USB相关知识.docx

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USB相关知识

一、USB相关知识

1、USB简介

可以说现在USB接口是目前大家使用最频繁的接口，而且是愈来愈有把所有接口都淘汰的趋势。

。

。

现在打印机、数码相机、U盘（闪存盘）、MP3 Player、鼠标、键盘、外置光驱、移动硬盘（外置硬盘）都使用了USB作为于计算机交换数据的接口；

以往大家使用 USB 接口的存储设备时，主要的原因是它随插即用、内含 5V 电源的便利特性。

但随着U盘、 MP3播放器，甚至MP4等产品的内存容量加大，与 USB 硬盘外接盒、 USB 光盘外接盒的普及，大容量的 USB 存储设备的使用已经十分普遍。

    虽然2000年4月时，USBIF（USB Implement Forum－USB执行委员会？

 ）就已经制定出 USB 2.0 ，现行市面上大部分计算机周边产品也都使用了USB2.0接口，但仍有不少产品仍然采用 USB 1.1 规格，这就给我们的选购带来了不少麻烦。

    现在，经常存取动辄 3 、 4G 硬盘数据的玩家，逐渐开始重视 USB 1.1 与 USB 2.0 的速度差异。

毕竟， USB 2.0 的传输速度是 480Mbps ，但 USB 1.1 的传输速度只有 12Mbps ，每秒的传输速度差距高达 40 倍，在时间就是金钱的时代，效率分外重要。

USB是通用串行总线（UniversalSerialBus）的英文缩写，它是通过PCI总线和PC的内部系统数据线连接，实现数据的传送。

USB同时又是一种通信协议，他支持主系统（host）和USB的外围设备（device）之间的数据传送，在USB的网络协议中，每个USB的系统有且只有一个host，因此，很多的朋友问我是否可以将两台PC的USB口通过A-A头连接起来，是否可以实现通信，这样是不行的，因为对于电脑主板上的USB设备，都是host,如果连起来就是两个host的通信，这样一来的一个USB的系统有了两个的host，与它的网络协议冲突。

Anchorchip出了一个可以直接连接的设备（好象是AN2720SC），实际上是一个由两个背靠背的USB的device组合起来的一块芯片；

2、USB接口的分类

按照以前的说法，有USB1.0、USB1.1和USB2.0三种接口方式，不过据称USB协会在2004年年底重新命名了USB标准：

将USB1.1的说法彻底取消了，所有的接口都统称USB2.0接口，现在的USB2.0标准按速度划分为三大类，具体的分类是：

       ●USB2.0HighSpeed：

理论速度是480Mbps，对应之前的USB2.0；

       ●USB2.0FullSpeed：

理论速度是12Mbps，也就是过去的USB1.1；

●USB2.0LowSpeed：

理论速度是1.5Mbps，这个一般用于鼠标、键盘等对速度要求不高的外部设备。

现在还有一种USBOTG，原来说是USB2.0的补充规格，也有人说是USB2.0的加强版，因为具有OTG功能的USB对我们的使用非常方便，而目前一般的便携设备上出现的还不是特别多，后面专门介绍一下。

3、USB接口的传输速度

连接类型

传输速率（兆位/秒）

串口

.92Mbps

标准并口

.92Mbps

USB1.0/1.1

1.5Mbps

USB2.0全速

12Mbps

ECP并口

24Mbps

IEEE1394（Firewire）

400Mbps

USB2.0高速

480Mbps

Bps指得是位每秒，如一首4分钟长128KBPS的歌曲大小为：

4*60*（128Kbps/8）/1024＝3.75M

USB接口支持1.5Mb/s（低速）、12Mb/s（全速）和高达480Mb/s（USB 2.0规范）的数据传输速率，扣除用于总线状态、控制和错误监测等的数据传输，USB的最大理论传输速率仍达1.2Mb/s或9.6Mb/s，远高于一般的串行总线接口。

例子：

目前市场上MP3播放器的接口都标明的是UBS2.0了，一些MP3播放器在包装盒上标明“USB2.0High”，有的标明“USB2.0Full”，而有的MP3则标的是“USB2.0，480Mbps”，这显然比较含糊，很容易蒙蔽消费者。

