USBHub的設(shè)計與生產(chǎn)畢業(yè)實習報告

1、畢業(yè)實習報告題 目： USB Hub 的設(shè)計與生產(chǎn)姓 名：專 業(yè)：電子信息工程班級學號：指導教師：科技學院信息工程系2010年10月05日前言本次畢業(yè)實習地點為深圳市威鑫聯(lián)電子有限公司，該公司是一家集專業(yè)設(shè)計開發(fā)、生產(chǎn)、銷售各種精密連接器和接插件的專業(yè)廠商。產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于計算機主機板、液晶顯示器、電訊卡、存儲器、移動硬盤、讀卡器、數(shù)碼相機、MP3、PDA、液晶電視、交換機、汽車防盜器、可視電話、無線電話及各種通訊設(shè)備產(chǎn)品上。公司本著產(chǎn)品專一、專業(yè)、專注的特點為，主要與國內(nèi)大中型知名企業(yè)和國際著名跨國公司合作，其產(chǎn)品遠銷歐美，日韓，新加坡及香港臺灣等等國家和地區(qū)，分別于香港，臺灣，上海，北京等地

2、設(shè)立分公司。公司自創(chuàng)建以下，積極倡導以人為本，科技創(chuàng)新的穞理念，積極追求產(chǎn)品的科技會計師和完美的產(chǎn)品質(zhì)量，引進國外先進的生產(chǎn)設(shè)備和檢測設(shè)備，擁有先進的模具設(shè)計、開發(fā)及制造能力。公司目前已成為有資源保證和品質(zhì)保障、技術(shù)力量雄厚、生產(chǎn)檢測設(shè)備、實行現(xiàn)代企業(yè)管理制度、具有先進電子通訊信息和電子商務(wù)平臺的外向型企業(yè)。本著立足深圳放眼全球的信念，威鑫聯(lián)人正以創(chuàng)新、誠信、務(wù)實的工作態(tài)度，以實行品牌戰(zhàn)略為宗旨，竭誠為客戶提供優(yōu)質(zhì)滿意的服務(wù)。目錄第一章 設(shè)備組成、工作原理及用途.3第2章 產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)工藝過程及產(chǎn)品結(jié)構(gòu).8第三章 畢業(yè)實習總結(jié)和體會.12第四章 實習工作建議.13第五章 附錄.14第1章

3、設(shè)備組成、工作原理及用途一、設(shè)備組成 USB主機、USB集線器和USB設(shè)備是USB總線系統(tǒng)的3個主要組成部分。USB集線器是一類特殊的USB設(shè)備，USB集線器在整個USB系統(tǒng)中起著非常重要的作用。USB集線器是串聯(lián)在USB總線系統(tǒng)上的，所有的USB設(shè)備都是通過USB集線器連接到USB總線上的。USB集線器包括3種主要部件：一個集線器中繼器（Repeater）、一個集線器控制器（Controller）和多個端口（Port）。圖1是7端口的USB集線器的基本結(jié)構(gòu)。 圖1 USB集線器基本結(jié)構(gòu) 1USB集線器端口在USB協(xié)議中USB設(shè)備與USB集線器的連接點被稱為端口（Port），每個USB集線器將

4、一個連接點轉(zhuǎn)化成多個連接點。每個USB集線器都包含上游端口（Upstream Port）和下游端口（Downstream Port）。上游端口是面向USB主機（HOST）方向進行連接的，而下游端口是面向USB設(shè)備進行連接的。下游端口允許連接另外的集線器或USB設(shè)備。除了根集線器外，每個USB集線器都包括一個惟一的上游端口和一個以上的下游端口。USB集線器可以檢測每個下游端口的設(shè)備的連接和斷開，并為下游端口的USB設(shè)備提供電源，每個下游端口都具有獨立的能力，不論全速和低速USB設(shè)備均可連接，USB集線器可以將全速和低速端口的信號分開，并做相應(yīng)的處理。在USB集線器上電后，USB集線器的上游端口需

