USB2.0特性及USB单片机

### USB2.0特性及USB单片机 #### 一、USB总线简介 通用串行总线（Universal Serial Bus，简称USB）是一种用于连接计算机与其各种外部设备（如鼠标、键盘、数码相机等）的标准接口。USB技术的发展极大地简化了用户与外设之间的连接方式，并且提升了数据传输的速度。 USB的拓扑结构采用树形结构，通过一个或多个集线器（Hub）连接多个设备，最多支持127个设备连接。USB线缆通常包括四条线路：Vbus（用于供电）、D+ 和 D-（用于数据传输）、以及 GND（接地）。USB线缆的最大长度一般不超过5米，以确保信号质量。 早期的USB版本如USB 1.1支持的数据传输速率最高可达12 Mbps，其中低速外设的标准速率为1.5 Mbps，高速外设为12 Mbps。为了提高带宽利用率，USB总线会在所有USB信道之间动态分配带宽。当一个USB外设在一段时间内（例如3毫秒以上）不使用时，将自动进入挂起状态，此时仅消耗极低的电流（约0.5 mA）。 #### 二、USB2.0特性 随着技术的进步，为了满足高速外设的需求，USB2.0标准于2000年发布。相较于USB 1.1，USB2.0的速度提高了40倍，达到了480 Mbps的高速传输速率。这一提升使得USB技术能够广泛应用于硬盘、电缆调制解调器、信息家电以及其他高速外设。 ##### 2.1 设计USB2.0系统的两种方法 设计USB2.0系统的常见方法有两种： 1. **多芯片方法**：这种方法需要购买USB2.0收发器和串行接口引擎（SIE），并将它们与单片机相连。在这种情况下，单片机需要处理大部分的USB协议。虽然最终产品的成本较低，但对于大规模生产来说，设计过程更为复杂，上市时间也较长。 2. **单芯片方法**：这种方法使用单个芯片来实现USB2.0的功能，如Cypress半导体公司的EZ-USB FX2。这种单芯片包含了USB2.0物理层（PHY）电路和基于8051架构的微控制器。使用单芯片方法的优势在于简化了设计流程，降低了开发难度，从而加快了产品的上市速度。 ##### 2.2 物理层（PHY）和接口设计挑战 在设计USB2.0的物理层时，设计师面临着新的挑战。例如，在高速模式下，数字和模拟部分之间的接口需要更加精确的设计，噪声容限变得更小。此外，USB2.0的电压摆幅比USB 1.1要小，这意味着在设计时需要更加仔细地考虑信号完整性和电磁干扰（EMI）问题。 #### 三、USB单片机的应用 USB单片机是指集成了USB接口的微控制器，它可以作为USB主机或USB设备进行工作。这类单片机非常适合于小型电子设备的设计，因为它可以简化硬件设计，减少外部组件的数量，并且能够提供与USB主机的直接通信能力。 ##### 3.1 单片机与USB2.0结合的优势 - **集成度高**：单片机集成了USB2.0物理层和控制逻辑，减少了对外部组件的需求。 - **设计简便**：由于单芯片方案集成了USB2.0的所有必要组件，因此简化了设计流程，降低了开发难度。 - **成本效益**：单芯片方案的成本通常低于多芯片方案，尤其是在大规模生产时。 - **快速上市**：单芯片解决方案可以显著缩短产品从设计到市场的周期。 USB2.0标准及其与单片机的结合不仅极大地提高了数据传输的速度，而且通过简化设计流程，降低了生产成本，加快了产品的市场投放速度。对于现代电子产品设计而言，这些优势至关重要。