实际上在使用过程中可以看出，当写入的歌曲容量不大时，采用这两种USB2.0接口的MP3的写入时间相差还不很大，但当写入的歌曲容量较大时，写入的时间差别就比较大了。

如果用700KB/s甚至是300KB/s的速度来写入大容量文件的话，等待的过程是漫长的。

曾经有人专门测试过USB 1.1 与 USB 2.0 的传输速度，使用Windows XP 操作系统，主板支持USB2.0，且所有驱动程序都已安装成功，实测结果显示USB 1.1 的闪存盘，每秒的读取速度顶多只有 1,000kb/sec ；而 USB 2.0 的闪存盘，每秒的读取速度却可超 6,000 kb/sec 。

4、影响MP3的USB接口速度的因素（下面说的USB2.0均指高速版的USB2.0）

1.主板是否支持USB2.0，电脑配置的高低对传输速度的影响可以忽略不计。

       2.不同版本操作系统以及主板USB2.0驱动版本。

Windows98以下的版本及WIindowsNT都不支持USB2.0，对USB2.0支持得最好的是WindowsXPSP1及以上版本。

       3.MP3播放器采用的芯片也会影响传输速度。

采用“炬力方案”的MP3的传输速度就比较慢；而采用Telchips、SigmaTel、Philips这些芯片的MP3，传输速度明显有一定的提升。

并且采用不同型号芯片的MP3的传输速度也有差异，比如SigmaTel3520支持USB2.0HighSpeed，SigmaTel3502就只支持USB2.0FullSpeed，炬力ATJ2085支持USB2.0FullSpeed（现在有不少低价MP3都是采用的这款芯片）。

       4.MP3播放器的存储介质。

一般来说，采用硬盘存储介质的MP3的传输速度，比采用闪存存储介质的MP3要快一些。

       5.MP3播放器的固件。

在同一台电脑上拷贝歌曲，即使采用同样的芯片和介质，MP3的传输速度也有一定的差异。

MP3的新版本固件往往能修整旧版本固件在传输速度方面的BUG，让MP3的传输速度更快！

5、USB接口的优点

A、统一了外设接口：

USB为所有的USB外设提供了单一的、易于操作的标准的连接类型。

这样一来就简化了USB外设的设计，同时也简化了用户在判断哪个插头对应哪个插槽时的任务,实现了单一的数据通用接口。

B、节省系统资源：

USB排除了各个设备象鼠标、调制解调器、键盘和打印机设备对去系统资源的需求，因而减少了硬件的复杂性和对端口的占用，整个的USB的系统只有一个端口和一个中断，节省了系统资源。

C、USB支持热插拔（hotplug）：

也就是说在不关PC的情况下可以安全的插上和断开USB设备，动态的加载驱动程序。

其他普通的外围连接标准，如SCSI设备等必须在关掉主机的情况下才能增加或移走外围设备。

D、USB支持PNP（即插即用）。

当插入USB设备的时候，计算机系统检测该外设并且通过自动的加载相关的驱动程序来对该设备进行配置，并使其正常工作。

E、USB在设备供电方面提供了灵活性。

USB直接连接到Hub或者是连接到Host的设备可以通过USB电缆供电，也可以通过电池或者其它的电力设备来供电，或使用两种供电方式的组合.并且支持节约能源的挂机和唤醒模式。

F、USB提供全速12Mbps的速率和低速1.5Mbps的速率来适应各种不同类型的外设。

G、针对不能处理突然发生的非连续传送的设备，如音频和视频设备，USB可以保证其固定带宽。

H、为了适应各种不同类型外围设备的要求，USB提供了四种不同的数据传送类型。

I、USB使得多个外围设备可以跟主机通信。

6、USB的协议

不同版本的协议有所不同，不过从USB1.0→USB1.1→USB2.0→USBOTG的不断演变，都是朝着更方便实用方面发展，其协议也是慢慢升级完善的。

本部分比较专业，都是一些学术术语，只有真正搞USB底层开发的才会深入去研究，对此有兴趣的可以找相关的资料。

7、USBOTG简介

（1）USBOTG就是USBOn-The-Go的简称，　它是USB2.0规范的补充，结合了对移动应用友好的新特性，包括低功耗、更小的USB接头以及在相同的USB端口上增加了双重角色的功能（作为主机和外设的功能）。

