Datenübertragung in Embedded-Systemen Die besten Praktiken zur USB-Integration

Obwohl der Universal Serial Bus (USB) ein etabliertes Datenverbindungsprotokoll ist, stellt das Design einer USB-Hardware-Schnittstelle weiterhin eine Herausforderung dar. Welche Hardware-Designtechniken zur Integration von USB-Device-Funktionalität bieten sich an?

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FTDI Ltd.

In den letzten zehn Jahren hat sich USB als äußerst flexible und einfach anwendbare Datenverbindungstechnik bewährt. Mehrere Milliarden USB-Ports sind heute weltweit in Betrieb, die entweder USB 1.1 (1,5 MBit/s Datenrate) oder Highspeed USB 2.0 (480 MBit/s) unterstützen. Entwickler, die USB-Funktionalität integrieren wollen, müssen sich aber auch den Aspekten Layout, Stromversorgung und Interferenz widmen.

Eine USB-Verbindung besteht aus einem Host (meist ein PC) und einem oder mehreren Einrichtungen, die als Slave bezeichnet werden. Die physikalische USB-Schnittstelle besteht aus vier abgeschirmten Drähten. Pin 1 (VBUS) dient zur Stromversorgung der angeschlossenen Peripherie. Dabei wird eine Spannung von +5 V seitens des USB-Host bereitgestellt. Pin 2 ist der Daten-Minuspol D- (DM); Pin 3 der positive Datenpol D+ (DP). Sie bilden das differenzielle Leitungspaar, über das der Datentransfer durchgeführt wird. Pin 4 ist die Masse (GND).

Um Signalintegrität zu gewährleisten, sollten die DP- und DM-Signale die gleiche Strecke zurücklegen. Ist eine Strecke länger als die andere, kann das Timing der Signale beeinträchtigt werden, was zu Datenfehlern führt. Es muss also sichergestellt sein, dass die Datenspurlängen angepasst sind. Die empfohlene maximale Abweichung zwischen den DP- und DM-Längen beträgt nur 150 mm.

DP- und DM-Signale zu kurz wie möglich halten

Die Impedanzsteuerung für DP und DM ist dabei von Bedeutung. Die Nachverfolgung der beiden Werte sollte auf der Leiterplatte erfolgen, um Signalreflexionen zu minimieren. Die DP- und DM-USB-Signale weisen eine differenzielle Impedanz von 90 Ω auf (je 45 Ω gegen Masse). Heutige PCB-Layout-Software lässt sich so konfigurieren, dass beide Signale zusammen mit diesen Charakteristika geroutet werden. Die DP- und DM-Signale sollten so kurz wie möglich gehalten werden. Für sehr kurze Verbindungen (kleiner als 1 cm) können die hier beschriebenen Impedanz-Richtlinien nicht angewendet werden. In der Praxis ist dies jedoch hinnehmbar, vorausgesetzt die anderen Richtlinien werden eingehalten.

Es sollte darauf geachtet werden, keine Stichleitungen hinzuzufügen, sobald Spannungsschutzdioden und Kondensatoren in das Design mit integriert werden. Damit minimieren sich die Datensignalreflexionen. Die DP- und DM-Signale sollten stets über einen USB-Signal-Masseanschluss geleitet werden. Idealerweise befinden sich direkt unter DP oder DM keine Aufteilungen in der Ebene.

Obwohl USB als Bus bezeichnet wird, sollten sich Entwickler im Klaren sein, dass es eine Punkt-zu-Punkt-Datenverbindung ist. Der Anschluss mehrerer Einrichtungen an einen USB-Host erfordert einen USB-Hub. Bis zu 127 Slaves lassen sich über einen oder mehrere Hubs an einen einzigen Host anschließen.

Grundlegende Schaltkreislayout-Regeln sollten stets befolgt werden, wie das Routen der USB-Leitungen abseits störender Stromversorgungssignale und Taktschaltkreis-Komponenten. Rechte Winkel sollten beim Routen von USB-Signalleitungen ebenfalls vermieden werden. Zwei Abzweigungen mit 45° erweisen sich wesentlich vorteilhafter als eine Abzweigung mit 90°.

Was ist bei der Stromversorgung zu beachten?

Die Wahl der geeigneten Stromversorgungskonfiguration ist ein weiterer Aspekt, der beim USB-Schnittstellendesign zu beachten ist. Dabei ist zu überlegen, wie der USB-Schaltkreis versorgt wird und wie viel Strom der Schaltkreis zieht. USB-Peripherie lässt sich über den USB-Bus versorgen oder zieht Strom von einer externen Quelle und hat somit ihre eigene Versorgung. Die USB-2.0-Spezifikation für busversorgte Systeme stellt bis zu 500 mA von der 5V-VBUS-Versorgung bereit.

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