【導(dǎo)讀】USB 2.0標(biāo)準(zhǔn)最高支持480Mbps的傳輸速率，憑借其標(biāo)準(zhǔn)化的傳輸協(xié)議，成熟且通用的技術(shù)和低廉的價(jià)格，在攝像頭、移動(dòng)存儲(chǔ)、HID控制等多種設(shè)備中廣泛應(yīng)用。但是普通USB傳輸系統(tǒng)存在抗干擾性差和傳輸距離近的問題，對(duì)其應(yīng)用場(chǎng)合帶來(lái)了限制。
前言
USB 2.0標(biāo)準(zhǔn)最高支持480Mbps的傳輸速率，憑借其標(biāo)準(zhǔn)化的傳輸協(xié)議，成熟且通用的技術(shù)和低廉的價(jià)格，在攝像頭、移動(dòng)存儲(chǔ)、HID控制等多種設(shè)備中廣泛應(yīng)用。但是普通USB傳輸系統(tǒng)存在抗干擾性差和傳輸距離近的問題，對(duì)其應(yīng)用場(chǎng)合帶來(lái)了限制。本文提出了一種解決了上述問題的增強(qiáng)型USB 2.0傳輸方案，簡(jiǎn)述了其原理，并通過幾個(gè)用例對(duì)USB 2.0接口的使用場(chǎng)景做了延伸。
一、技術(shù)原理
USB 2.0的應(yīng)用限制主要體現(xiàn)在傳輸距離近，抗干擾性差兩方面。具體來(lái)說(shuō)，USB線纜的長(zhǎng)度不超過5m，這是業(yè)內(nèi)對(duì)USB2.0傳輸能力的普遍共識(shí)；USB 2.0為DC耦合，Host和Device端必須共地，共地依靠傳輸線纜實(shí)現(xiàn)，所以地上的電壓波動(dòng)會(huì)引起傳輸誤碼，同時(shí)信號(hào)線從芯片管腳引出直接對(duì)外，也增加了芯片接口保護(hù)的復(fù)雜度。
NS1021/1021E為瑞發(fā)科公司推出的旨在增強(qiáng)USB 2.0接口傳輸性能的方案，突破了上述限制。該方案從物理層直接對(duì)信號(hào)本身進(jìn)行增強(qiáng)，不解析USB 2.0協(xié)議，通過自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的AC耦合技術(shù)和編解碼技術(shù)，提升了傳輸?shù)目煽啃?。AC耦合可消除傳輸線纜上的共模干擾電壓，提高可靠性，避免因高壓或地線上浪涌損壞。NS1021/NS1021E在兩個(gè)互聯(lián)的USB 2.0設(shè)備間提供了一條高速通道，而且對(duì)其兩端的USB設(shè)備來(lái)說(shuō)，通道是透明的，兼容任何USB 2.0主機(jī)、設(shè)備及Hub，無(wú)需安裝驅(qū)動(dòng)。
圖1
圖1以PC直接讀寫移動(dòng)硬盤為例，分別描述了標(biāo)準(zhǔn)USB 2.0傳輸系統(tǒng)（System 1）和基于NS1021的傳輸系統(tǒng)（System 2）的對(duì)比。圖2是使用ATTO Disk Benchmark軟件實(shí)測(cè)讀寫速度的結(jié)果，其中左圖對(duì)應(yīng)System 1，右圖對(duì)應(yīng)System 2。對(duì)比可知，使用NS1021不影響傳輸速度。
圖2
圖3是使用NS1021的系統(tǒng)中，USB 2.0接口的眼圖，對(duì)應(yīng)圖1中①位置。可以看出，經(jīng)過長(zhǎng)距離傳輸，信號(hào)質(zhì)量并沒有受到影響。
圖3
NS1021/1021E的傳輸機(jī)制，不僅能夠保證USB 2.0最大480Mbps的傳輸速率，還做到了傳輸零延時(shí)和避免協(xié)議解析造成的兼容性問題，并且USB協(xié)議原有的良好的容錯(cuò)機(jī)制，也得到了保留。NS1021采用1對(duì)雙絞線傳輸，最大傳輸距離50m；NS1021E采用2對(duì)雙絞線，最大傳輸距離40m，均可連接HUB使用，可以配合HUB支持低速/全速/高速三種速度規(guī)格，QFN32（5x5）封裝，外圍電路簡(jiǎn)單；芯片內(nèi)置電源模塊，只需5V供電；各管腳均達(dá)到8KV HBM ESD的性能標(biāo)準(zhǔn)。
二、經(jīng)典應(yīng)用
NS1021常見應(yīng)用包括如下幾種。
KVM延長(zhǎng)器系統(tǒng)