OTG通过在没有计算机的情况下，相互之间对等连接使传统的只能作为USB外设的移动产品的性能和连接性得到扩展。

（2）USBOTG的特点

●可以不必通过PC就可以实现点对点的连接，如一个具有OTG功能的外设可以跟其它外设直接通讯；

●可以实现主从角色转换，On-The-Go设备非但能与其他On-The-Go设备连接，由于內嵌USB主机端与USB外设功能，因此当它连接到一个普通USB外设时，它可以扮演USB主机端的角色，而当它连接到一个USB主机端時，则可以扮演USB外设角色；

●USBOTG通过五脚接口和五线电缆传输数据。

除了传统的“VBUS”、“D+”、“D-”、“GND”四个针脚外，第五个针脚为“ID”脚，ID脚决定了初始化的主从角色：

在Mini-A插头中，ID短路接地，所连设备被初始化为主；在Mini-B插头中，ID悬空，所连设备被初始化为从。

在软件控制下，主从角色也可以利用主设备转换协议（HNP）进行互换。

●主设备可提供低功率输出，最小为8mA的电流到USB电缆，当不传输时可关掉VBUS。

在VBUS关闭时，如从属设备需要使用总线，则可请求主设备开启VBUS，为VBUS重新供电。

低功耗可支持USB设备在电池供电的情况下正常工作，延长电池寿命，节省能源。

备注：

双角色工作原理

OTG双角色设备驱动程序由USB主设备软件包和USB设备软件包构成。

OTG驱动通过连接器中“ID”的不同连接，或通过是否有主设备转换协议确定双角色设备工作方式的转换，确定使用USB主设备软件包还是USB设备软件包。

当OTG双角色设备以主机方式工作时，USB主设备软件包工作。

主控制驱动完成USB主设备软件包与双角色USBOTG硬件间的数据交换，USB总线驱动保存设备的信息，目标主设备类驱动支持目标设备列表里的设备。

OTG提供通用的主设备类驱动程序。

当OTG双角色设备以从机方式工作时，USB设备软件包工作。

设备控制驱动完成USB设备软件包与双角色USBOTG硬件间的数据交换，USB协议层完成USB协议规范，USB设备类驱动的功能取决于该双角色OTG设备的功能。

二、USB相关器件简介

1、接插件

（1）电脑上使用的USB座：

我们见到比较多的是电脑机箱上的USB口，那是一个USB母座，跟它相对应的就是USB公座，两个都是4引脚器件；

（2）一般便携设备使用的标准USB座：

我们MP3上的标准USB公母插座，这两个是五pin器件，其中4脚为空脚，只有具有USBOTG功能的机器第4脚才使用为“ID”信号脚，；还有OPPO目前在使用的迷尔USB座，只有4pin接口；

（3）市面上出现的非标准的USB座：

不管使用什么类型的插座，能用市面上流通的标准件最好，如果自己定义那就是非标品，象我们V1、V8、V12等机型上使用的耳机插座共用的方法，那都不是正常用法，多少会影响到机器的性能；

（4）USB连接线材：

类似我们数码随身听的USB下载线（一端连电脑一端连MP3）

不管采用什么类型的接插件和线材，只有符合 USB 规范最好能取得相关认证的东西才能最终保证下载速度的问题。

2、USB控制IC

市场上供应的USB控制器主要有两种：

带USB接口的单片机（MCU）或纯粹的USB接口芯片。

此类IC主要是满足USB规范而实现USB上传下载功能，很多公司都有，目前我们在使用的是台湾安国国际的AU9386,外接几个器件就是一个U盘。

如果采用性能好一些的方案，一般本身都带USB功能，或者通过软件编程来完成USB功能。

3、USBHOSTIC

具有host功能的USBIC市面上也不少，但使用量不多，主要是价格一直降不下来，动不动就是三四十块钱一片，有些产品增加了host功能后成本也就增加了不少，前段时间找到一个国产IC，南京沁恒电子的CH375，价格相对还可以，对这有兴趣的同事可以找我要相关的IC资料和联系方式。

