延长USB接口传输距离的芯片研究与设计

发布时间：2017-09-04 04:29

  本文关键词：延长USB接口传输距离的芯片研究与设计

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【摘要】：通用串行总线（USB）是目前广泛应用的计算机通信标准，具有即插即用、快速便携、价格低廉等优点，已成为计算机、通信及消费类电子产品的必备接口之一。但是，USB的最大传输距离通常仅为5m，即使通过级联5个USB集线器（Hub），也只能将最大传输距离延长至30m。 为突破传输距离的限制，本论文首先以USB1.1协议为标准，基于电平转换原理设计了一种USB1.1延长芯片，将传输距离延长至50m。然而，受USB物理特性的限制，会导致数据传输不稳定及延时较大等问题，在很多情况下仍不能满足实际需求。随着网络技术的不断发展，尤其是网络通信协议具备良好的稳定性和较短的传输延时，并可通过不同类型的电缆线进一步延长传输距离，使得通过网络来延长USB接口的传输距离成为可能。因此，本论文随后以USB2.0协议为标准，基于USB2.0协议和网络协议之间的转换原理，提出了一种USB2.0延长系统，可将传输距离进一步延长至100m以上。USB2.0延长系统中的网络协议采用了修改和自定义的以太网媒体接入控制（MAC）协议，同时该系统能兼容USB1.0/1.1协议信号。 论文首先介绍了与设计工作相关的USB协议规范内容，以及修改和自定义的以太网MAC协议，分析对比了电平转换和协议转换两种USB延长原理。在此基础上，分别设计了基于电平转换原理的USB1.1延长芯片和基于协议转换原理的USB2.0延长系统。在USB1.1延长芯片的设计工作中，着重研究了低压差线性稳压器（LDO）的设计，在传统LDO补偿原理的基础上概括了其基本补偿架构模型，然后结合概率鲁棒理论和密勒补偿架构，研究了负载电流变化引起的开环传递函数变化，建立了一种LDO频率响应模型，并得到了该模型在整个负载电流范围内保持稳定性的必要条件，使系统参数存在一定的不确定性时仍能最大概率地满足设计要求。最后，基于CSMC0.35μm CMOS工艺实现了USB1.1延长芯片。其中，LDO模块的测试结果表明，在5V的工作电压下，当负载电流跳变时，LDO的调整时间在6ms内，输出电压变化小于150mV，线性调整率和负载调整率分别为0.16%和0.32%。在USB2.0延长系统的设计工作中，采用协议转换技术，，基于现场可编程门阵列（FPGA）平台设计并验证了该延长系统，不仅模拟实现了USB数据与网络数据的相互转换，而且利用网络通信技术可将USB2.0接口的传输距离延长至100m以上。FPGA验证结果表明，该USB2.0延长系统具有良好的可行性、稳定性和兼容性，在高速数据传输、远程数据交换及控制等领域具有重要的应用价值。
【关键词】：通用串行总线 延长系统 低压差线性稳压器 概率鲁棒 以太网
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP334.7
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第一章 绪论8-14
• 1.1 研究背景与意义8-9
• 1.2 USB延长技术的研究现状9-11
• 1.2.1 采用信号放大器的延长方案9-10
• 1.2.2 采用模拟主机和设备的延长方案10
• 1.2.3 采用主控芯片的延长方案10-11
• 1.3 主要研究内容和论文架构11-14
• 第二章 USB 延长系统的工作原理和结构设计14-26
• 2.1 USB协议规范14-19
• 2.1.1 NRZI 编码及位填充14-15
• 2.1.2 器件速度识别15-16
• 2.1.3 信号电平16-18
• 2.1.4 数据信号传输18
• 2.1.5 设备的连接、断开和复位18-19
• 2.2 修改和自定义的以太网MAC协议19-21
• 2.3 USB延长原理21-24
• 2.3.1 电平转换原理21-23
• 2.3.2 协议转换原理23-24
• 2.4 本章小结24-26
• 第三章 USB 1.1 延长芯片的设计26-44
• 3.1 USB收发模块的设计26-29
• 3.2 网络收发模块的设计29
• 3.3 状态控制模块的设计29-30
• 3.4 LDO模块的设计30-34
• 3.4.1 传统 LDO 的补偿方法30-32
• 3.4.2 基于概率鲁棒的 LDO 的补偿方法32-34
• 3.5 仿真结果与分析34-42
• 3.5.1 USB 收发模块的仿真34-39
• 3.5.2 网络收发模块的仿真39-40
• 3.5.3 LDO 模块的仿真40-42
• 3.6 USB 1.1 延长芯片的实现42-43
• 3.7 本章小结43-44
• 第四章 USB 2.0 延长系统的设计44-66
• 4.1 fifo模块设计44-45
• 4.2 miniusb模块设计45-52
• 4.2.1 USB 收发模块46-48
• 4.2.2 USB 控制模块48-51
• 4.2.3 模式控制模块51-52
• 4.2.4 寄存器模块52
• 4.3 minimac模块设计52-58
• 4.3.1 mac 收发模块54-56
• 4.3.2 mac 控制模块56-57
• 4.3.3 mac 命令收发模块57-58
• 4.4 仿真结果58-63
• 4.4.1 fifo 模块的仿真59
• 4.4.2 miniusb 模块的仿真59-60
• 4.4.3 minimac 模块的仿真60-63
• 4.5 FPGA验证63-64
• 4.6 本章小结64-66
• 主要结论与展望66-68
• 致谢68-69
• 参考文献69-73
• 附录 I: 作者在攻读硕士学位期间发表的论文73-74
• 附录 II: mac 命令收发模块的 Verilog 程序代码74-83

【共引文献】

中国重要会议论文全文数据库 前1条

1 梁科;贾继华;马志翘;李国峰;;USB1．1设备控制器IP核的设计和应用[A];第一届中国高校通信类院系学术研讨会论文集[C];2007年

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 李景虎;高速低功耗A/D转换器及相关技术研究[D];哈尔滨工业大学;2009年

2 陈富吉;多轨集成电源稳压及其管理技术研究[D];西安电子科技大学;2009年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 菅填平;基于ZiGBee技术的小区安全无线监控系统[D];南昌大学;2010年

2 李庆委;大负载超快速负载瞬态响应低漏失CMOS线性稳压器[D];西安电子科技大学;2011年

3 孙东;基于Z8D168的带显示USB Key的研究[D];太原理工大学;2011年

4 胡昌顺;安全智能钥匙SOC芯片的USB1.1接口设计与实现[D];辽宁大学;2011年

5 赵文彬;便携式心电信号采集监视仪的关键技术研究[D];西北工业大学;2004年

6 张志远;一种USB延长器的研究与设计[D];西南交通大学;2004年

7 吴文杰;汽车行驶记录仪[D];南京理工大学;2004年

8 曾正;汽车行驶记录仪[D];南京理工大学;2004年

9 张俊;基于DSP的USB2.0接口技术研究[D];华中科技大学;2004年

10 乔斌;鱼探仪硬件实现[D];西北工业大学;2005年

本文编号：789364