5、要一直處于啟用狀態(tài)，以便與USB主機進行數(shù)據(jù)傳輸；而下游端口在正常工作的過程中可能會處于以下4種狀態(tài)之一： （1）啟用狀態(tài)（Enable State）：在該狀態(tài)下，USB數(shù)據(jù)包可以在端口上傳輸。 （2）無效狀態(tài)（Disable State）：在該狀態(tài)下，USB數(shù)據(jù)包不能在該端口上傳輸，只能通過USB主機對集線器的控制命令來啟用該端口。 （3）掛起狀態(tài)（Suspended State）：在該狀態(tài)下，USB設(shè)備可以通過發(fā)送總線恢復(fù)信號來使能該端口。 （4）無連接狀態(tài)（Disconnected State）：在該狀態(tài)下，USB集線器端口處于懸空狀態(tài)，無任何設(shè)備連接。 2USB集線器中繼器USB集線器

6、中繼器連接在上游端口和下游端口以及上游端口和集線器控制器之間。它的作用就是傳輸上游端口和所有下游端口之間，以及上游端口和集線器控制器之間的數(shù)據(jù)包。當集線器中繼器從上游端口接收到的數(shù)據(jù)包是針對該USB集線器自身的數(shù)據(jù)傳輸時，如查詢集線器狀態(tài)、配置集線器端口等，集線器中繼器負責將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給集線器控制器。當集線器中繼器從上游端口接收到的數(shù)據(jù)包不是針對該USB集線器自身的數(shù)據(jù)傳輸時，集線器中繼器負責將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給所有處于啟用狀態(tài)的下游端口。 3USB集線器控制器USB集線器控制器負責管理USB主機和USB集線器自身的數(shù)據(jù)通信，使USB主機能正常訪問集線器。另外，集線器控制器還負責對下游端口的控制，包

7、括檢測在USB集線器下游端口上設(shè)備的連接和斷開。對于連接到下游端口的USB設(shè)備，集線器控制器負責診斷出其數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾剩ㄈ倩虻退僭O(shè)備）。同時集線器控制器控制每個下游端口是否處于啟用狀態(tài)，并可控制端口的掛起和恢復(fù)操作。二、工作原理 常用的USB集線器（基于USB l . l協(xié)議)的控制芯片有:Alcor Micro公司的AU9254,Atmel公司的AT43301, Genesys Logic公司的GL650USB,GL651USB, Motorola公司的MC141555、 MC141556, Philips公司的PDlUSBH11等等。GL650芯片是一個具有5個端口的USB集線器，其主要

8、是有一個上行端口和四個下行端口。每個下游端口都有電源開關(guān)控制和電流過載檢測。它主要運用一個類似于八位的RISC對主機的命令進行編碼和解碼。GL650的設(shè)計主要用于獨立的集線器，也可以集成到PC機的主板或者任何其他器件上以支持USB集線器的功能。該芯片能夠在不需要重新拔出和插入而自動在自行供電和總線供電之間進行切換。 GL650芯片能夠被設(shè)置成單獨模式或者是組的模式以用來對下行端口的器件進行電源管理。為了防止不正常的下游端口器件的電流消耗，GL650芯片通過讀入電流溢出標志位來提供電源使能標志位。通過LED閃亮來支持智能通信指示，數(shù)據(jù)通信流過端口的速度越快，端口指示LED的閃亮的頻率越高。當US

9、B被掛起時，GL650將自行關(guān)掉LED并且停止運行時鐘以減少電源的損耗。單芯片集成的USB集線器控制器大大節(jié)省了開發(fā)USB集線器的成本。L650USB完全兼容USB1. 1協(xié)議，內(nèi)建了3. 3V電壓轉(zhuǎn)換，這樣減少了USB集線器的開發(fā)成本。GL650USB采用48管腳的LQFP封裝。GL650的管腳定義如圖2中所示。 圖2 GL650芯片管腳示意圖 以GL650USB為集線器控制器的原理圖3。其中，USB_ DP、USB_ DM為USB集線器的上游端口，USB1-4_DP、USB1-DM為集線器的4個下游端口。 XTAL1, XTAL2需要外接12M的晶振。GL650U SB在15管腳(VCC3