4、其它器件

（1）利用FTDI公司生产的FT8U232AM实现USB/RS-232转换器

（2）USB/串口转换器

（3）转换开关，使用在多路信号共用一个输出口的状态，如我们公司的V1、V8、V12等机型，利用耳机插座来与电脑连接上传下载资料、给锂电池充电、音频信号输出、收音天线等，对这类转换开关的要求很高，导通阻抗大会影响音频信号的失真度和电脑能否正常连接问题，分布电容大会影响信号的正确性和资料的上传下载速度。

目前我们在使用的是IT的3157和仙童的4157，一般来说，如有可能尽量不要采用多功能共用一个输出口的方案，虽然在外观上是占了一些优势，但对整机性能和寿命都有一定的影响。

（4）意法半导体推出微型封装的USB2.0接口专用ESD保护IC，该IC专门保护USB2.0高速接口的两条数据线路和电源线，典型电容2.5pF，抗静电达到空气放电15KV和接触放电8KV的标准（IEC61000-4-2第4级放电保护标准），当然要使用这些新东西，需要付出的成本代价也是不小的。

备注：

现在比较通用的ESD标准是IEC61000-4-2（IEC－国际电工委员会），应用人体静电模式，测试电压的范围为2kV～15kV（空气放电），峰值电流最高为20A/ns，整个脉冲持续时间不超过60ns。

在这样的脉冲下所产生的能量总共不超过几百个微焦尔，但却足以损坏敏感元器件。

三、USB在设计上应该注意的事项

由于很多USB接口设计在机器的外面，就算通过橡胶塞保护，在上传下载资料时打开橡胶塞时也有可能接触到USB口，因此对于USB的设计，主要是从ESD方面考虑，当然其它的也会涉及到。

