Usb трансивер что это

Забудем об RS-232! Добро пожаловать в мир технологий USB-связи от Philips Semiconductors

Введение

Перечень можно было бы продлить, но думаю и этого достаточно, чтобы себе сказать: «А стоит ли далее…?». Те, кому удалось через себя пропустить все нюансы RS-232 и выдать «на гора» качественный продукт конечно же возразят: «у нас и с RS-232 полный консенсус», но в глубине души уверен позавидуют новоявленным покорителям интерфейсных высот, которые не вникая в особенности достижения надежности, бесперебойности и пр. анонсируют свои разработки с существенно превышающими интерфейсными характеристиками.

Ключевыми факторами, способствующих популяризации интерфейса USB, являются следующие:

Обзор архитектуры USB

Архитектура шины USB выполнена аналогично локальной сети на витой паре, т.е. как многоуровневая звезда [1]. При этом, шина USB соединяет внешние USB-устройства с главным USB-портом (host). Топология многоуровневой звезды подразумевает, что центром каждого разветвления (звезды) является размножитель (hub). Каждая связь выполняет двухточечное соединение между главным USB-портом и размножителем/функцией или между размножителем и другим размножителем/функцией. На рисунке 1 представлена топология шины USB.

Рисунок 1 – Топология шины USB

Вследствие задержек в распространении сигналов в размножителях и кабелях максимальное количество разветвлений (звезд) ограничено 7, включая корневой уровень. Обратите внимание, что из 7 только на 5 уровнях могут быть установлены некорневые размножители, составляющих путь связи между любым устройством и главным USB-портом. Составное устройство занимает два уровня (см. рис. 1). На 7-ом уровне могут находиться только функции.

Главный USB-порт. В любой USB-системе может быть только один главный USB-порт. Устройство, которое соединяет главную компьютерную систему с USB-интерфейсом называется главный контроллер (Host Controller). Корневой размножитель входит в состав главной системы для организации нескольких точек подключения.

USB-устройство. В качестве USB-устройства может выступать либо размножитель, формирующий дополнительные точки подключения к USB-шине, либо функция, представляющее собой устройство для расширения возможностей главной системы, например, клавиатура, джойстик, сканер и т.п.

Следует отметить об одном ограничении, связанным с представленной на рис.1 топологией. Оно касается невозможности соединения между собой двух функций. В виду практической целесообразности такого режима обмена данными, например, при печати под непосредственным управлением цифровой камеры, разработан дополнительный стандарт USB On-The-Go (USB OTG) [2]. Организация USB OTG-связи подразумевает участие в обмене информацией только двух устройств, при этом как минимум одно из них должно поддерживать двухоперационность (dual-role). Двухоперационность означает возможность взятия на себя функции «главного» внешним устройством для инициации сеанса связи с подключенным к нему другим внешним устройством.

Интерфейс USB является 4-проводным, но в разъеме USB OTG имеется дополнительный вывод, который служит для локального подключения идентификационного резистора. Назначение и расположение выводов представлено в таблице 1.

Поскольку, в физическом USB-соединении участвует только два объекта, где один – сторона А, а второй –сторона В, то соответственно разделяются и USB-разъемы: Standard-A, Mini-A (вилка, розетка), соединяемые только на стороне А и Standard-B, Mini-B (вилка, розетка), соединяемые только на стороне В. В USB OTG-системах, где допускается работа как главного, так и как устройства, может быть установлена розетка Mini-AB, которая допускает присоединение вилки и Mini-A и Mini-B.

Таблица 1. Назначение и расположение выводов в разъеме

В зависимости от величины скорости связи каждая USB-шина работает в одном из режимов:

Состояние и перспективы развития USB-номенклатуры Philips Semiconductors

Philips Semiconductors предлагает спектр решений, которые закрывают все вопросы, связанные с организацией USB-связи. В таблице 2 представлена серийно выпускаемая в настоящее время номенклатура фирмы Philips Semiconductors для различных USB-технологий: USB OTG, USB и Hi-Speed USB.