10、V)能夠輸出3. 3V電壓為上游端口D+的上拉電阻提供3. 3V電壓。這樣不用外接3. 3V電源，只需要從上游端口引入5V電源即可使集線器工作，從而可以減少生產(chǎn)成本。 USB集成器是一個標準類型的USB設(shè)備，且大多數(shù)操作系統(tǒng)都支持該類USB設(shè)備驅(qū)動程序，所以不必再設(shè)計PC機端的特定設(shè)備接口的驅(qū)動程序。將USB集成器直接和PC機相連，PC機自動識別。這樣一個USB1.1協(xié)議、擁有四個下游端口的USB集線器設(shè)計完成。 圖3 GL650USB為集線器控制器的原理三、用途從根本上講，USB集線器的設(shè)計是USB總線拓撲結(jié)構(gòu)的必然產(chǎn)物。USB集線器具有如下幾個功能： 1連接功能 所有系統(tǒng)中的USB設(shè)備都是

11、連接在USB集線器所提供的下游端口上。根據(jù)USB協(xié)議，USB設(shè)備與USB集線器之間的連接長度不能超過5m，如需要更長距離的數(shù)據(jù)通信，則可通過級聯(lián)USB集線器的方式來增加傳輸距離，但考慮到系統(tǒng)延時，USB集線器的級聯(lián)不能超過5級，也就是說USB設(shè)備與USB主機的傳輸距離不能超過30m。 2電源管理功能電源管理功能使USB總線區(qū)別于以往計算機外設(shè)接口總線的一大特點，也是實現(xiàn)即插即用的一個重要條件。USB協(xié)議將電流分成負載單元，每個單元的負載是100mA，USB設(shè)備可以根據(jù)需要，最大獲得500mA的電流。當集線器剛剛接入到某個上游集線器的下游端口上或系統(tǒng)重啟動時，它會從上游集線器的端口上獲得不超過一

12、個負載單元的電流。當正常工作時，集線器會從上游集線器的端口上申請獲得5個負載單元的電流。從電源的提供方式上，集線器分成自供電和總線供電兩種?？偩€供電的集線器為其下游端口提供的最大電流為100mA，而自供電集線器為下游端口提供的最大電流為500mA。 3總線的錯誤檢測和恢復(fù)功能 作為USB設(shè)備與系統(tǒng)總線的連接點，USB集線器必須能夠及時地檢測到總線或內(nèi)部部件的錯誤，并能從錯誤中恢復(fù)過來，避免出現(xiàn)死鎖等現(xiàn)象。 （1）控制器的錯誤恢復(fù)。一個集線器控制器可以對包傳輸?shù)钠茐倪M行響應(yīng)，并能從中恢復(fù)過來。它能夠?qū)α钆瓢?shù)據(jù)包和握手包的錯誤都做出反應(yīng)。對于所有包的包標識錯誤，控制器會檢測包標識的檢驗位，如果

13、出錯，就忽略此包。對于令牌包的數(shù)據(jù)部分錯誤，控制器同樣忽略此包。當數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)信息出現(xiàn)CRC錯誤時，控制器會丟棄此數(shù)據(jù)包。 （2）中繼器的錯誤恢復(fù)。集線器能夠檢測出包結(jié)尾（EOP），并能夠從無限期的等待中或者一幀的結(jié)束時，總線所處的某個非空閑的狀態(tài)中恢復(fù)回來。有兩種集線器的故障情況：動作丟失（Lack of Bus activity）和串擾（Babble）。動作丟失表示在檢測到包起始（SOP）后，缺少了必備的總線活動或在一幀的結(jié)束時沒有檢測到包結(jié)尾信號（EOP）。串擾表示包起始后出現(xiàn)了跨越一幀的終點而繼續(xù)進行此包的傳輸。集線器不了解所分配的帶寬，必須依賴自己的幀定時器（frame Timer）