1、如何改良USB接口的EMI和ESD设计

USB接口的传输速率很高，因此如何提高USB信号的传输质量、减小电磁干扰（EMI）和静电放电（ESD）成为USB设计的关键。

本文以USB2.0为例，从电路设计和PCB设计两个方面对此进行分析。

USB线缆由四根线组成，其中一根是电源线VBus，一根是地线GND，其余两根是用于差动信号传输的资料线（D+，D-）。

将数据流驱动成为差动信号来传输的方法可以有效提高信号的抗干扰能力（EMI）。

当USB2.0接口采用高速差动信号传输方式时，由于接地层与电源层的信号摇摆，放射噪声会有所增加。

因此，为避免串扰并保证信号的完整性，消除将要混入高速信号中的共模噪声是电磁兼容设计的必要对策。

在图1所示的电路中，数据电源线和地线上分别串联一个阻抗为120欧姆、额定电流为2A的磁珠，而差分线对上则串联一个共模阻抗为90欧姆的共模扼流器。

共模抗流器由两根导线同方向绕在磁芯材料上，当共模电流通过时，共模抗流器会因磁通量叠加而产生高阻抗；当差模电流通过时，共模抗流器因磁通量互相抵消而产生较小阻抗。

图1：

USB2.0的噪声抑制电路图。

图2：

SDCW2012-2-900的衰减频谱。

以深圳顺络电子有限公司生产的共模抗流器SDCW2012-2-900为例，该器件在100MHz的差模阻抗仅为4.6欧姆。

从图2所示的衰减特性也能看出共模扼流器对差分信号不会造成影响，主要是针对共模电流进行选择性的衰减。

图3：

USB2.0的ESD防护电路图。

由于USB接口具有可热插拔性，USB接口很容易因不可避免的人为因素而导致静电损坏器件，比如死机、烧板等。

因此使用USB接口的用户迫切要求加入防ESD的保护器件。

在图3电路中，数据电源线、地线上各有一个工作电压为5.5V、电容为100pF的压敏电阻连到屏蔽地上。

差分线对因数据传送速度高达480Mbps，则需要连接电容小于4pF的器件，因为较大的电容可导致数据信号波形恶化，甚至出现位错误。

因此在差分线对上接入工作电压为18V、电容最大值为4pF的压敏电阻器。

图4所示的电压波形也验证了电容为4pF的压敏电阻器（如深圳顺络电子有限公司生产的SDV1005H180C4R0GPT）对波形的影响不大。

图4：

不同电容值的压敏电阻对波形的影响。

对于USB2.0的PCB布线，需要考虑以下原则：

1.差分线对要保持线长匹配，否则会导致时序偏移、降低信号质量以及增加EMI；2.差分线对之间的间距要保持小于10mm，并增大它们与其它信号走线的间距；3.差分走线要求在同一板层上，因为不同层之间的阻抗、过孔等差别会降低差模传输的效果而引入共模噪声；4.差分信号线之间的耦合会影响信号线的外在阻抗，必须采用终端电阻实现对差分传输线的最佳匹配；5.尽量减少过孔等会引起线路不连续的因素；6.避免导致阻值不连续性的90度走线，可用圆弧或45度折线来代替；7.压敏电阻器的接地端要接入屏蔽地层，并放置在端口位置。

2、利用TVS二极管来对USB进行ESD保护

数据率高达480Mbps的USB接口，要利用TVS二极管来进行ESD保护，为了保持数据的正常传输，必须要选择低电容的LCTVS，它通常是将一个低电容二极管与TVS二极管串联，以降低整个线路的电容（可低于3pF），达到高速率回路的要求。

TVS二极管的工作原理：

处理瞬时脉冲对器件损害的最好办法是将瞬时电流从敏感器件引开。

TVS二极管在线路板上是与被保护线路并联的，当瞬时电压超过电路正常工作电压后，TVS二极管便发生雪崩，提供给瞬时电流一个超低电阻通路，其结果是瞬时电流通过二极管被引开，避开被保护器件，并且在电压回复正常值之前使被保护回路一直保持截止电压。

当瞬时脉冲结束以后，TVS二极管自动回复高阻状态，整个回路进入正常电压。

TVS二极管的特点：

（1）反应迅速，使瞬时脉冲在没有对线路或器件造成损伤之前就被有效地遏制；

（2）二是截止电压比较低，更适用于电池供电的低电压回路环境；

（3）对TVS二极管设计的改进使其具有更低的漏电流和结电容，因而在处理高速率传导回路的静电冲击时有更理想的性能表现；

备注：

5kV的冲击会造成约10%陶瓷电容失效，到10kV时，损坏率达到60%，而TVS可以承受15kV电压。

使用TVS二极管保护ESD损害的同时，必须配合合理的PCB布局：

首先是要避免自感。

对于ESD这样巨变突发的脉冲，很可能会在回路中引起寄生自感，进而对回路形成强大的电压冲击，并可能超出IC的承受极限而造成损伤。

负载产生的自感电压与电源变化强度成正比，ESD冲击的瞬变特征易于诱发高强自感。

减小寄生自感的基本原则是尽可能缩短分流回路，必须考虑到包括接地回路、TVS和被保护线路之间的回路以及由接口到TVS的通路等所有因素。

所以TVS器件应与接口尽量接近，与被保护线路尽量接近，这样才会减少自感耦合到其它邻近线路上的机会。

另外可应用下述原则对线路进行优化：

1．避免在保护线路附近走比较关键的信号线；

2．尽量将接口安排在同一个边上；

3．避免被保护回路和未实施保护的回路并联；

4．各类信号线及其馈线所形成的回路所环绕面积要尽量小，必要时可考虑改变信号线或接地线的位置；

5．将接口信号线路和接地线路直接接到保护器件上，然后再进入回路的其它部分；

6．将复位、中断、控制信号远离输入/输出口，远离PCB的边缘；

7．在可能的地方都加入接地点；

8．采用高集成度器件，二极管阵列不但可以大大节约线路板上的空间，而且减少了由于回路复杂可能诱发的寄生性线路自感的影响。

3、通过USB为电池充电

USB标准最有价值，却最少被提及的特性之一就是可利用主机USB接口作为电源对外设供电。

除了直接对USB设备供电，USB电源最有用的功能之一就是对电池充电*。

（在与PC交换数据的同时对电池充电）

USB电池充电可能很复杂，也可能很简单，这取决于USB设备的要求。

影响设计的因素不仅包括通常的成本、尺寸、重量等。

其它重要因素还包括:

