USB2.0通信原理及电路设计

关注、星标公众号，精彩内容每日送达

来源：网络素材

文章主要包含以下六个部分：概述、协议、电路设计、PCB Layout、USB问题问答（设备插入与识别）、USB接口EMC注意事项(接地设计、连接器设计、线缆设计、电缆设计、走线设计、USB OTG）。

概述

协议

电路设计

PCB layout

USB问题问答

一、问：当一个USB设备插入PC机，PC机怎么知道有设备插入?

答：如图1-1和图1-2所示，USB接口只有4条线: VCC（5V）,GND,D-,D+。PC机的USB插孔的D-和D+数据线均连接15K欧姆的下拉电阻。而USB设备端的D-或D+数据线连接1.5K欧姆的上拉电阻。当设备插入PC机的时候，会将PC机的D-或D+端的电压拉高，当PC机在D-或D+端检测到高电平时，就知道有设备插入了。
如果是PC机D-端被拉高，接入的则是USB低速设备；
如果是PC机D+端被拉高，接入的则是USB全速或高速设备，具体是全速设备还是高速设备，会由PC机和USB设备发包握手确定。

图1-1 USB低速设备硬件接线图

图1-2 USB全速（高速）设备硬件接线图

二、问：当USB设备插入后，PC机会提醒我们“某某设备接入”，PC机怎么知道我们插入的设备的信息的呢？

答：如图2-1所示，当PC机检测到有USB设备插入后，会主动向设备发送命令包，要求设备告诉PC机，设备信息。这时设备必须向PC机回复自己的信息（以描述符形式）。明确一点：USB设备不会主动给PC机发数据，只能被动的等待PC机来拿。

图2-1 USB设备获取设备信息过程

三、问：PC机上接有非常多的USB设备，怎么分辨它们？

答：每一个USB设备接入PC时，USB总线驱动程序都会给它分配一个编号，接在USB总线上的每一个USB设备都有自己的编号(地址)。PC机想访问某个USB设备时，发出的命令都含有对应的编号(地址)。

四、问：USB设备刚接入PC时，还没有编号，那么PC怎么把"分配的编号"告诉它？

答：新接入的USB设备的默认编号是0，在未分配新编号前，PC使用0编号和它通信。

USB接口EMC注意事项

一、接地设计

如果设备为金属外壳，同时单板可以独立的划分出接口地，那么金属外壳与接口地直接电气连接，且单板地与接口地通过 1000pF 电容相连；
如果设备为非金属外壳，那么接口地 PGND与单板地 GND 直接电气连接。

二、连接器设计

1、USB AF连接器 USB信号排序设计9

2、连接器 USB与机体的搭接方式：
（ 1） 面板开孔时采用精密的铣削加工技术，使孔眼的形状更适合连接器的放置，避免孔眼切削不精确的地方出现缝隙， 进而降低电磁干扰辐射；经过测试证明， 精确的铣削开孔加工可以提高 12~18%的电磁兼容性；
（ 2） 机体与 USB 金属连接器之间的接合处要增加金属弹片，使两者接合时能够保持良好的导电性能。具体搭接方式如上图所示。

三、线缆设计

1、线缆设计要求：
USB2.0 AF连接器 普通型
:
2、屏蔽层与金属连接器的搭接：
（ 1） 屏蔽电缆的屏蔽层要求与金属连接器进行 360°的搭接；搭接方式如上图：
（ 2） 屏蔽电缆屏蔽层要避免出现单独的“尾巴”现象。

四、电缆设计

（ 1） USB-2.0信号电缆采用网状编织屏蔽层的屏蔽方式，且网状编织层编织密度要求不小于 90%；差分线组采用铝箔屏蔽；
（ 2） 内部组线时，差分电缆采用双绞传输，双绞绞距一般为最小绞距的 2 倍， （最小绞距 = D为电缆的外径） ；组线方式如上图所示：
（ 3） 电缆两端需要增加磁环处理，磁环内径与电缆的外径要紧密结合，尽量选择厚长型的磁环。

图 4 USB-2.0信号电缆

五、走线设计

（ 1） USB-2.0信号电缆走线时要求远离其他强干扰源，如电源模块；
（ 2） 电缆走线最好单独走线或与其他模拟以及功率线缆保持 10cm 以上距离， 切不可与其他线缆一起混合捆扎。

六、USB OTG

USB OTG即USB On-The-Go的缩写，他目的是实现在没有Host的情况下，实现设备间的数据传送。例如数码相机直接连接到打印机上，通过OTG技术，连接两台设备间的USB口，将拍出的相片立即打印出来；手机读写U盘。