該系統(tǒng)的核心優(yōu)勢(shì)就是維持480Mbps的最大傳輸速率前提下，將USB 2.0遠(yuǎn)距離傳輸，并結(jié)合NS5530/5531為代表的視頻傳輸方案，只需一根Cat 5網(wǎng)線，即可操作遠(yuǎn)端的PC機(jī)。
圖4
如圖4所示，左邊的電路可以做成PCI擴(kuò)展卡置于PC機(jī)箱內(nèi)部，右邊部分可以做成擴(kuò)展盒，與顯示器和鍵盤鼠標(biāo)一起部署于用戶端，從而用戶端無(wú)需再部署主機(jī)，良好的實(shí)時(shí)性，可保證操作遠(yuǎn)端主機(jī)時(shí)感受不到延遲。
視頻會(huì)議系統(tǒng)
視頻會(huì)議系統(tǒng)中，涉及多種音視頻流和控制流，而且傳輸距離一般超過5m，因此傳統(tǒng)應(yīng)用較多地考慮以太網(wǎng)傳輸，后者涉及復(fù)雜的音視頻編解碼和網(wǎng)絡(luò)傳輸業(yè)務(wù)，會(huì)影響時(shí)效性并且增加了系統(tǒng)開發(fā)和維護(hù)難度。
圖5
借助NS1021/1021E對(duì)信號(hào)的增強(qiáng)，系統(tǒng)允許使用者在設(shè)備端與PC之間使用Cat 5線纜傳輸數(shù)據(jù)，圖5給出了一種典型應(yīng)用，該系統(tǒng)比KVM系統(tǒng)更復(fù)雜，涉及音頻信號(hào)、視頻信號(hào)、控制信號(hào)傳輸和存儲(chǔ)設(shè)備訪問，部分傳輸還是雙向的。上述設(shè)備自身均為USB設(shè)備，直接使用USB接口傳輸，中間環(huán)節(jié)不需額外增加協(xié)議解析環(huán)節(jié)；相對(duì)而言，使用以太網(wǎng)，不僅要做協(xié)議解析，而且傳輸時(shí)還要增加網(wǎng)絡(luò)封包解包的操作，可靠性和實(shí)時(shí)性都大大降低。進(jìn)一步的，USB 2.0的帶寬高于百兆網(wǎng)，也是個(gè)重要優(yōu)勢(shì)。
零客戶端
隨著企業(yè)IT架構(gòu)向“云時(shí)代”的轉(zhuǎn)變，零客戶端作為一種高效、簡(jiǎn)單、安全、低成本的虛擬化桌面實(shí)施方式，逐漸得到了市場(chǎng)的認(rèn)可。
圖6
圖6給出了一個(gè)適于企業(yè)應(yīng)用的零客戶端設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)包括n個(gè)相同且相互獨(dú)立的子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與圖3類似。PC_n代表第n臺(tái)主機(jī)，統(tǒng)一部署于主機(jī)房?jī)?nèi)；而ZeroClint_n代表員工桌面上的終端設(shè)備，包括鍵盤鼠標(biāo)顯示器等。這種集中化的部署方式，具有如下優(yōu)點(diǎn)：第一，主機(jī)房的溫濕度及防塵容易統(tǒng)一控制，減緩了設(shè)備老化速度，利于延長(zhǎng)使用壽命；第二，辦公區(qū)內(nèi)不再有主機(jī)噪音和散熱問題，環(huán)境得到改善；第三，利于設(shè)備維護(hù)和升級(jí)，且一旦設(shè)備出現(xiàn)故障，便于檢驗(yàn)維修；第四，對(duì)于具有保密要求的行業(yè)，PC機(jī)上的數(shù)據(jù)只能“看”而不能“拷貝”，利于數(shù)據(jù)安全管理。
此外，企業(yè)將現(xiàn)有系統(tǒng)的改造，可以利用現(xiàn)有部署的網(wǎng)線作為傳輸線纜，傳輸距離可達(dá)到50m，滿足絕大多數(shù)辦公場(chǎng)所的使用需求。
三、新興應(yīng)用
NS1021/NS1021E使USB 2.0的抗干擾性得到顯著提高。近年來(lái)，一些原本沒有長(zhǎng)距離傳輸需求的應(yīng)用中，也使用了NS1021/NS1021E作為設(shè)備間的互聯(lián)接口。
車載USB
