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標題: USB的電氣特性 [打印本頁]

作者: 51黑黑黑 時間: 2016-2-12 19:22
標題: USB的電氣特性

USB電纜的4根線在USB中有固定不變的數(shù)字編號以及不同的顏色。這為電纜線的識別和使用提供了方便。下表列出了這些數(shù)字和顏色規(guī)定。這些數(shù)字與PCB尺寸中標注的編號也是一致的。

  USB設備和Hub采用2種供電模式，即自供電(Self Powered)和總線供電(BusPowered)。所謂自供電,是指該USB設備或Hub能夠自己提供電源，而無需從VBus上提取電流，這樣做的好處是該設備在工作時功率不必受USB協(xié)議的限制，可以根據(jù)自身電源的能力任意提取電流；但局限性也是顯而易見的，該設備必須帶有額外的電源設備，增加了體積和成本。而總線供電模式則為耗電量小的設備提供了一種方便的連接方式，能夠完全從USB總線的VBus獲得所需的電流，但是這樣的設備運行時所耗的功率受到USB協(xié)議的限制，不能無限制地從總線上取得電流。USB硬件電路的電源線路時需要十分小心，無論是總線供電還是自供電的USB設備或Hub，都只能從VBus獲得電流，而不能向VBus提供電流。
  USB供電的工作狀態(tài)也被分為2種，即正常工作(Normal)狀態(tài)和掛起(Suspend)狀態(tài)。如果總線供電設備在3ms內(nèi)沒有總線操作，即USB總線處于空閑狀態(tài)的話，該設備就需要自動進入掛起狀態(tài)。這時從總線上提取的電流必須小于500μA。在設備進入掛起狀態(tài)后,可以通過喚醒(Resume)操作來恢復到正常工作狀態(tài)。喚醒操作既可以由主機發(fā)送喚醒或復位信號來觸發(fā)，也可以由設備自行通過遠程喚醒來實現(xiàn)。處于掛起狀態(tài)的設備通過發(fā)送信號給主機，使得主機恢復處理其USB事務。這種遠程喚醒方式是所有USB事務中，惟一能夠由設備發(fā)起的事務。

即插即用：
  即插即用技術(shù)包含2個技術(shù)層面，即熱插拔和自動識別配置。熱插拔的關(guān)鍵技術(shù)在于電路接插件插、拔期間強電流的處理。即插即用另一個關(guān)鍵技術(shù)層面就是系統(tǒng)設備的自動識別。也就是說，主機系統(tǒng)在沒有人工干預的情況下，能夠自動檢測到設備的接入并能自動配置該設備,也能夠自動檢測到設備的拔出，從而釋放系統(tǒng)資源。USB主要是通過在信號線上的一些特殊處理來實現(xiàn)這一技術(shù)。在USB的4線電纜中傳輸信號的是D+和D-這一對差模信號線，該線上使用的是+3.3V的電平，而VBus是+5V。

由上圖可以看到，USB主機或Hub的下行端口的差模信號線D+和D-上均連接有一個下拉電阻，即圖中所示的R1，其阻值為15kΩ。R1一端連接到D+或D-，另一端接地。這樣，當該端口沒有連接任何USB設備時，D+和D-信號線上的電平都恒為0。另一方面，看到設備端的D+和D-信號線的其中一根線上連接有上拉電阻，即R2，其阻值為1.5kΩ。這里，需要特別注意的是，對于全速設備，這個上拉電阻R2是連接在D+信號線上的；而對于低速設備，R2則是連接在D-信號線上的。這也是USB主機識別設備速度的一個重要指標。這個上拉電阻一端連接在信號線上,另一端連接+3.3V。
前面已經(jīng)分析，USB主機和Hub的下行端口處于斷開狀態(tài)時，其D+和D-信號線電平將恒定為0。當USB設備連接到USB主機或Hub下行端口的一瞬間，USB設備端信號線上的上拉電阻將通過USB電纜線與USB主機或Hub端的下拉電阻組成分壓器,這樣會造成USB主機或Hub端信號線電平的上沖，這一過程如下所示。

由于全速設備的上拉電阻是連接在D+信號線上的，因此，當該設備接入時，USB主機或Hub的D+線將有一個從0電平到+3.3V的上沖過程。與此同時，D-信號線仍將維持電平0不變。這樣當USB主機或Hub不斷檢測其信號線狀態(tài)時，就能檢測到這個上沖過程，當這個上沖過程的有效段(如圖所示)持續(xù)2.5μs以上的時間，USB主機可認定有一全速USB設備接入。同理，低速設備也有這樣一個原理相同的接入過程，不同的是，發(fā)生電平上沖的是D-信號線，而D+信號線則基本維持0電平不變，這一點，與全速設備剛好相反。此外，USB協(xié)議2.0中定義了高速設備,其設備端的信號線機制與全速設備一樣，也是將D+信號線用1.5kΩ的電阻上拉至+3.3V。然后，USB設備將通過一套更加復雜的方式來通知主機自己的速度模式。
需要強調(diào)的是，在各種速度模式下，上拉電平+3.3V，一般需要通過VBus轉(zhuǎn)換而來，或者是受VBus的控制。這樣做的目的是，一方面使USB設備在沒有接入到USB主機或Hub之前，其信號線沒有電平上拉。另一方面，更重要的是，當設備連接到主機或Hub，并處于被枚舉的過程中時，有一個主機復位(Reset)設備的步驟。所謂復位,對于主機來說，包括兩個行為，一是設備斷開連接(與設備拔出相似，主機或Hub信號線上出現(xiàn)電平回落)，二是重新檢測到設備接入。這兩個過程都是要在設備實際沒有拔出的情況下完成，那么，當然能夠?qū)崿F(xiàn)的方法就是由主機來控制這個+3.3V的上拉電平。功能比較強的USB設備接口芯片,一般都提供這個+3.3V的上拉電平,當其接收到主機的復位命令后，就會自動切斷這個電平，從而順利實現(xiàn)復位。另外一種實現(xiàn)的方法，就是直接將VBus用電壓轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)為+3.3V。這樣，當主機發(fā)送復位命令后，+3.3V也會隨著VBus一起被切斷。

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