高速USB设计
高速USB数据采集系统的设计
高速USB数据采集系统的设计
在图像处理、瞬态信号测量等一些高速、高精度的应用中，需要举行高速数据采集。
2.0接口以其高速率等优点渐有取代传统ISA及PCI数据的趋势，热插拔特性也使其成为各种PC外设的首选接口。
EZ-USB FX2是公司推出的集成USB 2.0的微处理器，它集成了USB 2.0、SIE(串行接口引擎)、增加的8051微控制器和可编程的外围接口。
本文将介绍基于EZ-USB FX2系列CY7C68013芯片的高速数据采集系统的设计，该系统具有限幅庇护功能，固件和驱动程的编写简便，能够完成对数据的高速采集和传送。
数据采集系统计划设计
数据采集系统的框图1所示，硬件2所示。
其中，AD1674是l2位模数转换芯片，采纳逐次比较方式工作。
主要用于控制以及FIFO的时序、控制ADC的启动与停止和查询ADC的状态等。
FIFO主要起着高速数据缓冲的作用。
图1 数据采集系统框图
图2 系统硬件电路
CY7C68013和AD1674之间通过CPLD衔接，实现相关控制线和数据线的译码。
在CY7C68013的控制下，首先对AD1674举行间隔采样，然后把结果传送到FIFO中，当采集到一定量的数据后，CY7C68013将数据打包通过USB总线传到PC，由高级应用程序举行数据处理。
扩展的RS232接口可以和外部设备举行通信。
上电时，CY7C68013从外部的E2PROM中通过I2C总线自动装载到内部的RAM中，便于固件的修改和升级。
数据采集前端的调理电路3所示，本设计采纳了限幅、降压、滤波和增强输入阻抗的措施来庇护后端的转换芯片。
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最新-USB 2.0 高速主机适配卡的设计 精品
USB 2.0 高速主机适配卡的设计摘要介绍一种新型的ＵＳＢ２．０高速主机适配卡的设计。
通过主机ＰＣＩ总线接口，利用ＵＳＢ２．０主控制器，针对ＵＳＢ２．０高速数据传输带来的ＥＭＩ／ＥＳＤ问题，进行了全面的考虑和设计。
ＵＳＢ２．０高速主机适配卡性能完善、功能齐全，并已经通过ＥＭＣ国际认证。
关键词20主机适配卡ＵＳＢ接口可提供双向、实时的数据传输，具有即插即用、性能可靠、价格低廉等优点，目前已成为计算机和通信电子产品连接外围设备的首选接口。
由于高速ＵＳＢ集线器、高速ＵＳＢ功能部件的不断涌现，如数字图像器、扫描仪、视频会议摄像机、大容量数字存储设备等新型ＵＳＢ设备，在计算机和这些复杂的ＵＳＢ外设之间需要建立一个高速、高性能的数据传输。
ＵＳＢ２．０正是为了满足这种需求提出的，它的传输速率为４８０Ｍｂｐｓ。
高速ＵＳＢ２．０与全速ＵＳＢ１．１和低速ＵＳＢ１．０完全兼容。
虽然新式的计算机至少提供两个ＵＳＢ端口，但多数都只能用于ＵＳＢ１．１和ＵＳＢ１．０的数据传输，不能支持ＵＳＢ２．０的数据传输。
ＵＳＢ２．０高速主机适配卡，可直接插入计算机的扩充槽内，利用ＰＣＩ总线接口、可支持ＵＳＢ的操作系统，实现ＵＳＢ２．０的高速数据传输。
ＵＳＢ界面通过ＵＳＢ主控制器与计算机主机系统相连接。
ＵＳＢ主控制器不但提供与主机的ＰＣＩ总线接口，同时也包含根集线器。
范文先生网收集整理根集线器可提供一个或多个连接点用于ＵＳＢ设备的连接，从而使主机操作系统与ＵＳＢ设备之间可以彼此通信。
ＵＳＢ２．０主控制器是设计ＵＳＢ２．０高速主机适配卡的主要芯片。
目前世界上许多大公司如ＮＥＣ、ＰＨＩＬＩＰＳ、ＶＩＡ等都相继推出ＵＳＢ２．０主控制器。
本文采用ＮＥＣ公司生产的ＵＳＢ２．０主控制器ｕＰＤ７２０１００，设计出新型ＵＳＢ２．０高速主机适配卡，测量结果良好，满足ＵＳＢ２．０的设计规范，达到ＵＳＢ２．０设计要求，并已经通过ＥＭＣ国际认证。
