USB双机互联电路设计

西京学院机电工程系 李红波 权宏伟

1.引言

随着PC的普及和信息网络的大发展，上网的人越来越多，也越来越依赖网络给自己工作生活带来便捷。同时无线网络进一步的发展，我们几乎不受限制的随时随地接入互联网浏览信息、电子邮件、下载文件和听音乐等等网络活动。于是我们会时常碰到这种情况，当两人同时上网时，常常用一个账号共享上网了。从而电脑组建成小型网络互访就成为必要了，便出现了多种互联方式。早期的串并口互联、网卡互联、红外互联，WIFI互联和蓝牙互联等。由于各自使用条件速度等原因，相对较早的联机速度慢，己经不用了。目前主流使用网卡联机。这种网卡采用PCI插槽，用RJ45水晶头连接，传输距离远。但是当PC没有网卡时，当笔记本互联时，当互联共享上网时，当小设备需要联网时，总会出现不方便安装网卡，或成本较大，或空间受限的原因不适合用网卡互联。此时，我们可以考虑选用USB网卡联机，以满足需求。USB是目前计算机与外设上普遍采用的标准，其具有传输速率高、连接灵活、使用方便和可独立供电等特性。所以，利用USB新型接口联机无疑是一个全新开始，以其USB的优点必将受人们欢迎。

2.USB双机互联的基本原理

USB双机互联设备，其基本原理就是利用一个两端都是USB接口的Host-Host桥模拟以太网卡实现联网功能，通过这个带网络协议的处理芯片，两台互连的电脑工作时就跟用双网卡连接时的工作状态一样。USB双机互联设备使用起来非常简单，特别是现在大家都使用Windows XP的操作系统，只需分别插在两台电脑的USB口，系统提示找到新硬件，安装驱动程序后设置“USB网络连接”的IP，就可以使用了。

USB双机互联是利用USB联网线把它们以连接起来，可以网络互访。USB联网线的实质是：“1条USB联网线=2块网卡+l条网线”，因此它可见理解为“不需要网卡就能联机的一种通信线”。但其实USB联网线并不是一条双头USB线这么简单，它内部是含有芯片电路的，其基本原理就是利用一个两端都是USB接口的Host-Host桥模拟以太网卡实现联网功能，通过这个带网络协议的处理芯片，两台互连的电脑工作时就跟用双网卡连接时的工作状态一样。它可以完成具备网卡连接起来的网络的所有功能（比如文件共享、联网对战、共享上网），不过一般都是USB1.1的，速度最多12Mbps，相当于I00Mbps网卡的速度。USB设备支持即插即用和热插拔功能。所以，随时都可以将它插入计算机的USB接口上。此时，计算机就会自动分配地址，用户不需要进行任何物理参数的设置。并且USB设备的连接可以在开机状态下直接进行，不需要关闭计算机的电源。USB网络互联安装很简单，先装上USB连接电缆的驱动程序，并且安装线缆指定的软件模拟包，然后重启计算机，插上线缆，配置好对等网的协议就可以了。表1给出了各种接口互联的对照情况。

3.USB设备配置

当驱动程序加载时，主机开始给USB设备分配设备地址。这一步是主机通过设置USB设备地址请求命令完成的。当USB设备收到该命令，就设置自己的地址，不在使用默认地址O。当USB设备驱动程序加载之后，系统就开始从驱动程序的入口地址函数DriverEntry()来执行，以初始化设备驱动程序对象，建立设备对象，初始化硬件设备等。USB设备的配置，就在初始化硬件对象时发生的。设备的配置其实就是根据设备配置的信息，使能设备相关功能特性的过程。而USB设备的配置信息存在于设备固件程序中，主机必须通过请求配置描述符命令来获得。下面就是DDK为USB设备定义的配置描述符结构体。

从这个数据结构中，我们发现，配置有编号，配置有接口。所以，一个USB设备可有多个配置描述符，每个配置又支持多个接口。接口信息是通过接口描述符来确定的，是对USB设备端点功能的汇集总括，一个USB接口可以视为一个逻辑设备。那么，就存在这样的问题，对于多配置，多接口的设备怎样来配置?当然，是根据设备的逻辑功能来选择所需的配置和接口。具体做法是在驱动程序中要指明配置情况，配置号和接口等。这样，当配置请求命令执行后，设备便配置成所需的功能了。但是，要切忌配置只能进行一次。

4.接口电路设计

4.1 原理图设计

通过前面分析对比，确定使用工DE接口线扩展USB接口。由于原理图设计简单，这里仅把设计时应该注意的事项列举出来供参考。设计时应注意以下几条原则：

(1)在D+上拉1.5K电阻以支持USB全速传输。

(2)若要采用中断方式，则需接入中断线。

(3)EOT_N引脚通过电阻接入VBUS，以正确检测USB连接。

(4)芯片电源应加退祸电容，一般为0.luF。

(5)在D+/D一线上应串接200。

(6)ALE引脚接地。

表1 互联的对照表

4.2 PCB版图设计

这是设计电路的最后一个环节，不仅要考虑电磁兼容、信号完整，而且还需要考虑制作工艺水平等。下面就给出部分关键的版图设计原则：

(1)封装选择，电阻电容均采用非贴片器件。

(2)对于库中没有的封装按文档尺寸画出封装，1英寸=2.54毫米。

(3)采用双层板较好走线，选择合理的禁止布线区。

(4)接口器件应布在四周，便于连接美观为好。

(5)核心芯片优先布局，根据参考原理图信号流向安排主要元器件。

(6)插针应做到便于拔插。

(7)布线遵循电源线、信号线、地线的先后顺序，可快速布线。

(8)所有的连线尽量采用做到短、粗、直线。

(9)输入和输出及相邻两层的导线应避免平行。

(10)数据线和地址线需平行走线。

(11)读写、中断线、复位线和片选线最好用地线保护起来。

(12)晶体振荡器下面不走线，外壳接地，时钟线尽量短，地线保护。

(13)布线后，进行设计规则检查和信号完整性分析。

4.3 电路焊接

拿到一块电路板，焊接时也要遵循一些要求，不然会事倍功半。一般来说，从内到外来焊接，先焊接贴片集成电路，然后是位置较低的元件，最后才焊接边缘的接口器件。

5.结论

本文是针对两台PC联机的情况而展开论述的。虽通过了简单测试，但与实际的应用相差深远，还需解决更多的具体问题。所以，难点越多，论文观点也要不断充实完善。目前，USB互联应用有有线到无线发展，低速到高速，大型到小型等层出不穷。每一样应用都在某种程度上需要理论创新和技术创新。所以，值得研究的东西还很多。

[1]肖踞雄,翁铁成,宋中庆.USB技术及应用设计[M].北京:清华大学出版社,2003.

[2]邓斌,赵丹.利用USB2.0接口实现微机互联的芯片设计[J].电脑开发,2004,17(5):32-33.

[3]王舜燕,吴帆等.USB OTG设备互联方案的设计与实现[J].计算机与数字工程,2006,34(7):116-119.

[4]徐小涛,高脉洪等.WUSB的数据传输机制研究[J].新技术,2009,2:20-23.