Если рассматривать USB-контроллеры как устройство преобразования шины микропроцессора в один из вариантов шины USB, то в этом плане можно выделить, соответственно два направления развития:

В данном направлении Philips недавно анонсировала две новых ИС: ISP1760 – высокоскоростной главный USB-контроллер и ISP1761 – однокристальный высокоскоростной главный и периферийный контроллер с поддержкой USB On-the-Go. Данные ИС характеризуются высокой производительностью и малой потребляемой мощностью и наиболее широким соответствием требованиям USB 2.0 при скорости до 480 Мбит/сек. Они характеризуются аналогичными прототипам из таблицы 1 областями применения, но при этом позволяют существенно поднять скорость передачи информации, а сниженное энергопотребление позволит продлить ресурс батареи питания портативных устройств.

Кроме того, семейство ISP176x содержит программный стек FlexiUSB, который поддерживает операционные системы реального времени WinCE, Linux™, Symbian™, VxWorks™, µITRON™ и Nucleus™ и тем самым позволяет сократить затраты времени на разработку USB-продукции.

Рассмотрим примеры построения USB-систем на основе ISP1581 – высокоскоростного контроллера USB-устройства, сочетающего в себе два параллельных интерфейса: шина микроконтроллера и совместимый с ATA/ATAPI-интерфейс с поддержкой прямого доступа к памяти (ПДП). Последняя особенность делает полезным применение данной ИС для построения моста USB-ATA/ATAPI (рисунок 2а), который может быть полезен для любителей цифровой съемки во время длительных путешествий для хранения многочисленных фотографий на винчестере, а также для применения в сканерах для передачи в компьютер оцифрованного изображения (рисунок 2б). Подробные электрические схемы и описания данных устройств доступны с сайта Philips Semiconductors [3] в соответствующих рекомендациях по применению (Application Note).

Рисунок 2 – Примеры использования ISP1581

USB в аудио-приложениях

Последнее время интерфейс USB становится популярным в качестве канала передачи аудио-информации. При этом, в таких устройствах, как микрофон, акустическая система, наушники и др., привычные аналоговые сигналы заменяются на цифровые в стандарте USB. Помимо известных преимуществ передачи аналоговой информации в цифровом виде (отсутствие потерь и искажений) использование интерфейса USB в качестве цифрового интерфейса также привносит такие особенности как возможность автоматического определения параметров подключенных устройств, повышенная надежность и др. В этом направлении Philips Semiconductor предлагает две разработки:

Отличительные особенности UDA1325:

Канал аудио воспроизведения

Таблица 2. Выпускаемая USB-номенклатура фирмы Philips Semiconductors

Прим. HS, FS, LS – высокоскоростной, полноскоростной, низкоскоростной, соответственно

Конечные точки USB

На рисунке 3 представлена схема включения UDA1321, которая может использоваться для построения акустической системы с подключением к источнику аудио-сигнала через интерфейс USB. Линии цифрового ввода/вывода могут использоваться для подключения цифрового сигнального процессора, поддерживающего интерфейс I2S. Линии портов ввода-вывода микроконтроллера позволяют организовать ввод информации с локальных органов управления (кнопок, переключателей) и индикацию.

Рисунок 3 – Схема включения аудио-ЦАП с USB интерфейсом UDA1321

Таблица 3. Характеристика семейства ISP 150x

В указанном применении линейные выходы «ЛЕВЫЙ КАНАЛ» и «ПРАВЫЙ КАНАЛ» должны быть подключены к входам стереофонического усилителя мощности. Встроенный микроконтроллер может работать от внутреннего ПЗУ (EA=1), где хранится «фирменная прошивка», или от внешнего ПЗУ (EA=0) с программой разработчика, но в этом случае количество линий ввода-вывода существенно сокращается. Необходимая программная поддержка может быть найдена на сайте Philips Semiconductors [3].

Источник

Обзор USB-компонентов от Texas Instruments

Все USB-компоненты Texas Instruments
разделяются на три группы: разветвители, приемопередатчики и периферия.
Все описанные компоненты (за исключением отдельно оговоренных) предназначены
для работы в промышленном диапазоне температур: от –40 до +85 °C.