USB接口的高速数据采集卡的设计与实现
USB接口的高速数据采集卡的设计与实现现代工业生产和科学研究对数据采集的要求日益提高，在瞬态信号测量、图像处理等一些高速、高精度的测量中，需要进行高速数据采集。
现在通用的高速数据采集卡一般多是PCI卡或ISA卡，存在以下缺点：安装麻烦；价格昂贵；受计算机*槽数量、地址、中断资源限制，可扩展*差；在一些电磁干扰*强的测试现场，无法专门对其做电磁屏蔽，导致采集的数据失真。
通用串行总线USB是1995年康柏、微软、IBM、DEC等公司为解决传统总线不足而推广的一种新型的通信标准。
该总线接口具有安装方便、高带宽、易于扩展等优点，已逐渐成为现代数据传输的发展趋势。
基于USB的高速数据采集卡充分利用USB总线的上述优点，有效解决了传统高速数据采集卡的缺陷。
1USB数据采集卡原理1.1USB简介通用串行总线适用于净USB*设备连接到主机上，通过PCI总线与PC内部的系统总线连接，实现数据传送。
同时USB又是一种通信协议，支持主系统与其外设之间的数据传送。
USB器件支持热*拔，可以即*即用。
USB1.1支持两种传输速度，既低速1.5Mbps和高速12Mbps，在USB2.0中其速度提高到480Mbps。
USB具有四种传输方式，既控制方式（Controlmode）、中断传输方式（Interruptmode）、批量传输方式（Bulkmode）和等时传输方式（Iochronousmode）。
考虑到USB传输速度较高，如果用只实现USB接口的芯片外加普通控制器（如8051），其处理速度就会很慢而达不到USB传输的要求；如果采用高速微处理器（如DSP），虽然满足了USB传输速率，但成本较高。
所以选择了TI公司内置USB接口的微控制器芯片TUSB3210，开发了具有USB接口的高速数据采集卡。
1.2系统原理图系统原理图如图1所示。
整个系统以TUSB3210为核心，负责启动A/D转换，控制FIFO 的读写及采样频率的设定，与主机之间的通信及数据传输。
Microchip高速和超高速USB集线器设计
FS眼图
电压
其他终端
LS眼图
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C15L01 USB
Slide
18
协议
USB的世界包罗万象，有许多不同的协议可供选择 USB1.1引入了USB FS/LS 全速和低速 USB2.0引入了USB HS 高速 HSIC USB3.0引入了USB SS 超高速 USB BC1.2
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在通信挂起后主机若想唤醒设备，可将数据线上信号的极性翻 转至少20 ms。
具 有 远 程 唤 醒 功 能 集 的 设 备 还 可 以 自 行 发 起 恢 复 （ 15 ms Kstate） 一旦恢复.…端口返回 “已使能”状态
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C15L01 USB
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3
定义
机为其分配一个地址并使能它。此时，可认为设备已配置
上行端口 —— USB集线器上面向USB主机的端口 下行端口 —— USB集线器上面向USB设备的端口 自供电 —— 由直接连接至USB设备或集线器的电源供电 总线供电 —— 由USB连接器的 VBUS引脚供电 已配置/未配置 —— 初次连接时USB设备未配置，直至主
MultiTRAK
Upstream PHY
Speed Key: 480 Mbps Path 12 Mbps Path