14、來檢測到動作丟失和串擾。 （3）集線器的同步。每個集線器都有一個幀計時器，它的時鐘來自集線器自身的時鐘，并通過檢測來自于主機的幀起始（SOP）包與主機的時鐘同步。它在一定周期內(nèi)跟蹤主機的幀起始包，每次檢測到了一個幀起始包時都會重新復(fù)位，并負責產(chǎn)生幀結(jié)束的時刻。幀計時器要求有對丟失至多兩個連續(xù)的幀起始包的情況做出錯誤恢復(fù)的功能。當集線器和主機的同步存在偏移時，幀計時器必須仍能夠和主機重新同步。 4對全速和低速設(shè)備的支持功能基于USB1.1協(xié)議，USB系統(tǒng)同時支持全速和低速設(shè)備，除了能夠?qū)υO(shè)備的傳輸速率進行檢測外，還要支持不同速率的數(shù)據(jù)傳輸。對設(shè)備的速率的檢測是由設(shè)備上的上拉電阻決定的。圖2顯示了

15、全速設(shè)備的電阻連接結(jié)構(gòu)，它的上拉電阻（Rpu）是連接在D+線上的。而低速設(shè)備中的上拉電阻（Rpu）是連接在D-線上的，如圖3所示。當設(shè)備插入到集線器的一個下游端口時，集線器向主機匯報新設(shè)備的接入事件，主機端的集線器的驅(qū)動程序向此集線器發(fā)出SetPortFeature(PORT_RESET)類命令，要求集線器啟用連接端口。然后集線器開始對設(shè)備的速率進行檢測。它根據(jù)總線的D+和D-線的電壓決定設(shè)備是全速設(shè)備還是低速設(shè)備。對于接收來自USB主機數(shù)據(jù)包的Hub的上游端口，集線器需要能夠處理來自主機的PRE令牌包，并進行相應(yīng)的全速/低速間的轉(zhuǎn)換 5對設(shè)備連接/斷開的處理當一個USB設(shè)備連接到USB總線上

16、或者斷開與USB總線的連接時，USB集線器必須負責檢測到這一狀態(tài)變化，并通過USB主機對集線器的數(shù)據(jù)訪問請求，將端口的狀態(tài)變化通知給USB主機。在集線器的設(shè)備類中，除了用于控制傳輸?shù)亩它c0外，每個集線器還有一個中斷類型的端點：“狀態(tài)變化端點”。主機通過這個狀態(tài)變化端點來接受集線器和其各個下游端口的狀態(tài)變化。 6集線器的掛起和恢復(fù)功能為了省電，集線器支持對傳輸?shù)膾炱穑纳嫌味丝跈z測總線的空閑時間超過3ms時，集線器就會進人掛起狀態(tài)。當進入掛起狀態(tài)時，集線器保持其所有下游端口的當前狀態(tài)，如果在工作狀態(tài)接收到SetPortFeature(Port_suspend)命令主動掛起某個端口，則此端口進入

17、掛起狀態(tài)，其他端口狀態(tài)不受影響。當端口接收到ClearPortFeature(Port_suspend)命令時，會從掛起狀態(tài)中恢復(fù)到工作狀態(tài)，如果集線器檢測到恢復(fù)信號時，它就會返回工作狀態(tài)。當集線器接收到喚醒信號或硬件重啟信號時，都會使集線器恢復(fù)到工作狀態(tài)。第2章 產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)工藝過程及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)1、 產(chǎn)品的開發(fā)一個USB設(shè)備能夠正常工作需要有PC機和USB設(shè)備雙方共同的軟硬件支持USB集線器的硬件結(jié)構(gòu)由集線器中繼器、集線器控制器和端口組成。在硬件方面，PC機必須提供USB主機和USB集線器端口，而USB設(shè)備提供USB接口。下面是USB 集成器的總結(jié)構(gòu)圖如圖4： 圖4 USB 集成器的總結(jié)構(gòu)