6.1 OTG 检测的原理

USB OTG标准在完全兼容USB2.0标准的基础上，增添了电源管理（节省功耗）功能，它允许设备既可作为主机，也可作为外设操作（两用OTG）。USB OTG技术可实现没有主机时设备与设备之间的数据传输。
USB OTG接口中有5条线：
2条用来传送数据（D+ 、D-）;
1条是电源线(VBUS);
1条则是接地线(GND)；
1条是ID线。ID线—以用于识别不同的电缆端点，mini-A插头(即A外设)中的ID引脚接地，mini-B插头（即B外设）中的ID引脚浮空。当OTG设备检测到接地的ID引脚时，表示默认的是A设备（主机），而检测到ID引脚浮空的设备则认为是B设备（外设）。


举个例子：
当我们手机使用OTG线接U盘时，一般手机OTG线，手机端是mini头，里面的ID被接到了GND，另一端是正常USB的母座，只有4pin，没有ID脚，相当于悬空。手机就是设备A，因为ID脚被连到了GND，所以手机端的USB OTG控制器读取到ID的状态为低，因此手机就作为主设备。而U盘端ID悬空，故被当做从设备B。

总结：
当设备检测到USB_ID信号为低时，该设备应作为Host（主机，也称A设备）用。
当设备检测到USB_ID信号为高时，该设备作为Slave(外设，也称B设备）用。
实际的USB连接线中，是没有USB_ID这根线的。都是在接口部分直接拉死的。
对于Host端，只需将连接线的USB_ID pin和地短接即可，
对于Slave端，USB连接线的USB_ID pin是悬空的。（设备内部上拉）。

OTG有两种设备类型:两用OTG设备(Dualrole device)和外设式OTG设备(Peripheralonly OTG device) 。
两用OTG设备要提供有限的主机能力和一个MiniAB插座、支持主机流通协议(Host Negotiatio n Protocol, HNP),并和外设式OTG设备一样支持事务请求协议(Session Request Protocol, SRP)。当作为主机工作时,两用OTG设备可在总线上提供8mA的电流,而以往标准主机则需要 提供100～500 mA的电流。

6.2 OTG功能的构建

下图所示电路给出了构建OTG功能时需要在基础USB外设上添加的电路，电路中的通用串行总线控制器可以是一个微处理器和USB SIE（串口引擎），也可以是集成的μP/USB芯片或与USB收发器相连的ASIC。
为总线提供电源的外部设备需要一路3.3V稳压输出供电电压，以便为逻辑电路和连接在D+、D-引脚的1500Ω电阻提供电源。
通过D+、D-引脚上的上拉电阻可向主机发出设备已连接的信号，并指示设备的工作速度。
电阻上拉至D+表示全速运行，电阻上拉至D-表示低速运行。
其它端点（包括D+和D-的15kΩ下拉电阻）用于检测上拉电阻的状态。
由于USB设计需要提供热插拔功能。因此，其ESD保护电路主要用于为D+、D-和VBUS引脚提供保护。
为了增加OTG的两用功能，必须扩充收发器功能来使OTG设备既可作为主机使用，也可以作为外设使用。而要实现上述功能，就需要在下图所示电路中添加D+和D-端的15kΩ下拉电阻并为VBUS提供供电电源。此外，收发器还需要具备以下三个条件：
（1）可切换D+/D-线上的上拉和下拉电阻，以提供外设和主机功能。
（2）作为A设备时，需要具有VBUS监视和供电电路；作为B设备初始化SRP时，需要监视和触发VBUS。
（3）具有ID输入引脚。

作为两用OTG设备，ASIC、DSP或其它与收发器连接的电路必须具备充当外设和主机的功能，并应按照HNP协议转换其角色。
收发器所需添加的大多数电路用于VBUS引脚的管理。作为主机，它必须能够提供5V、输出电流可达8mA的电源。图中的模拟开关用于配置收发器的各种功能。
ASIC和控制器还必须包含USB主机逻辑控制功能，包括发送SOF（帧启动）包、发送配置u36755输入u36755输出数据包，在USB 1ms帧内确定传输进程、发送USB复位信号、提供USB电源管理等。

6.3 Maxim USB OTG 设计方案

MAX3301E是Maxim公司研制的一款USB OTG收发器，该器件集成有电荷泵，可将PDA、蜂窝电话和数码相机等移动设备与USB外设直接连接而无需PC机的参与。
采用MAX3301E和一个嵌入式USB主机，就可直接将诸如打印机或外部硬盘驱动器这样的外设连接。
MAX3301E内部包括USB OTG收发器、UBUS电荷泵、线性稳压器和I2C 2线串行接口。
内部电平转换器使MAX3301E能够与采用+1.65至+3.6V逻辑电源电压的器件连接。
MAX3301E中的电荷泵工作在+3V至+4.5V输入电源下，可产生符合OTG要求的VBUS输出，且输出电流大于8mA。该器件可利用内部比较器控制并测量VBUS，同时支持USB OTG SRP和HNP，其典型应用电路下图所示。

参考资料：

[1] https://blog.csdn.net/sinat_15677011/article/details/105318220

[2] https://www.eda365.com/thread-230847-1-1.html

[3] https://blog.csdn.net/u010538116/article/details/80173538