STM32CubeMX的高速USB通信模块设计
ＵＳ Ｂ通 信 的 高效 开 发 。 实验 结果 表 明 ， 该 设计传输速率可达 ３ ． ０ Ｍｂ ｐ ｓ以上 ， 且 开发 快捷 。
新 器 件 新 技 术
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Ｓ Ｔ Ｍ３ ２ Ｃｕ ｂ ｅ ＭＸ 的 高 速 Ｕ Ｓ Ｂ通 信 模 块 设 计 ＊
罗瑶 ， 魏 忠义 ， 朱磊 ， 郭 林 源
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关 键 词 ：高 速 ＵＳ Ｂ通 信 ； Ｓ ＴＭ ３ ２ Ｃｕ ｂ ｅ ＭＸ； Ｓ ＴＭ ３ ２ Ｆ ４ ｘ ； Ｌ ａ ｂ ＶＩ Ｅ Ｗ
中 图 分 类 号 ：ＴＰ ３ ９ ３ ． ０ ４
文 献 标 识 码 ：Ａ
Ｈｉ ｇｈ ・ ｓ ｐ ｅ ｅ ｄ ＵＳＢ Ｃｏｍｍｕ ｎ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｍｏｄ ｕ ｌ ｅ Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ＳＴＭ３ ２ Ｃｕ ｂｅ ＭＸ
基于OpenVPX的高速集成处理器USB接口设计
基于OpenVPX的高速集成处理器USB接口设计本文介绍了一种基于OpenVPX的高速集成处理器USB接口设计方案。
首先，针对高速处理器的需求，通过OpenVPX标准的串行高速链路，选用了PCI Express和Ethernet协议作为互联接口。
其次，为了满足高速数据传输的需求和能量利用效率，采用了USB协议作为硬件接口标准。
最后，对硬件接口进行了实现和测试。
在设计中，通过使处理器和外部USB设备之间的通信速度更快，可以提高系统性能。
OpenVPX采用PCIe和Ethernet协议作为互联接口的优点在于，PCIe协议可以满足高速数据传输的需求，而Ethernet协议可以提供高速实时数据交换。
因此，在本设计中，PCIe 被选定作为在处理器和系统板之间交换数据的主要互联接口，Ethernet被选定作为在板间进行重要数据传输操作的互联接口。
它们之间无需进行转换，可以直接进行数据交换。
由于系统需要提供高速数据传输和能量利用效率，本设计采用USB协议作为硬件接口标准。
USB接口包含几个传输层，包括物理层、逻辑层和应用程序层。
物理层是指在USB 接口连接后的物理电气连线；逻辑层是指USB接口的流控制协议，用于控制数据的传输，以确保数据的无差错和按时传输；应用程序层是指用户交互的层面，包括设备驱动程序和应用程序。
本文设计了一个基于PCIe和USB接口的集成处理器USB接口，在硬件实现中，选用了高速传输的特殊USB接口标准，以便高速数据传输以及最大的能量利用效率。
通过实验，测试结果表明，本设计可以满足高速互连和通信的需求。
此外，该实现还能够对数据传输进行误码率测试，以确保数据的完整和可靠性。
总之，本设计旨在提供一种高效、可靠的USB接口方案，以满足高速处理器在OpenVPX板上与外部USB设备通信的要求。
基于STM32的高速USB通信模块设计与实现
基于STM32的高速USB通信模块设计与实现USB（Universal Serial Bus）是一种通用串行总线标准，可用于连接计算机与外部设备，例如打印机、键盘、鼠标等。
STM32是一种基于ARM Cortex-M内核的单片机系列，具有高性能和丰富的外设。
本文将介绍基于STM32的高速USB通信模块的设计与实现。
首先，我们需要选择一个适合的STM32单片机型号。
在选择时，我们应考虑USB的速度要求、外设的功能要求以及单片机的处理能力和资源。