USB 2.0在傳輸速率、功耗及通用性上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過100M車載以太網(wǎng)，但業(yè)內(nèi)一般認(rèn)為USB難以滿足車載產(chǎn)品對(duì)可靠性的嚴(yán)格要求，未能得到廣泛應(yīng)用。NS1021/1021E彌補(bǔ)了USB 2.0接口的不足，并促成了車載USB這一概念的誕生。車載USB使用車載低頻HSD連接器及線纜或車載USB連接器及線纜，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備間的穩(wěn)定的數(shù)據(jù)交互，并支持長(zhǎng)距離可靠傳輸，車內(nèi)布線更靈活。圖7給出了車載視頻與數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡湫蛻?yīng)用，中控主機(jī)連接前/后視攝像頭、激光雷達(dá)、DMS、行車記錄儀、USB Hub擴(kuò)展等設(shè)備。
圖7
另一方面，NS1021/1021E的引入，降低了對(duì)線纜和連接器的要求。目前廣泛用于主機(jī)與分離屏的連接的HSD連接器的帶寬要求到2GHz以上，連接器阻抗要求為差分100歐姆+/-15%，一般搭配高質(zhì)量線材使用，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，價(jià)格高；而車載低頻HSD連接器帶寬要求為400MHz，連接器處的阻抗要求為差分100歐姆+/-25%即可，性能要求更容易滿足，從而大幅降低線纜成本。
機(jī)器視覺
USB攝像頭在機(jī)器視覺等工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中應(yīng)用廣泛，而其中又以USB 2.0攝像頭的性價(jià)比最高。但是不可避免的傳輸距離不足，以及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的電磁環(huán)境，均限制了USB攝像頭的應(yīng)用。
圖8
如圖8所示，在傳統(tǒng)USB攝像頭中加入NS1021/1021E，傳輸線纜可以使用屏蔽雙絞線或同軸線，結(jié)合交流耦合的優(yōu)勢(shì)，抗干擾能力進(jìn)一步增強(qiáng)。對(duì)于近年來(lái)新出現(xiàn)的使用了3D和AI技術(shù)的USB攝像頭，也可支持。此外，NS1021/1021E還可以提供4個(gè)GPIO的狀態(tài)透?jìng)?，用于狀態(tài)燈控制或報(bào)警控制。
NS1021/1021E自身還具有功耗低、內(nèi)置電源、占用板面積小等優(yōu)勢(shì)，對(duì)于很多USB攝像頭來(lái)說(shuō)，可以不用修改現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，降低了開發(fā)復(fù)雜度。
接口隔離保護(hù)
標(biāo)準(zhǔn)USB 2.0作為一種DC耦合的接口，其控制器的管腳是直接對(duì)外的，中間無(wú)法串聯(lián)隔離器件，接口保護(hù)設(shè)計(jì)的常規(guī)做法是在信號(hào)線與地或電源之間并聯(lián)保護(hù)器件。但這樣的措施并不能夠完全防止超出控制器管腳容限能力的電壓信號(hào)造成管腳損壞，很多的工程中都常見USB損壞的案例，并且出現(xiàn)這樣的損壞，往往直接損壞了主控芯片的管腳，維修難度大甚至不可維修，意味著整個(gè)板卡的報(bào)廢。
圖9
NS1021/1021E將標(biāo)準(zhǔn)USB的直流耦合方式變成了對(duì)外的交流耦合，如圖9所示，信號(hào)線上串聯(lián)的高頻變壓器T1或電容C1、C2有效避免了直流電壓信號(hào)直接加在控制器管腳上造成接口損壞。而且即使設(shè)備使用過程中，遇到了超出設(shè)計(jì)指標(biāo)的EMC干擾，也不會(huì)直接損壞主控芯片，最多也只是會(huì)損壞NS1021/NS1021E這一級(jí)，維修難度大大降低。
結(jié)語(yǔ)
NS1021/NS1021E在兩個(gè)互聯(lián)的USB 2.0設(shè)備間提供了一條高速通道，而且對(duì)其兩端的USB設(shè)備來(lái)說(shuō)，通道是透明的，兼容任何USB 2.0主機(jī)、設(shè)備及Hub，無(wú)需安裝驅(qū)動(dòng)。彌補(bǔ)了標(biāo)準(zhǔn)USB 2.0接口傳輸距離近，抗干擾性差兩方面的不足，擴(kuò)展了USB 2.0接口的使用范圍，相信今后還會(huì)出現(xiàn)更多基于NS1021/NS1021E的新應(yīng)用。
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