2 Принцип работы интерфейса USB

USB - аббревиатура от Universal Serial Bus, что означает универсальная последовательная шина. Первоначальное ее назначение касалось организации простого и универсального подключения между телефонами и компьютерами. Однако, по мере совершенствования спецификаций, USB-интерфейс становится основным интерфейсом для подключения любого периферийного оборудования к ПК, а в современном виде USB дополнен возможностью организовать связь между двумя устройствами, минуя ПК [2].

Ключевые факторы, способствующие популяризации интерфейса USB:

- последовательная передача;

- высокая скорость обмена данными до 480 Мбит/сек;

- наличие линии питания среди интерфейсных сигналов (5В, 500 мА);

- поддержка функции автоматического определения внешнего устройства при подключении (plug-&-play); возможность подключения к шине при включенном питании (hot plug);

- расширяемость USB-порта. С помощью специального устройства - размножителя (hub) - имеется возможность подключения к одному USB-порту до 127 устройств;

-поддержка передачи аудио, видео, голосовой информации в реальном масштабе времени;

-наличие электронных компонентов, интегрирующих как физический, так и логический уровни; поддержка большинством популярных операционных систем.

2.1 Обзор архитектуры USB

Архитектура шины USB выполнена аналогично локальной сети на витой паре, т.е. как многоуровневая звезда (рисунке 2). 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 2 представлена топология шины USB. Вследствие задержек в распространении сигналов в размножителях и кабелях максимальное количество разветвлений (звезд) ограничено до 7, включая корневой уровень. 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. На 7-ом уровне могут находиться только функции.

Рисунок 2 - Топология шины USB

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.

2.2 Протоколы передачи данных USB-порта

Все обмены (транзакции) по USB состоят из трех пакетов. Каждая транзакция планируется и начинается по инициативе контроллера, который посылает пакет-маркер (Token Packet). Этот пакет описывает тип и направление передачи, адрес устройства USB и номер конечной точки.

В каждой транзакции возможен обмен только между адресуемым устройством (его конечной точкой) и хостом. Адресуемое маркером устройство USB распознает свой адрес и подготавливается к обмену. Источник данных (определенный маркером) передает пакет данных (или уведомление об отсутствии данных предназначенных для передачи). После успешного приема пакета приемник данных посылает пакет подтверждения (Handshake Packet).

Планирование транзакций обеспечивает управление поточными каналами. На аппаратном уровне использование отказа от транзакции (NACK) при недопустимой интенсивности передачи предохраняет буферы от переполнения или переопустошения. Маркеры отвергнутых транзакций повторно передаются в свободное для шины время. Управление потоками позволяет гибко планировать обслуживание одновременных разнородных потоков данных.

Устойчивость к ошибкам обеспечивается следующими свойствами USB:

-высокое качество сигналов, обеспечиваемое дифференциальными приемниками и передатчиками и экранированием кабелей;

-защита полей управления и данных CRC-кодами;

-обнаружение подключения и отключения устройств и конфигурирование ресурсов на системном уровне;

-самовосстановление протокола с использованием тайм-аута при потере пакетов;

-управление потоком для обеспечения изохронности и управления аппаратными буферами;

-независимость одних функций от неудачных обменов с другими функциями, обеспечиваемая конструкцией каналов.

Для обнаружения ошибок передачи каждый пакет имеет контрольные поля CRC-кодов, позволяющих обнаруживать все одиночные и двойные битовые ошибки. Аппаратные средства обнаруживают ошибки передачи, а контроллер автоматически производит трехкратную попытку передачи. Если эти повторы безуспешны, сообщение об ошибке передается клиентскому ПО для программной обработки.

2.3 Драйвер D2XX

Драйвер D2XX является альтернативным решением к виртуальному программному обеспечению и обеспечивающий доступ к USB компонентам с использованием DLL. Драйвер применяется для новых разработок и в системах без COM-порта. Драйвер состоит из Windows WDM драйвера и соединяется с устройством, используя USB-стек операционной системы и DLL библиотеку, которая объединяет программное обеспечение (написанное на VC++, C++ Builder, Delphi, VB и т.д.) и WDM драйвер. В комплекте с драйвером на сайте FTDI находятся руководство программиста и примеры программного обеспечения на Visual C++, C++ Builder, Delphi, Visual Basic[8].