在高速USB通信中，我们可以选择STM32F4系列，因为它具有高速USB2.0 OTG（On-The-Go）接口和丰富的外设，适合高速数据传输。
接下来，我们需要设计硬件电路。
在设计过程中，我们需要包括STM32单片机、USB接口芯片、时钟电路、电源电路、外设等。
其中，USB接口芯片起着桥接STM32和USB总线的作用，负责协议转换和数据传输。
时钟电路为单片机提供稳定的时钟信号。
电源电路为单片机和外设提供适当的电源供应。
完成硬件设计后，我们需要进行软件编程。
首先，我们需要在STM32单片机上配置USB外设，并初始化必要的寄存器。
接下来，我们需要编写USB协议栈的驱动程序，实现设备枚举和数据传输。
在数据传输方面，我们可以选择使用Bulk传输方式，它适用于大容量数据传输，且具有较高的效率。
在软件编程过程中，我们还需要编写应用层代码，实现与外部设备的通信。
例如，我们可以编写一个USB打印机驱动程序，实现打印机的功能。
在编写驱动程序时，我们需要根据USB设备类的规范进行开发，以确保驱动程序与外部设备兼容。
在实现阶段，我们需要对硬件电路进行布线和焊接，以及对软件进行调试和优化。
在调试过程中，我们可以使用调试器和示波器等工具进行实时监测和调试。
最后，我们可以进行性能测试和稳定性测试，以验证设计的可靠性和性能。
在测试过程中，我们可以使用基准测试工具和负载测试工具，以模拟实际应用场景，并检查系统的数据传输速度和稳定性。
基于OpenVPX的高速集成处理器USB接口设计
基于OpenVPX的高速集成处理器USB接口设计随着科技的不断发展，人们对于数据处理速度和处理能力的要求也越来越高。
在众多的数据传输接口中，USB接口因其高速、便携和普遍性等特点而深受广大用户的喜爱。
在当前的军事和工业领域，高速集成处理器是非常重要的组件，因为它们能够提供稳定和可靠的性能，满足各种复杂任务的需要。
在本文中，我们将探讨基于OpenVPX平台的高速集成处理器USB接口设计。
我们将介绍OpenVPX平台的特点和优势，然后分析高速集成处理器的特点和功能需求，最后设计满足需求的USB接口方案。
OpenVPX平台是一种用于军事和航天领域的高性能计算平台，它基于VITA标准开发，提供了可靠和可扩展的解决方案。
OpenVPX平台具有模块化设计、高速互联、可靠性强等特点，能够满足各种复杂任务的要求。
在设计基于OpenVPX的高速集成处理器USB接口时，首先需要考虑到OpenVPX平台的特点和要求。
在OpenVPX平台上，模块化设计和高速互联是非常重要的特点，因此USB接口需要满足高速传输要求，同时具有良好的扩展性和可靠性。
高速集成处理器的特点和功能需求也需要充分考虑，确保USB接口能够满足各种复杂任务的需求。
在设计阶段，我们可以考虑采用USB 3.0接口方案。
USB 3.0接口具有高速传输能力，最高传输速度可达5Gbps，能够满足高速集成处理器的传输需求。
USB 3.0接口也具有良好的兼容性，能够与各种外部设备进行稳定和可靠的连接。
USB 3.0接口还具有良好的扩展性，能够满足未来高速传输需求的变化。
在实际应用中，我们可以通过选择合适的USB 3.0控制芯片和光电隔离芯片，设计稳定可靠的USB 3.0接口电路。
还需要考虑USB接口的物理布局和阻抗匹配等细节，确保USB 3.0接口具有良好的信号完整性和稳定性。
为了进一步提高USB 3.0接口的稳定性和可靠性，我们还可以考虑采用差分信号传输和屏蔽措施，降低外界干扰和噪声对USB接口的影响。
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高速USB2．0设备的PCB板设计
