USB接口扩展与差分信号仿真

要外扩一个USB控制器，本文选用CY7C68013A作为USB控制器。基于CY7C68013A主要用于控制USB接口通信，并不对其他设备进行操作，设计中选用了Cypress公司提供的简化版本的56引脚CY7C68013A，包含PA、PB、PD共3个8 bit并行I/O口。其中PB、PD组成16 bit数据总线，连接到TMS320F2812的GPIO口，负责数据传输；PA复用为USB通信的地址、时序控制和状态信号[3]。CY7C68013A提供了两种接口模式：slave FIFO和GPIF。设计中选用了slave FIFO接口模式，以便于TMS320F2812可以像普通FIFO一样对CY7C68013A中的端点数据缓冲区进行读写。TMS320F2812扩展CY7C68013A与USB接口电路原理图如图2所示。

　　3 USB接口差分数据信号的仿真

　　便携式巡检系统通过USB接口与上位机进行通信。对于USB接口的数据线采用差分布线的方式，以保证信号传输的质量，抑制干扰。通常认为信号在传输时采用3种方式：单点对单点、差分模式和共模模式。相比于单点对单点模式，差分信号有着明显的不足，就是它需要两根走线，如果PCB上信号都采用差分布线的方式，可以想象电路设计者会陷入绝境。但是差分信号又有着其不可替代的优点[3]：

　　（1）差分信号在低电平应用时非常有效。因为如果一个信号的电平非常低，那么这个信号就比较容易受到其他信号的干扰，而差分信号使这个信号的电平加倍。

　　（2）由于差分信号是电平相同而且反向的两根信号，不需要参考平面作为信号回路，这样就不需要地平面或电源平面的连续性和完整性。

　　（3）如果两根信号都存在噪声干扰，就可以通过相减来抵消噪声，因此差分信号对信号干扰有着天然的免疫力。

　　（4）相对于单点信号，差分信号的开关时序会比较精确，因为单点信号受到噪声干扰后时序或占空比通常会发生变化。

　　对于差分布线，如果两根信号线的长度不相等，在接收端收到信号的相位会发生变化，因此进行差分布线时，要将差分信号对约束为等长布线。对于USB的差分信号仿真图如图3所示。

　　由图3可以观察到，没有接电阻端的差分信号存在较强的过冲和振铃现象，容易引起时钟或数据的误判。针对这种现象，通过HyperLynx计算出差分阻抗为159 Ω，而实际中只能选用与159 Ω相近的160 Ω电阻代替。通过在差分信号接收端端接160 Ω电阻来优化差分布线，改善了差分信号存在的过冲和振铃现象，保证了设备巡检系统的稳定运行。经过优化，端接了160 Ω电阻的差分信号仿真图如图4所示。

　　由图4可以观察到，经过端接160 Ω电阻优化后，差分信号线的过冲和振铃现象得到了很好的抑制。

　　USB以其小巧的体积、强大的功能、高效的传输速度及兼容性强等优势迅速成为各嵌入式系统与上位机进行通信的重要方式。本文基于实际项目，分析了USB通信的特点与优势，进一步给出了TMS320F2812扩展CY7C68013A控制USB接口与上位机进行通信的硬件设计。并且使用HyperLynx软件对USB的差分数据信号进行仿真，改进了硬件设计，确保便携式设备巡检系统在工业现场的可靠运行。