1）电池耗尽的设备插入USB端口时，要求多快开始全功能运行；2）允许电池充电的时间；3）在USB功率限制范围内的功率分配；4）是否需要一个交流适配器充电。

搞过产品开发的人员都知道，所有USB主机，如电脑，每个USB插孔都能支持最少500mA电流输出或驱动5个“单位负载”。

在USB术语中，“一个单位负载”是100mA。

自带电源的USB集线器也能驱动5个单位负载。

总线驱动的USB集线器只能保证驱动一个单位负载。

备注：

按照USB规范，由USB主机或带电源的集线器提供的，电缆外设端的最小可用电压为4.5V，而由USB总线驱动的集线器提供的最小电压为4.35V。

用这些电压对充电电压典型要求为4.2V的Li+电池充电时，只有很小的裕度，这使得充电器的压降变得极为重要。

所有接入USB端口的设备启动时消耗电流都不能超过100mA。

与主机进行通信后，设备才能决定是否可以用足500mA电流（一旦与主机连接，所有USB设备都必须首先让主机识别自己。

这一动作被称为枚举）。

所以，USB设备与电脑连接时，如果设备的启动电流大于100mA，不仅不能给电池充电，还需要由电池提供部分的电流来时设备正常工作，只有电脑识别到USB设备后，能够提供高达500mA的电流，此时不仅能与电脑交换数据，还同时利用电脑电源给电池充电。

当然，也可以利用USB电源给镍氢电池充电（毕竟镍氢电池成本低），但是需要增加一个DC-DC转换器将1.3V的电池电压升至设备可使用的电压，典型为3.3V。

鲜为人知的USB特性－USB端口并不限制电流（与规范差异的地方）

尽管USB规范详细规定了每个USB端口必须提供多少电流，但对于它能够提供多少电流，规范给出的界限却极为宽泛。

尽管定义了电流上限不能超过500mA，但一个明智的设计者不应该依赖于这个信息。

任何情况下，都不认为每个USB端口会将它的输出电流限制在500mA，或附近的一个值。

实际上，USB端口输出的电流经常超过几安培，因为多端口系统（如PC机）经常只有一个保护器件公用于所有的端口。

保护器件被设定在所有端口总额定功率之上。

因此，一个4USB端口系统，如果其余3个端口未被使用，一个端口就可提供超过2A的电流。

此外，尽管一些PC机使用精度为10%至20%的IC保护方案，其它大多使用非常不精确的自复保险丝，只有负载功率超出额定值100%或更高时才会触发。

USB端口很少（从不）关断电源。

USB规范对此并没有说明，但人们时常认为如果枚举失败，或遇到其它软件或固件问题，USB电源可能被关断。

但实际情况是，除非有电路故障（如短路），没有USB主机会关断USB电源。

也许会有例外，但是目前还没有见到。

笔记本和主板生产商甚至不愿意为故障保护买单，更不用说智能电源切换了。

因此，无论USB外设与主机的对话是否发生，5V一直可以利用（电流为500mA或100mA，也许为2A或更高）。

USB供电的阅读灯、咖啡杯加热器以及其他一些诸如此类没有任何通信能力的产品的出现就证明了这一点。

它们可能并不“守规”，但它们工作的很好。

4、USB接口与串口设备之间互连问题

由于USB口具有即插即用的特性，现已出现只有USB口而没有传统接口的PC，但是有很多业界专业人士或嵌入式应用人员一直采用的是UART（UniversalAsynchronousReceiverandTr