通用串行总线(Universal Serial Bus)从诞生发展到今天，USB协议已从1．1过渡到2．O，作为其重要指标的设备传输速度，从1．5 Mbps；的低速和12 Mbps的全速，提高到如今的480 Mbps的高速。
USB接口以其速度快、功耗低、支持即插即用、使用安装方便等优点得到了广泛的应用。
目前，市场上以USB2．0为接口的产品越来越多，绘制满足USB2．0协议高速数据传输要求的PCB板对产品的性能、可靠性起着极为重要的作用，并能带来明显的经济效益。
USB2．0接口是目前许多高速数据传输设备的首选接口，实践表明：在高速USB主、从设备的研发过程中，正确设计PCB板能充分发挥USB2．O高速性能。
但是，若PCB板设计不当，则传输速率可能根本达不到预期目的，甚至会导致高速USB2．0设备只能工作在全速状态。
下面介绍USB2．0设备高速数据传输PCB板设计。
1 USB2．0接口差分信号线设计
USB2．0协议定义由两根差分信号线(D+、D-)传输高速数字信号，最高的传输速率为480 Mbps。
差分信号线上的差分电压为400 mV，差分阻抗(Zdiff)为90(1±O．1)Ω。
在设计PCB板时，控制差分信号线的差分阻抗对高速数字信号的完整性是非常重要的，因为差分阻抗影响差分信号的眼图、信号带宽、信号抖动和信号线上的干扰电压。
差分线2D模型如图1所示。
差分线由两根平行绘制在PCB板表层(顶层或底层)发生边缘耦合效应的微带线(Microstrip)组成的，其阻抗由两根微带线的阻抗及其和决定，而微带线的阻抗(Zo)由微带线线宽(W)、微带线走线的铜皮厚度(T)、微带线到最近参考平面的距离(H)以及PCB板材料的介电常数(Er)决定，其计算公式为：Zo={87/sqrt(Er+1．41)]}ln[5．98H/(0．8W+T)]。
影响差分线阻抗的主要参数为微带线阻抗和两根微带线的线间距(S)。
当两根微带线的线间距增加时，差分线的耦合效应减弱，差分阻抗增大；线间距减少时，差分线的耦合效应增强，差分阻抗减小。
差分线阻抗的计算公式为：Zdiff=2Zo（1-0.48exp(-0.96S/H))。
微带线和差分线的计算公式在
O．1<W／H<2．0以及0．2<S／H<3．0的情况下成立。
为了获得比较理想的信号质量和传输特性，高速USB2．0设备要求PCB板的叠层数至少为4层，可以选择的叠层方案为：顶层(信号层)、地层、电源层和底层(信号层)。
不推荐在中间层走信号线，以免分割地层和电源层的完整性。
普通PCB板的板厚为1．6 mm，信号层上的差分线到最近参考平面的距离H大约为11mil，走线的铜皮厚度T大约为O．65mil，填充材料一般为FR-4，介电常数Er为4．2。
在H、T和Er已确定的条件下，由差分线2D阻抗模型以及微带线和差分线阻抗计算公式可以得到合适的线宽W和线间距S。
当W=16mil，S=7mil时，Zdiff=87Ω。
但通过上述公式来推导合适的走线尺寸的计算过程比较复杂，借助PCB阻抗控制设计软件Polar 可以很方便的得到合适的结果，由Polar可以得到当W=11mil，S=5mil时，Zdiff=92.2Ω。
在绘制USB2．O设备接口差分线时，应注意以下几点要求：
①在元件布局时，应将USB2．O芯片放置在离地层最近的信号层，并尽量靠近USB 插座，缩短差分线走线距离。
②差分线上不应加磁珠或者电容等滤波措施，否则会严重影响差分线的阻抗。
③如果USB2．O接口芯片需串联端电阻或者D+线接上拉电阻时．务必将这些电阻尽可能的靠近芯片放置。
④将USB2．O差分信号线布在离地层最近的信号层。
⑤在绘制PCB板上其他信号线之前，应完成USB2．0差分线和其他差分线的布线。