USB-разветвители

USB-разветвители, или хабы (USB-hub),
предназначены для возможности подключения к одному хост-порту (USB-Host) нескольких любых устройств (USB-Device). Скорость
работы хабов Texas Instruments (табл. 1) ограничена 12 Мбит/с (Full-Speed, FS). Однако
это не мешает подключать к этим хабам высокоскоростные устройства на 480 Мбит/c
(High-Speed, HS), но необходимо учесть, что
реальная скорость работы этих устройств будет ограничена возможностями хаба.

Таблица 1. Разветвители шины USB от Texas Instruments

TUSB2036/44B/77A

Это семейство USB-хабов со встроенными
трансиверами, рассчитанных на одновременное подключение до трех (TUSB2036), четырех (TUSB2046B) или семи (TUSB2077A) USB-устройств. Они совместимы со спецификацией протокола USB v1.1. USB-разветвители
TUSB2036/44B/77A не содержат в своем составе CPU и поэтому не требуют никакого
программирования, все режимы работы определяются логическими уровнями на соответствующих выводах. Например, можно
установить число доступных портов, число
одновременно обслуживаемых устройств,
режим питания подключаемых устройств:
от USB-шины или собственное питание (вход
BUSPWR). Для уникальной идентификации
конечного устройства на базе этих USB-хабов имеется возможность подключения
внешней EEPROM (M93C4 или аналогичные),
в которой указывается набор VID/PID, и текстовое сообщение, отображаемое при первом
подключении устройства. В противном случае эти данные устанавливаются по умолчанию: “General Purpose USB Hub”. Эти модели требуют внешнего кварцевого резонатора частотой 6 или 48 МГц и внешнего 3,3-В
стабилизатора. Для управления питанием
подключаемых устройств имеется возможность подключения внешних контроллеров
питания с ограничением тока потребления,
например TPS2044B.

TUSB2136/505

Семейство полностью программно управляемых USB-хабов со встроенными трансиверами, рассчитанных на одновременное
подключение до двух (TUSB2136) или пяти
(TUSB5052B) USB-устройств. Совместимы
со спецификацией протокола USB 1.1. Скорость работы — 1,5 Мбит/с (Low-Speed, LS)
или 12 Мбит/с (FS). Эти устройства отличаются от семейства TUSB2036/44B/77A тем, что
имеют в своем составе CPU 8052. Доступны
две области ОЗУ: 8 кбайт (TUSB2136) или
16 кбайт (TUSB5052) для хранения исполняемого кода, загружаемого из внешней I2C EEPROM-памяти, и 256 байт (TUSB2136) или
2 кбайт (TUSB5052) — для хранения данных.
После подачи на микросхему питания управление передается встроенному стартовому
загрузчику. Этот загрузчик копирует пользовательское ПО из внешней EEPROM-памяти во внутреннее ОЗУ и затем передает управление этому ПО. Всего в микросхемах реализованы 4 программно управляемых пользовательских порта ввода/вывода и сторожевой
таймер. Всего доступно до 3 конечных точек
IN и OUT. Благодаря наличию внутреннего
CPU, область назначения TUSB2136/5052
не ограничивается лишь функциями USB-хаба. Отдельно стоит отметить микросхему
TUSB5052, в которую, помимо всего вышеописанного, встроен полнофункциональный
модуль UART с соответствующими модемными сигналами и 4-канальный DMA-контроллер, значительно ускоряющий работу по
передаче больших потоков данных.

USB-трансиверы

USB-трансиверы реализуют физический
уровень шины USB, определяющий логические уровни напряжения и другие физические параметры шины передачи данных. Как
правило, они имеют встроенные узлы защиты шины от перенапряжения и контроля состояния шины. На данный момент компания
TI производит три микросхемы-трансивера
(табл. 2), различающихся по областям применения.

