摘 要：介紹了Philips公司生產(chǎn)的USB系列芯片PDIUSBD12的工作性能與特點，具體給出了PDIUSBD12芯片在掃描儀信號處理USB接口電路的具體應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：PDIUSBD12芯片；信號處理；USB接口；掃描儀
1 PDIUSBD12芯片的性能與特點
Philips公司生產(chǎn)的型號為PDIUSBD12的接口芯片是一個具有集成的SIE，F(xiàn)IFO存儲器、發(fā)送器和電壓調(diào)整器的高性能USB接口芯片，同時還支持DMA邏輯傳輸形式。他通常應(yīng)用于基于微控制器的系統(tǒng)中，并且可以通過高速的并行接口和系統(tǒng)中的微處理器進行通信，其中最高并行接口速率可以達到2 MB／s，是一個具有8位數(shù)據(jù)總線和一個地址的存儲與數(shù)據(jù)交換設(shè)備。
PDIUSBD12芯片的功能方框圖如圖1所示。
他采用28PIN腳模式，有SO28和TSSOP28封裝，SIE用來實現(xiàn)USB協(xié)議層的完整功能。具體功能如下：同步方式識別、并／串轉(zhuǎn)換、比特填充／解填充、CRC校驗／生成、PID確認／生成、地址識別和握手信號的鑒定／生成、批處理數(shù)據(jù)傳輸可達1 MB／s，3±0．3 V雙極性輸入范圍，可接受4．5～5．5 V工作電壓、工業(yè)級標準工作環(huán)境溫度范圍為－40～＋85℃。也就是說，利用該芯片可以完成微控制器所送出的信號到符號USB規(guī)范的信號的轉(zhuǎn)換。
2 USB工作電路
USB相對于其他傳統(tǒng)接口而言，其快速數(shù)據(jù)傳輸能力和安裝簡單的和諧平衡在掃描儀上體現(xiàn)得尤為突出。傳統(tǒng)的SCSI接口的掃描儀安裝極為麻煩，并且對計算機的要求非?？燎?，必須帶有SCSI接口，并行接口傳輸數(shù)據(jù)又顯得實在太慢。USB接口可以從速度和安裝的簡易性兩方面滿足用戶的要求。現(xiàn)在的主流掃描儀生產(chǎn)廠家都在生產(chǎn)USB接口掃描儀，如HP，ACER和TARGA等公司都在紛紛推出，這種款式的機器具有以下的優(yōu)點：
（1）USB接口可以有效地提升數(shù)據(jù)的傳輸速度。
（2）無外置電源設(shè)計，采用CIS技術(shù)，耗電量只有2 W，便攜可靠。
（3）采用了超薄超輕的設(shè)計，外觀悅目。
2．1 硬件電路的設(shè)計
利用PDIUSBD12集成電路來實現(xiàn)USB接口，可以允許設(shè)計者從市場上的多種微控制器中選擇一種合適的產(chǎn)品來使用。這種靈活性可以通過使用現(xiàn)有的體系結(jié)構(gòu)來降低開發(fā)費用，同時還可以縮短開發(fā)周期。
圖2所示是采用了1個80C51的微控制器與PDIUSBD12集成電路相互連接的簡圖。由于80C51是應(yīng)用比較廣泛的一種單片機微控制器，軟件開發(fā)工作者在其基礎(chǔ)上開發(fā)大量的軟件開發(fā)平臺，大多數(shù)電子工程師對其的原因都比較熟悉。因此，用戶可以利用比較熟悉的微處理器（80C51）進行核心程序的設(shè)計，即用80C51來實現(xiàn)其所需的功能，具體將數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換為符合USB規(guī)則的信號，則完全由PDIUSBD12來完成。這樣以來，既可以利用80C51中豐富的軟件資源，又可以利用USB總線技術(shù)的即插即用、熱插拔等特性，可以使開發(fā)設(shè)備的成本降低、縮短開發(fā)產(chǎn)品的時間周期。
圖3所示是利用PDIUSBD12和1塊80C51微處理器構(gòu)成的硬件系統(tǒng)框圖，他是將一個符合SCSI標準的掃描儀轉(zhuǎn)換變成一個USB總線規(guī)范的設(shè)備，該方案對現(xiàn)有硬件進行最小改動的情況下達到了USB接口技術(shù)實現(xiàn)。
2．2 數(shù)據(jù)信號驅(qū)動