18、圖在軟件方面，PC機必須包含USB系統(tǒng)軟件、設(shè)備的客戶端驅(qū)動程序和應(yīng)用軟件，而在USB設(shè)備端，必須包含設(shè)備功能軟件、端點0和其它非0端點，非0端點被用來支持特定功能的數(shù)據(jù)傳輸。USB系統(tǒng)軟件根據(jù)功能分成USBD和HCD上下兩部分。HCD為上層提供了主機控制器的抽象以及數(shù)據(jù)在總線上傳輸?shù)某橄?。USBD為上層的客戶端驅(qū)動程序提供了USB設(shè)備的抽象，并在客戶端驅(qū)動程序和所驅(qū)動的設(shè)備之間提供了數(shù)據(jù)傳輸?shù)某橄?。USB集線器客戶端驅(qū)動程序是一個特殊的客戶端驅(qū)動程序。當集線器接收到設(shè)備的接入時，會由集線器的客戶端驅(qū)動程序調(diào)用USB系統(tǒng)軟件提供的功能完成對設(shè)備的配置，配置程序通過創(chuàng)建默認控制管道與設(shè)備建立聯(lián)系

19、，獲得設(shè)備的各種描述符，然后配置程序會為設(shè)備的每個接口提供匹配的客戶端驅(qū)動程序?？蛻舳蓑?qū)動程序從用戶的角度看相當于傳統(tǒng)意義上的設(shè)備驅(qū)動程序。不過設(shè)備端不同的接口對應(yīng)不同的客戶驅(qū)動程序，如果設(shè)備只有一個接口，那么從用戶來看，兩者是一樣的?？蛻舳蓑?qū)動程序通過USB系統(tǒng)軟件提供的接口與設(shè)備交互，而不是通過過去的I/O地址或端口訪問設(shè)備。在PC機端，操作系統(tǒng)（如Windows和Linux等）一般都支持HCD、USBD和標準的設(shè)備類驅(qū)動程序。如果設(shè)計一個標準類型的USB設(shè)備（如HID設(shè)備、存儲設(shè)備等），且PC機的操作系統(tǒng)支持該類USB設(shè)備驅(qū)動程序，則不必再花費力氣設(shè)計PC機端的特定設(shè)備接口的驅(qū)動程序。由

20、于USB總線具有即插即用、總線供電等諸多優(yōu)勢，但也有數(shù)據(jù)傳輸帶寬、數(shù)據(jù)傳輸距離等限制。因此，在USB設(shè)備設(shè)計之前必須對設(shè)備接口的需求進行分析。USB設(shè)備的開發(fā)流程如圖5所示，采用并行模式的系統(tǒng)開發(fā)方式，軟硬件同時進行，可以大大縮短設(shè)備的開發(fā)周期，提高產(chǎn)品的開發(fā)效率。 圖5 USB設(shè)備開發(fā)流程圖2、 生產(chǎn)的工藝 手工制作的通用串行總線集線器（USB HUB）的產(chǎn)品會經(jīng)過如下幾個過程：通用串行總線集線器的設(shè)計、印刷板及其設(shè)計與制作和焊接。 1、通用串行總線集線器的設(shè)計 將公司開發(fā)部USB Hub的原理路圖做了一部分的修改，形成本次實習的通用串行總線集線器的電路原理圖。具體內(nèi)容上面已經(jīng)說明，在此不做