Таблица 2. Трансиверы USB от Texas Instruments

TUSB1105/06

Универсальные трансиверы для работы как
в составе USB-устройств, так и в составе USB-хабов. Скорость работы — до 12 Мбит/с.
В микросхемы встроен стабилизатор напряжения 3,3 В (номинальное входное напряжение питания — 5 В). Трансиверы совместимы по логическим уровням от 1,65 до 3,6 В,
что позволяет использовать их с большинством CPLD/FPGA и микроконтроллерами
(со встроенным PHY). Напряжения пробоя
составляет ±9 кВ относительно выводов
D+/D–/Vcc (5 В), что соответствует стандарту IEC-61000-4-2.

TUSB2251

Экономичный трансивер для работы только в составе USB-устройств (USB-device). Как
и TUSB1105/06, имеет встроенный стабилизатор напряжения 5,0 В→3,3 В. Благодаря
двойному питанию, позволяет работать с логическими уровнями вплоть до 1,65 В, что делает TUSB2251 идеальных выбором для портативных устройств и техники с батарейным
питанием: это мобильные телефоны, КПК,
смартфоны, MP3-плееры.

USB-периферия

Это специализированные микросхемы для
построения различного рода USB-устройств.
Чаще всего являются преобразователями распространенных последовательных интерфейсов (UART, I2C, SPI и др.) и параллельных
(JTAG, IDE). Все микросхемы этой группы,
производимые компанией TI, приведены
в таблице 3.

Таблица 3. Периферийные устройства USB от Texas Instruments

TUSB3210

Периферийный контроллер USB со встроенным ядром CPU семейства 8052. Предназначен для построения специализированных
USB-клавиатур, сканеров штрих-кода. Тактовая частота ядра составляет 48 МГц с внешним кварцевым резонатором 12 МГц, благодаря встроенному умножителю частоты на 4,
при этом производительность составляет
4 MIPS (12 тактов на одну команду). Максимальная скорость обмена по шине USB составляет 12 Мбит/с. Пользовательский код
загружается из внешней I2C EERPOM-памяти объемом не менее 8 кбайт. Для работы
TUSB3210 необходим стабилизатор с выходным напряжением 3,3 В. Диапазон рабочей
температуры: 0…+70 °C.

TUSB3410/3410Q1

Специализированные USB-контроллеры,
специально спроектированные для построения
преобразователей интерфейсов USB→UART
для использования в компьютерах, лишенных аппаратно реализованных портов RS-232
(например, ноутбуки). Благодаря встроенному процессорному ядру CPU семейства 8052
и двухканальному DMA-контроллеру, стала возможной работа на значительно более высоких скоростях — до 921,6 кбит/с,
по сравнению с обычным портом RS-232—
до 115,2 кбит/с. Помимо прочего, полностью
реализованы все модемные сигналы, то есть
поддержана совместимость с 16C550A. Более
того, аппаратно реализована поддержка управления внешним трансивером шины RS-485
и режим IrDA (до 115 кбит/с). Тактовая частота ядра составляет 48 МГц (внешний кварцевый резонатор 12 МГц и ФАПЧ4). Производительность составляет 4 MIPS (12 тактов на одну команду). Имеется встроенный
сторожевой таймер с периодом 128 мс. Пользовательский код загружается из внешней I2C
EERPOM-памяти объемом не менее 16 кбайт.
Дополнительно для пользовательского ПО доступны 4 независимые линии ввода/вывода.
Для работы микросхем необходим стабилизатор с выходным напряжением 3,3 В.

TUSB6015

Специализированный одноканальный USB-контроллер, спроектированный для создания
устройств типа USB-Flash накопителей USB
2.0 в режиме High-Speed (до 480 Мбит/с).
Для этого в микросхему встроен 16-битный
контроллер NOR Flash-памяти с совмещенными шинами адреса и данных. Доступен режим асинхронного произвольного и синхронного потокового обмена с 16/32-битными данными. Для управления параметрами
работы TUSB6015 предназначены соответствующие входы, например, выбор тактовой
частоты 19,2 или 38,4 МГц. Микросхема не
требует программирования, так как вся логика управления «зашита» внутри микросхемы.
Благодаря встроенному в микросхему DMA-контроллеру, частота тактового сигнала для
обмена данными с внешней памятью достигает 65 МГц. Для нормальной работы помимо источника напряжения 3,3 В требуются
два дополнительных источника 1,5 и 1,8 В для
работы встроенного ядра, интегрированного USB 2.0 PHY, контроллера прерываний
и контроллера внешней памяти. Дополнительно стоит отметить низкий ток потребления в спящем режиме — до 20 мкА.