3 Функциональная схема АЦП с интерфейсом USB

На рисунке 3 изображена функциональная схема АЦП с интерфейсом USB.

Узел сдвига уровня - предназначен для превращения биполярных (-1,25...+1,25 В) сигналов в однополярные (0…+2,5 В), которые способен обрабатывать АЦП.

АЦП - предназначен для преобразования входного аналогового сигнала в его цифровой эквивалент.

Узел USB - предназначен для комплектации цифрового кода в пакет для последующей передачи его в персональный компьютер.

USB разъём - предназначен для подключения приставки к ПК.

Преобразователь напряжения - предназначен для преобразования напряжения +5В в -5В необходимого для питания операционного усилителя.

Фильтры ИП - предназначен для сглаживания пульсаций входного напряжения.

4 Электрическая схема АЦП с интерфейсом USB

4.1 Выбор микросхем для реализации USB

Микросхема FT232BM (рисунок 4) -- однокристальный асинхронный двунаправленный преобразователь USB -- последовательный интерфейс (RS232, RS422, RS485). FT232BM включает в себя USB приемопередатчик, UART контроллер и буферы, стабилизатор напряжения, умножитель частоты и другие функциональные узлы, которые делают ее готовым решением для быстрой и недорогой модернизации системы с COM портом для работы с USB интерфейсом [5].

Рисунок 4 - Микросхема FT232BM

FT232BM совместим со спецификациями USB 1.1 и USB 2.0 при скорости передачи до 12 Мбит в секунду (Full Speed) и поддерживает интерфейсы хост-контроллеров UHCI (Universal Host Controller Interface) Intel и OHCI (Open Host Controller Interface) Microsoft, Compaq и новым EHCI (Enhanced Host Controller Interface) Intel. Поддерживается передача данных обычных и управляющих пакетов, передача прерываний и изохронных данных -- пакетов передающихся на определенной скорости и не повторяющихся в случае сбоя, например аудио или видео данных.

Буфер передатчика USB составляет 128 байт, приемника -- 384 байта с возможностью программирования таймаута по приему данных с периодом от 1 до 255 мс, что позволяет гибко настраивать быстродействие устройства при передаче коротких пакетов данных.

Встроенный стабилизатор напряжения подключается непосредственно к USB и обеспечивает питание 3,3В для USB -- приемопередатчика и других узлов микросхемы. Кроме этого, стабилизатор имеет выход внешний нагрузки, для питания других компонентов на плате, требующих напряжение 3,3В и небольшой ток потребления (до 5 мА). Токи потребления FT232BM соответствуют требованиям спецификации USB устройств, питание которых осуществляется непосредственно от USB. Собственный ток потребления FT232BM в активном режиме работы не превышает 25 мА, а согласно спецификации USB -- не более 100 мА. В режиме Suspend (приостановка) FT232BM потребляет не более 200 мкА (500 мкА по спецификации).

Компоненты с током потребления более 100 мА должны подключаться через отдельный стабилизатор. Для управления питанием других компонентов схемы в FT232BM предусмотрен вывод "PWREN". "PWREN" подключается в затвор MOSFET ключа и с его помощью подключает и отключает питание компонентов схемы.

Встроенная схема формирования сигнала сброс генерирует импульс длительностью около 5 мс при превышении напряжением питания уровня 3,5 В. Сигнал сброса используется для внутренних цепей FT232BM и имеет дополнительно: вход "RESET" для принудительного сброса микросхемы преобразователя от внешнего устройства и выход "RSTOUT" для сброса других микросхем на плате.