21、贅述。 2、印刷板及其設(shè)計與制作 a、印制電路板的結(jié)構(gòu) 印制電路是在一塊平面絕緣板上印制成電路，所印制的一般都是導線，挾制有電路的平面板即稱為印制電路板，簡稱為印制板。印制電路板的材料主要是敷有銅箔的層壓紙板與玻璃布板，稱為敷銅板。也有用聚四乙烯和高頻陶瓷做基板，這種材料介電常數(shù)及介質(zhì)損耗很小。 b、印制電路板的排版設(shè)計在電子產(chǎn)品和設(shè)備中，印制電路板起到電氣和機械的雙重作用。因此如何將電路中的元器件按照要求在印制板上排列并組成有實用價值的電路板，這便是排版。印制板圖的繪制一般需經(jīng)過下列4個過程：1），整體布局與印制板結(jié)構(gòu)的確定；2），繪制單線不交叉圖；3），排版草圖的繪制；4），印制板手工制作

22、。c、印制板圖的繪制將設(shè)計好的電路板轉(zhuǎn)印到敷銅板上，并覆蓋上保護層，再經(jīng)過腐蝕、清洗、鉆孔、抗氧化等工序后，便制成印制板。排版設(shè)計必須有合理的布局，同一個電路可以有多種布局方案，不同的布局方案所取得的實際效果也各不相同，實際上排版設(shè)計并無完全統(tǒng)一的公式可以套用，而只能在實踐中積累經(jīng)驗。 在制作的電路板中，如果設(shè)計得不合理，會引起地線的共阻抗干擾、電源干擾、電磁干擾、等，為了消除或印制這些干擾，可以通過合理的設(shè)計布局來加以解決。 3、焊接 印制電路板上通常印制的是導線，將元器件按電路要求插在印制電路板的位置上，然后用熔化的焊錫把印制導線與元器件引腳連接牢的過程，稱為焊接。手工焊接技術(shù)雖然不那么高

23、深復(fù)雜，但卻要掌握一定的工藝和技巧，否則焊接不牢，影響設(shè)備的正常工作，甚至造成元器件與印制電路板的損壞。 a、錫焊的概念 焊接方法有多種，在印制板與電子元器件的焊接中，主要是錫焊。所謂錫焊就是將熔點比焊件（即元器件引線，印制板的銅箔等母材）低的焊料、焊劑與焊件共同加熱到一定溫度，在焊件不熔化的情況下，使焊料熔化，浸潤錫焊面，并擴散形成合金層，將焊件彼此連接牢。 b、焊接要求 焊接的好壞，直接關(guān)系到電子產(chǎn)品或制作的質(zhì)量，必須嚴格要求。1，焊點要有足夠的機構(gòu)強度。為確保制品受到振動或沖擊時不至脫落、松動，要求焊點機械強度好。2，焊點無虛焊，焊接可靠，確保良好的導電性能。在焊接過程中，要控制焊錫的用

24、量。3，控制焊點的形狀，表面圓而光滑、清潔、無毛刺、在焊接中，適量的焊劑是必不必不可不少的，但要適量。過量的松香使焊點表面及其周圍不清潔，甚至會在加熱不足之處夾雜到焊錫中形成“夾渣”。對于有松香芯的焊錫絲來講，基本上可不別用助焊劑。4，控制焊接時間，能短則短。烙鐵頭應(yīng)修整窄一些，使焊一個點時不會碰到相鄰的焊接點。3、 產(chǎn)品結(jié)構(gòu) 由手工做成的通用串行總線集線器（USB HUB）的產(chǎn)品及其結(jié)構(gòu)如下所示：第3章 畢業(yè)實習總結(jié)和體會 通過閱讀大量英文文獻和中文資料，了解了UsB總線的基本知識，如USB的體系結(jié)構(gòu)和特點包括總線特征協(xié)議定義傳輸方式和電源管理等等，對USB總線的基礎(chǔ)知識、產(chǎn)生和發(fā)展，數(shù)據(jù)在USB總線上的傳輸機理，高速USB2. 0的數(shù)據(jù)傳輸能力，USB支持的控制傳輸、同步傳輸、塊傳輸及中斷傳輸4種傳輸類型，以及USB2. 0總線的應(yīng)用場景有了更深的理解。還學習了Genesys Logic公司的GL650USB芯片的相關(guān)知識，以及如何去開發(fā)一個簡單集線器的