⑥保持USB2．O差分线下端地层完整性，如果分割差分线下端的地层，会造成差分线阻抗的不连续性，并会增加外部噪声对差分线的影响。
⑦在USB2．0差分线的布线过程中，应避免在差分线上放置过孔(via)，过孔会造成差分线阻抗失调。
如果必须要通过放置过孔才能完成差分线的布线，那么应尽量使用小尺寸的过孔，并保持USB2．0差分线在一个信号层上。
⑧保证差分线的线间距在走线过程中的一致性，使用Cadence绘图时可以用shove保证，但在使用Protel绘图时要特别注意。
如果在走线过程中差分线的间距发生改变，会造成差分线阻抗的不连续性。
⑨在绘制差分线的过程中，使用45°弯角或圆弧弯角来代替90°弯角，并尽量在差分线周围的150 mil范围内不要走其他的信号线，特别是边沿比较陡峭的数字信号线更加要注意其走线不能影响USB差分线。
⑩差分线要尽量等长，如果两根线长度相差较大时，可以绘制蛇行线增加短线长度。
2 USB2.0总线接口端电源线和地线设计
USB接口有5个端点，分别为：USB电源(VBUS)、D-、D+、信号地(GND)和保护地
(SHIELD)。
上面已经介绍过如何设计D+、D-差分信号了，正确设计USB总线电源、信号地和保护地对USB系统的正常工作也是同样重要的。
USB电源线电压为5 V，提供的最大电流为500mA，应将电源线布置在靠近电源层的信号层上，而不是布置在与USB差分线所在的相同层上，线宽应在30 mil以上，以减少它对差分信号线的干扰。
现在很多厂家的USB从控制芯片工作电压为3．3 V，当其工作在总线供电模式时，需要3．3～5 V的电源转换芯片，电源转换芯片的输出端应尽量靠近USB 芯片的电压输入端，并且电源转换芯片的输入和输出端都应加大容量电容并联小容量电容进行滤波。
当USB从控制芯片工作在自供电的模式时，USB电源线可以串联一个大电阻接到地。
USB接口的信号地应与PCB板上的信号地接触良好，保护地可以放置在PCB板的任何一层上，它和信号地分割开，两个地之间可以用一个大电阻并联一个耐压值较高的电容，如图2所示。
保护地和信号地之间的间距不应小于25mil，以减少两个地之间的边缘耦合作用。
保护地不要大面积覆铜，一根100mli宽度的铜箔线就已能满足保护地的功能需要了。
在绘制USB电源线、信号地和保护地时，应注意以下几点：
①USB插座的1、2、3、4脚应在信号地的包围范围内，而不是在保护地的包围范围内。
②USB差分信号线和其他信号线在走线的时候不应与保护地层出现交叠。
③电源层和信号地层在覆铜的时候要注意不应与保护地层出现交叠。
④电源层要比信号地层内缩20D，D为电源层与信号地层之间的距离。
⑤如果差分线所在层的信号地需要大面积覆铜，注意信号地与差分线之间要保证35 mil
以上的间距，以免覆铜后降低分线的阻抗。
⑥在其他信号层可以放置一些具有信号地属性的过孔，增加信号地的连接性，缩短信号电流回流路径。
⑦在USB总线的电源线和PCB板的电源线上，可以加磁珠增加电源的抗干扰能力。
3 USB2．0其他信号的拓扑结构设计
USB2．O提供高达480 Mbps的传输速率，因此芯片需要外接一个较高频率的晶振，例如Cypress公司的CY7C68013需要外接1个24 MHz的晶振。
晶振应尽量靠近USB芯片的时钟输入脚，时钟线不能跨越USB2．0的差分线，晶振下不要布置任何信号线，并且在时钟线周围应覆有完整的信号地，以降低时钟线对其他信号线的干扰，特别是对差分线的干扰。
在绘制USB芯片与其他芯片相连的数据线时，应保证线间距不小于8mil。
结语
按EMC、EMI原理和信号完整性要求设计的USB2．0设备PCB板，传输速率可以达到300 Mbps以上。
高速数字信号传输PCB板设计是一个比较复杂的领域，对设计人员的要求比较高，设计周期也比较长。