Во время действия сигнала сброс выход "RSTOUT" находится в высокоимпедансном (Z) состоянии, а после окончания сброса на выводе "RSTOUT" устанавливается напряжение 3,3 В. Это позволяет использовать "RSTOUT" для подключения подтягивающего (pull-up) резистора на линию DP USB шины при необходимости применения задержанной энумерации (задержки при подключении и идентификации устройства).

Кроме этого вход "RESET" может быть подключен к USB линии питания через резистивный делитель. В этом случае, при пропадании питания USB хоста или хаба на входе "RESET" будет низкий уровень, FT232BM перейдет в состояние сброса и выводы UART интерфейса перейдут в высокоимпедансное состояние.

FT232BM имеет встроенный интерфейс для подключения EEPROM памяти. Поддерживается 16-битная EEPROM c протоколом Microwire (например 93C46) и быстродействием не менее 1 Мбит/с. Применение EEPROM необходимо для идентификации и спецификации каждого устройства при подключении к хосту нескольких устройств на базе FT232BM.

FT232BM может использоваться без EEPROM в том случае, если к хосту подключено только одно устройство. В этом случае (а также если EEPROM будет незапрограммирована) будут использоваться заданные по умолчанию идентификационные номера VID и PID USB, а серийный номер устройства будет отсутствовать.

При подключении к хосту нескольких устройств на базе FT232BM каждому из них назначается свой виртуальный COM-порт, а серийные номера, VID и PID USB, строки с кратким описанием устройства должны быть предварительно запрограммированы в EEPROM. Программирование памяти осуществляется непосредственно в схеме по USB-интерфейсу с помощью специальной утилиты, которую можно переписать с сайта производителя.

FT232BM имеет встроенный умножитель частоты на базе ФАПЧ, который преобразовывает 6 МГц кварцевого генератора в 12 МГц опорный сигнал для USB-контроллера и 48 МГц для цепи ФАПЧ USB приемопередатчика (USB DPLL) и тактового генератора UART. Генератор UART также имеет встроенный 14-битный делитель, позволяющий перестраивать частоту UART от 183 бод до 3 Мбод. Максимальная скорость при работе с RS-232 составляет 1 Мбит, а с RS-422/485 -- 3 Мбит.

FT232BM имеет поддержку полного набора квитирования модемного интерфейса и поддерживает различные режимы приемо-передачи по UART: асинхронный 7/8 битный, с 1 или 2 стоп-битами, с четностью/нечетностью, маркером, с паритетом или без паритета. Поддерживаются сигналы готовности к передаче/приему RTS/CTS, DSR/DTR и управляющие символы, сообщающие о начале (X-ON) или окончании (X-OFF) передачи.

4.2 Выбор микросхем для реализации АЦП

AD7495AR (рисунок 5) от 1 до 12 бит, высокая скорость, низкое энергопотребление, упорядоченная аппроксимация ADCs, которая работает от одного (2,7В до 5,25В ) блока питания с показателями производительности вплоть до 1 MSPS. Они содержат низкий шум, большую ширину дорожки полосы частот и усилителя, которые могут прооперировать входные частоты выше одного МГц [6].

Рисунок 5 - АЦП микросхема AD7495AR

Конверсионный процесс данных управляется используя CS вход в реальном времени, позволяя устройству связываться с микропроцессором. Конверсионное время определено частотой SCLK.

Использование AD7495AR предоставило проектные методы достижения очень низкого силового рассеивания при высоких показателях производительности.

4.3 Реализация входа АЦП на базе операционного усилителя

OP747AR (рисунок 6) единственный прецизионный биполярный усилитель. Устанавливает стабильные емкостные нагрузки 500pF. Биполярный п-н-п вход связан с высокочастотным CMOS выходом. Это позволяет представлять входной диапазон напряжения усилителя, включая отрицательное напряжение, в пределах 1 мВ выходных шин. К тому же входной диапазон расширяется в пределы 1 В положительных шин. Входная структура п-н-п обеспечивает высокое напряжение пробоя, высокий прирост, и большое значение входного смещения. Входная структура п-н-п также существенно уменьшает шум [7].

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5