TUSB6010B

Многофункциональный одноканальный
USB 2.0 High-Speed контроллер со встроенным контроллером NOR Flash-памяти и контроллером USB 2.0 OTG PHY. Пользователю
доступен на выбор один из трех режимов работы микросхемы: хост-контроллер, устройство общего назначения или устройство в режиме OTG с поддержкой протоколов SRP
(Session Request Protocol) и HNP (Host Negotiation
Protocol). TUSB6010B полностью соответствует спецификации USB Rev. 2.0 и USB
OTG Rev. 1.3. Область применения микросхемы: USB-хост и USB-OTG контроллеры
в составе сложных устройств, классические
USB-Flash накопители. Сверхнизкий собственный ток потребления в спящем режиме
позволяет создавать на базе TUSB6010B устройства с батарейным питанием. Для нормальной работы помимо источника напряжения 3,3 В требуются два дополнительных
источника 1,5 и 1,8 В. Для работы микросхемы в режиме USB OTG для управления питанием идеально подходит преобразователь
напряжения TPS65030, построенный на основе стабилизатора на переключаемых конденсаторах.

TUSB6020

Многофункциональный одноканальный
USB 2.0 High-Speed контроллер со встроенным высокоскоростным контроллером последовательной шины VLYNQ (четыре независимых канала). На этом отличия TUSB6020
от TUSB6010B заканчиваются. Область применения: USB-хост и USB-OTG контроллеры
в составе многофункциональных устройств.
Для нормальной работы помимо источника
напряжения 3,3 В требуются два дополнительных источника 1,5 и 1,8 В.

TUSB6520

Специализированный высокоскоростной
преобразователь интерфейсов USB — ATA/ATAPI со встроенным модифицированным
микропроцессорным ядром 8051 (два такта
на одну команду), работающим на частоте
60 МГц (30 MIPS). Имеет встроенное ОЗУ для
хранения исполняемой пользовательской
программы объемом 32 кбайт, 8 кбайт ОЗУ
для внутренних буферов и данных, 1152 байта ОЗУ для хранения содержимого секторов,
8 кбайт предварительно запрограммированного ПЗУ для хранения кода стартового загрузчика (рисунок). В функции этого загрузчика
входит чтение исполняемого пользовательского кода из внешней I2C EEPROM-памяти (например, 24LC256) и последующая передача ему
управления. Для полноценной работы устройства на базе TUSB6520 необходим кварцевый
резонатор или генератор 24 МГц и внешний
стабилизатор напряжения 5 В→3,3 В. Контроллер ATA/ATAPI поддерживает все режимы
PIO, DMA и UDMA (UDMA-66 и ATA-66),
обеспечивая максимальную теоретическую
пропускную способность до 66 Мбайт/с.
Автору статьи приходилось иметь опыт работы с TUSB6520: максимальная скорость работы с обычным 3,5″ жестким диском IDE достигала 28 Мбайт/с, с IDE DVD-приводом18 Мбайт/с. Область применения микросхемы: различного рода Mobile Racks с интерфейсом USB, устройства для USB внешних
накопителей на основе стандартных жестких
дисков с интерфейсом IDE, внешние USB
DVD/CD-накопители и т. п.

Необходимо отметить эффективную политику компании в области бесплатного предоставления образцов своей продукции для начального ознакомления для ускорения выхода конечных изделий на рынок. В частности,
практически все описанные в статье микросхемы доступны для использования в качестве образцов. Более подробную документацию
по всем приведенным в статье компонентам
можно найти на сайте производителя компонентов: www.ti.com/usb.

Рисунок. Структурная схема USB-контроллера TUSB6520

Источник