摘 要：介紹了Philips公司生產的USB系列芯片PDIUSBD12的工作性能與特點，具體給出了PDIUSBD12芯片在掃描儀信號處理USB接口電路的具體應用。
關鍵詞：PDIUSBD12芯片；信號處理；USB接口；掃描儀
1 PDIUSBD12芯片的性能與特點
Philips公司生產的型號為PDIUSBD12的接口芯片是一個具有集成的SIE，FIFO存儲器、發送器和電壓調整器的高性能USB接口芯片，同時還支持DMA邏輯傳輸形式。他通常應用于基于微控制器的系統中，并且可以通過高速的并行接口和系統中的微處理器進行通信，其中最高并行接口速率可以達到2 MB／s，是一個具有8位數據總線和一個地址的存儲與數據交換設備。
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用來實現USB協議層的完整功能。具體功能如下：同步方式識別、并／串轉換、比特填充／解填充、CRC校驗／生成、PID確認／生成、地址識別和握手信號的鑒定／生成、批處理數據傳輸可達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、工業級標準工作環境溫度范圍為－40～＋85℃。也就是說，利用該芯片可以完成微控制器所送出的信號到符號USB規范的信號的轉換。
2 USB工作電路
USB相對于其他傳統接口而言，其快速數據傳輸能力和安裝簡單的和諧平衡在掃描儀上體現得尤為突出。傳統的SCSI接口的掃描儀安裝極為麻煩，并且對計算機的要求非常苛求，必須帶有SCSI接口，并行接口傳輸數據又顯得實在太慢。USB接口可以從速度和安裝的簡易性兩方面滿足用戶的要求。現在的主流掃描儀生產廠家都在生產USB接口掃描儀，如HP，ACER和TARGA等公司都在紛紛推出，這種款式的機器具有以下的優點：
（1）USB接口可以有效地提升數據的傳輸速度。
（2）無外置電源設計，采用CIS技術，耗電量只有2 W，便攜可靠。
（3）采用了超薄超輕的設計，外觀悅目。
2．1 硬件電路的設計
利用PDIUSBD12集成電路來實現USB接口，可以允許設計者從市場上的多種微控制器中選擇一種合適的產品來使用。這種靈活性可以通過使用現有的體系結構來降低開發費用，同時還可以縮短開發周期。
圖2所示是采用了1個80C51的微控制器與PDIUSBD12集成電路相互連接的簡圖。由于80C51是應用比較廣泛的一種單片機微控制器，軟件開發工作者在其基礎上開發大量的軟件開發平臺，大多數電子工程師對其的原因都比較熟悉。因此，用戶可以利用比較熟悉的微處理器（80C51）進行核心程序的設計，即用80C51來實現其所需的功能，具體將數據信號轉換為符合USB規則的信號，則完全由PDIUSBD12來完成。這樣以來，既可以利用80C51中豐富的軟件資源，又可以利用USB總線技術的即插即用、熱插拔等特性，可以使開發設備的成本降低、縮短開發產品的時間周期。
圖3所示是利用PDIUSBD12和1塊80C51微處理器構成的硬件系統框圖，他是將一個符合SCSI標準的掃描儀轉換變成一個USB總線規范的設備，該方案對現有硬件進行最小改動的情況下達到了USB接口技術實現。
2．2 數據信號驅動
USB使用一個差模驅動器來實現向USB電纜傳輸USB數據信號。在低輸出狀態，驅動器穩態輸出的變化幅度必須是VOL＜0．3 V，此時應有1．5 kΩ負載加到3．6 V電源上；在高輸出狀態，驅動器穩態輸出的變化幅度必須使VOH＞2．8 V，此時在地上有15 kΩ負載，差模高輸出狀態和低輸出狀態之間輸出的變化幅度必須很好地進行平衡，從而將信號偏差減至最小。另外，還需要驅動器上的擺動速率控制功能把輻射噪音和串話減至最小。驅動器輸出必須支持三態操作，以此來進行雙向半雙工通信。同時還需高阻抗來將那些正在進行熱插入操作或已經連接了但電源卻沒有接通的下行設備同端口隔離開來。相對于沒有損壞的局部參考地而言，驅動器必須能承受信號管腳上的－0．5～3．8 V電壓。
2．3 數據信號接收
接受USB數據信號時也必須利用1個差模輸入接受器。當2個差模數據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，接受器具有的靈敏度至少200 mV，這稱為共模輸入電壓范圍。當差模信號線不在共模范圍之內時，也要求能進行正確的數據接受。如果在沒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態電平輸入電壓應該位于－0．5～3．8 V之間。另外對于不同的接收器而言，每一條信號線都必須有1個單端接收器，這樣接收器必須具有1個位于0．8～2．0 V之間（TTL輸入）這樣的開關閥值電壓。
3 USB接口工作電路主要參數
3．1 數據編碼／解碼
在傳輸信號時，USB應用了NRZI編碼方式。在NRZI編碼中，“1”由不出現電平變化來表示，而“0”由電平發生變化來表示。圖4給出一個數據流和等同的NRZI碼流，其中高電平代表數據線上的J狀態，而圖示代表了NRZI編碼過程。一串“0”會使得NRZI數據每比特周期都會出現跳變，而一串連“1”則使得數據中長時間不會出現變化。
3．2 比特填充
為了保證信號有足夠的變化，在USB上發送一個分組數據時，傳輸設備要進行比特填充。如圖5所示，對于USB上進行NRZI編碼之前，在數據流內每6個連“1”之后都應該插入1個“0”，從而在NRZI數據流中強制加入1個變化。這樣在邏輯上至少每7個比特周期，接收器就會接收到1個數據變化，以保證數據和時鐘相互鎖定。接收器必須對NRZI數據進行解碼，識別填充比特并丟失他們。比特填充sync（同步）模式開始進行，并貫穿于整個傳輸過程中。用于終止該sync方式的數據“1”，將作為一個序列中的第1個數據而加以計數。比特填充總是被強制執行，不會有什么例外。如果比特填充原則需要的話，即使該比特是分組結束（EOP）信號之前的最后一個比特，也會在最后面插入一個“0”比特。
3．3 數據信號速率
全速數據速率的標稱值是12 Mb／s。對于全功能設備的數據速率容差為±0．25％。為了符合幀時間間隔精度的需要，主控制器的精度必須保證其優于±0．05％。對于低速率名譽上為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生的不準確性：最初的頻率的正確度、晶體容性負載、提高給振蕩器的電壓、溫度和老化。低速率的的抖動應該小于10 ns，這一容差允許在低速率設備中實用價格較低振蕩器。
4 結 論
近幾年來，隨著大量支持USB的個人電腦及Windows的廣泛應用，使用USB接口設備（攜式、手提式電子產品的日益增多）也以驚人的述度發展。這里詳細介紹了PDIUSBD12芯片在USB接口電路方面的應用。所以，對于廣大的工程師設計人員來說，USB是設計外設接口時的首選總線。
參考文獻
［1］ USBclass definition for printing device．Ver sion1．0．http／／www．usb．org／developers
［2］ 張念淮，等．USB總線接口開發指南［M］．北京：國防工業出版社，2002．
［3］ 紀宗南．輸入通道器件分冊［M］．北京：北京航空航天大學出版社，2002．