USB使用一個差模驅(qū)動器來實現(xiàn)向USB電纜傳輸USB數(shù)據(jù)信號。在低輸出狀態(tài)，驅(qū)動器穩(wěn)態(tài)輸出的變化幅度必須是VOL＜0．3 V，此時應(yīng)有1．5 kΩ負載加到3．6 V電源上；在高輸出狀態(tài)，驅(qū)動器穩(wěn)態(tài)輸出的變化幅度必須使VOH＞2．8 V，此時在地上有15 kΩ負載，差模高輸出狀態(tài)和低輸出狀態(tài)之間輸出的變化幅度必須很好地進行平衡，從而將信號偏差減至最小。另外，還需要驅(qū)動器上的擺動速率控制功能把輻射噪音和串話減至最小。驅(qū)動器輸出必須支持三態(tài)操作，以此來進行雙向半雙工通信。同時還需高阻抗來將那些正在進行熱插入操作或已經(jīng)連接了但電源卻沒有接通的下行設(shè)備同端口隔離開來。相對于沒有損壞的局部參考地而言，驅(qū)動器必須能承受信號管腳上的－0．5～3．8 V電壓。
2．3 數(shù)據(jù)信號接收
接受USB數(shù)據(jù)信號時也必須利用1個差模輸入接受器。當2個差模數(shù)據(jù)輸入以地電位作為參考，并且處于0．8～2．5 V這樣的范圍之間時，接受器具有的靈敏度至少200 mV，這稱為共模輸入電壓范圍。當差模信號線不在共模范圍之內(nèi)時，也要求能進行正確的數(shù)據(jù)接受。如果在沒有損壞并以本地地電位作電位參考的條件下，接收器所能接收的穩(wěn)態(tài)電平輸入電壓應(yīng)該位于－0．5～3．8 V之間。另外對于不同的接收器而言，每一條信號線都必須有1個單端接收器，這樣接收器必須具有1個位于0．8～2．0 V之間（TTL輸入）這樣的開關(guān)閥值電壓。
3 USB接口工作電路主要參數(shù)
3．1 數(shù)據(jù)編碼／解碼
在傳輸信號時，USB應(yīng)用了NRZI編碼方式。在NRZI編碼中，“1”由不出現(xiàn)電平變化來表示，而“0”由電平發(fā)生變化來表示。圖4給出一個數(shù)據(jù)流和等同的NRZI碼流，其中高電平代表數(shù)據(jù)線上的J狀態(tài)，而圖示代表了NRZI編碼過程。一串“0”會使得NRZI數(shù)據(jù)每比特周期都會出現(xiàn)跳變，而一串連“1”則使得數(shù)據(jù)中長時間不會出現(xiàn)變化。
3．2 比特填充
為了保證信號有足夠的變化，在USB上發(fā)送一個分組數(shù)據(jù)時，傳輸設(shè)備要進行比特填充。如圖5所示，對于USB上進行NRZI編碼之前，在數(shù)據(jù)流內(nèi)每6個連“1”之后都應(yīng)該插入1個“0”，從而在NRZI數(shù)據(jù)流中強制加入1個變化。這樣在邏輯上至少每7個比特周期，接收器就會接收到1個數(shù)據(jù)變化，以保證數(shù)據(jù)和時鐘相互鎖定。接收器必須對NRZI數(shù)據(jù)進行解碼，識別填充比特并丟失他們。比特填充sync（同步）模式開始進行，并貫穿于整個傳輸過程中。用于終止該sync方式的數(shù)據(jù)“1”，將作為一個序列中的第1個數(shù)據(jù)而加以計數(shù)。比特填充總是被強制執(zhí)行，不會有什么例外。如果比特填充原則需要的話，即使該比特是分組結(jié)束（EOP）信號之前的最后一個比特，也會在最后面插入一個“0”比特。
3．3 數(shù)據(jù)信號速率
全速數(shù)據(jù)速率的標稱值是12 Mb／s。對于全功能設(shè)備的數(shù)據(jù)速率容差為±0．25％。為了符合幀時間間隔精度的需要，主控制器的精度必須保證其優(yōu)于±0．05％。對于低速率名譽上為1．5 Mb／s，所允許的頻率容差為±1．5％。這一誤差包括下列原因所產(chǎn)生的不準確性：最初的頻率的正確度、晶體容性負載、提高給振蕩器的電壓、溫度和老化。低速率的的抖動應(yīng)該小于10 ns，這一容差允許在低速率設(shè)備中實用價格較低振蕩器。
4 結(jié) 論
近幾年來，隨著大量支持USB的個人電腦及Windows的廣泛應(yīng)用，使用USB接口設(shè)備（攜式、手提式電子產(chǎn)品的日益增多）也以驚人的述度發(fā)展。這里詳細介紹了PDIUSBD12芯片在USB接口電路方面的應(yīng)用。所以，對于廣大的工程師設(shè)計人員來說，USB是設(shè)計外設(shè)接口時的首選總線。
參考文獻
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