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(diǎn)，具體給出了PDIUSBD12芯片在掃描儀信號(hào)處理USB接口電路的具體應(yīng)用。 
關(guān)鍵詞：PDIUSBD12芯片；信號(hào)處理；USB接口；掃描儀 

1　PDIUSBD12芯片的性能與特點(diǎn)
    Philips公司生產(chǎn)的型號(hào)為PDIUSBD12的接口芯片是一個(gè)具有集成的SIE，F(xiàn)IFO存儲(chǔ)器、發(fā)送器和電壓調(diào)整器的高性能USB接口芯片，同時(shí)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(guò)高速的并行接口和系統(tǒng)中的微處理器進(jìn)行通信，其中最高并行接口速率可以達(dá)到2 MB／s，是一個(gè)具有8位數(shù)據(jù)總線(xiàn)和一個(gè)地址的存儲(chǔ)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(lái)實(shí)現(xiàn)USB協(xié)議層的完整功能。具體功能如下：同步方式識(shí)別、并／串轉(zhuǎn)換、比特填充／解填充、CRC校驗(yàn)／生成、PID確認(rèn)／生成、地址識(shí)別和握手信號(hào)的鑒定／生成、批處理數(shù)據(jù)傳輸可達(dá)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(jí)標(biāo)準(zhǔn)工作環(huán)境溫度范圍為－40～＋85℃。也就是說(shuō)，利用該芯片可以完成微控制器所送出的信號(hào)到符號(hào)USB規(guī)范的信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

2　USB工作電路
    USB相對(duì)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(jiǎn)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(duì)計(jì)算機(jī)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(shí)在太慢。USB接口可以從速度和安裝的簡(jiǎn)易性?xún)煞矫鏉M(mǎn)足用戶(hù)的要求?，F(xiàn)在的主流掃描儀生產(chǎn)廠(chǎng)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(jī)器具有以下的優(yōu)點(diǎn)：
    （1）USB接口可以有效地提升數(shù)據(jù)的傳輸速度。
    （2）無(wú)外置電源設(shè)計(jì)，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(jì)，外觀(guān)悅目。

2．1　硬件電路的設(shè)計(jì)
    利用PDIUSBD12集成電路來(lái)實(shí)現(xiàn)USB接口，可以允許設(shè)計(jì)者從市場(chǎng)上的多種微控制器中選擇一種合適的產(chǎn)品來(lái)使用。這種靈活性可以通過(guò)使用現(xiàn)有的體系結(jié)構(gòu)來(lái)降低開(kāi)發(fā)費(fèi)用，同時(shí)還可以縮短開(kāi)發(fā)周期。
    圖2所示是采用了1個(gè)80C51的微控制器與PDIUSBD12集成電路相互連接的簡(jiǎn)圖。由于80C51是應(yīng)用比較廣泛的一種單片機(jī)微控制器，軟件開(kāi)發(fā)工作者在其基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)大量的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，大多數(shù)電子工程師對(duì)其的原因都比較熟悉。因此，用戶(hù)可以利用比較熟悉的微處理器（80C51）進(jìn)行核心程序的設(shè)計(jì)，即用80C51來(lái)實(shí)現(xiàn)其所需的功能，具體將數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換為符合USB規(guī)則的信號(hào)，則完全由PDIUSBD12來(lái)完成。這樣以來(lái)，既可以利用80C51中豐富的軟件資源，又可以利用USB總線(xiàn)技術(shù)的即插即用、熱插拔等特性，可以使開(kāi)發(fā)設(shè)備的成本降低、縮短開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的時(shí)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(gè)符合SCSI標(biāo)準(zhǔn)的掃描儀轉(zhuǎn)換變成一個(gè)USB總線(xiàn)規(guī)范的設(shè)備，該方案對(duì)現(xiàn)有硬件進(jìn)行最小改動(dòng)的情況下達(dá)到了USB接口技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

