缆的设备可以使用两种方法中的任一种。注意:终端电阻不包括主机/HUB上的15KΩ±5%的电阻。
所有集线器和高速的功能设备上行端口(朝主机方向的)必须使用高速的驱动器,上行集线器端口既可以高速又可以低速来传送数据,但是在信号发送时总是使用高速和边缘速率。低速数据的传输不改变驱动器的特性,低速设备的上行端口必须使用低速驱动器。
所有集线器(包括主机的)外部下行端口必须能适用于两种特性的驱动器,也就是说,任何类型的设备都能被插入这些端口中。当收发器工作在高速模式时,它使用高速和边缘速率来进行信号的发送;工作在低速时,它使用低速和边缘速率来发送数据。
(二)接收器特性
一个差分输入接收器用来接收USB数据信号,当两个差分数据输入处在共同的0.8~2.5V的差分模式范围时,如图6所示,接收器必须具有至少200mv的输入
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