2．2　數(shù)據(jù)信號(hào)驅(qū)動(dòng)
    USB使用一個(gè)差模驅(qū)動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)向USB電纜傳輸U(kuò)SB數(shù)據(jù)信號(hào)。在低輸出狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)器穩(wěn)態(tài)輸出的變化幅度必須是VOL＜0．3 V，此時(shí)應(yīng)有1．5 kΩ負(fù)載加到3．6 V電源上；在高輸出狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)器穩(wěn)態(tài)輸出的變化幅度必須使VOH＞2．8 V，此時(shí)在地上有15 kΩ負(fù)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(jìn)行平衡，從而將信號(hào)偏差減至最小。另外，還需要驅(qū)動(dòng)器上的擺動(dòng)速率控制功能把輻射噪音和串話(huà)減至最小。驅(qū)動(dòng)器輸出必須支持三態(tài)操作，以此來(lái)進(jìn)行雙向半雙工通信。同時(shí)還需高阻抗來(lái)將那些正在進(jìn)行熱插入操作或已經(jīng)連接了但電源卻沒(méi)有接通的下行設(shè)備同端口隔離開(kāi)來(lái)。相對(duì)于沒(méi)有損壞的局部參考地而言，驅(qū)動(dòng)器必須能承受信號(hào)管腳上的－0．5～3．8 V電壓。

2．3　數(shù)據(jù)信號(hào)接收
    接受USB數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)也必須利用1個(gè)差模輸入接受器。當(dāng)2個(gè)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(shí)，接受器具有的靈敏度至少200 mV，這稱(chēng)為共模輸入電壓范圍。當(dāng)差模信號(hào)線(xiàn)不在共模范圍之內(nèi)時(shí)，也要求能進(jìn)行正確的數(shù)據(jù)接受。如果在沒(méi)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(duì)于不同的接收器而言，每一條信號(hào)線(xiàn)都必須有1個(gè)單端接收器，這樣接收器必須具有1個(gè)位于0．8～2．0 V之間（TTL輸入）這樣的開(kāi)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(hào)時(shí)，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(lái)表示，而“0”由電平發(fā)生變化來(lái)表示。圖4給出一個(gè)數(shù)據(jù)流和等同的NRZI碼流，其中高電平代表數(shù)據(jù)線(xiàn)上的J狀態(tài)，而圖示代表了NRZI編碼過(guò)程。一串“0”會(huì)使得NRZI數(shù)據(jù)每比特周期都會(huì)出現(xiàn)跳變，而一串連“1”則使得數(shù)據(jù)中長(zhǎng)時(shí)間不會(huì)出現(xiàn)變化。

3．2　比特填充
    為了保證信號(hào)有足夠的變化，在USB上發(fā)送一個(gè)分組數(shù)據(jù)時(shí)，傳輸設(shè)備要進(jìn)行比特填充。如圖5所示，對(duì)于USB上進(jìn)行NRZI編碼之前，在數(shù)據(jù)流內(nèi)每6個(gè)連“1”之后都應(yīng)該插入1個(gè)“0”，從而在NRZI數(shù)據(jù)流中強(qiáng)制加入1個(gè)變化。這樣在邏輯上至少每7個(gè)比特周期，接收器就會(huì)接收到1個(gè)數(shù)據(jù)變化，以保證數(shù)據(jù)和時(shí)鐘相互鎖定。接收器必須對(duì)NRZI數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，識(shí)別填充比特并丟失他們。比特填充sync（同步）模式開(kāi)始進(jìn)行，并貫穿于整個(gè)傳輸過(guò)程中。用于終止該sync方式的數(shù)據(jù)“1”，將作為一個(gè)序列中的第1個(gè)數(shù)據(jù)而加以計(jì)數(shù)。比特填充總是被強(qiáng)制執(zhí)行，不會(huì)有什么例外。如果比特填充原則需要的話(huà)，即使該比特是分組結(jié)束（EOP）信號(hào)之前的最后一個(gè)比特，也會(huì)在最后面插入一個(gè)“0”比特?！　?/p>

3．3　數(shù)據(jù)信號(hào)速率
    全速數(shù)據(jù)速率的標(biāo)稱(chēng)值是12 Mb／s。對(duì)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(shí)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(duì)于低速率名譽(yù)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(zhǔn)確性：最初的頻率的正確度、晶體容性負(fù)載、提高給振蕩器的電壓、溫度和老化。低速率的的抖動(dòng)應(yīng)該小于10 ns，這一容差允許在低速率設(shè)備中實(shí)用價(jià)格較低振蕩器。

4　結(jié)　論
    近幾年來(lái)，隨著大量支持USB的個(gè)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(xì)介紹了PDIUSBD12芯片在USB接口電路方面的應(yīng)用。所以，對(duì)于廣大的工程師設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，USB是設(shè)計(jì)外設(shè)接口時(shí)的首選總線(xiàn)。

參考文獻(xiàn)
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［3］　紀(jì)宗南．輸入通道器件分冊(cè)［M］．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002．