ELEKTRIČNE KARAKTERISTIKE
Osobine signalnog drivera
USB podatkovno signaliziranje vrši se potpuno diferencijalno preko para vodova zbog čega se za upravljanje signala upotrebljava diferencijalni izlazni driver. Statičko titranje izlaznog drivera ne smije prelaziti 0.3V za 1.5kΩ-sko opterećenje prema 3.6V, a visokom stanju mora biti iznad 2.8V s opterećenjem od 15 kΩ. Među diferencijalno visokim i diferencijalno niskim stanjem izlazna titranja drivera moraju biti izjednačena kako bi se smanjio nagib signala. Također je potrebno kontrolirati i gušenje signala čime smanjujemo unošenje šuma preslušavanja. Izlazi drivera osim navedenog moraju podržavati i visokoimpedancijski način rada što je nužno za osiguravanje (half duplex načina rada USB sabirnice). Stanje visoke impedancije potrebno je i kod uređaja koji su isključeni ili «vruće» priključeni tako da ne ometaju rad sabirnice. Driver također mora biti neosjetljiv na druge napone koji se mogu pojaviti na signalnom priključku i to u području od 0.5V do 3.8V s obzirom na lokalno uzemljenje. Ove uvijete mora ispunjavati u vremenu 10ms u aktivnom radu, a ako se nalazi u visokoimpedancijskom stanju, tada bez vremenskih ograničenja. Za USB veze s punom brzinom (12Mbs) potrebno je upotrebljavati oklopljeni kabel s paricom i karakterističnom impedancijom Z=90Ω +/-15% i najvećom dužinom do 5 m. Impedancija upotrijebljenih drivera može iznositi između 29Ω i 44Ω. Vrijeme porasta i padanja signala na podatkovnoj liniji mora biti između 4 ns i 20 ns pri čemu signali moraju jednakomjerno rasti odnosno padati (monotono) i dobro se podudarati kako bi se smanjilo odašiljanje radijskih smetnji i izobličenja signala. Slika 4 pokazuje shemu CMOS izvedbe drivera koji zbog svojih fizičkih osobina ima znatno nižu impedanciju od zahtjevane (na primjeru od 3Ω do15Ω), zato se za ravnotežu upotrebljavaju još dva serijski vezana otpornika.
Slika 4: Shema
drivera u CMOS izvedbi
Oblik signala drivera kod pune brzine rada pokazuje slika 5.
Slika 5:
Oblik signala kod pune brzine rada drivera
Za povezivanje s malom brzinom prijenosa (do 1.5Mbs) upotrebljava se neoklopljen vodič bez isprepletenih žica (ne parica) i s najvećom dužinom do 3m. Vrijeme porasta i pada signala mora biti veće od 75 ns da bi se emitiranje smetnji zadržalo u dozvoljenim granicama i manje od 330 ns radi ograničenja vremenskih kašnjenja i izobličenja signala. Driver za u vrstu prijenosa mora dosezati specifične statičke vrijednosti nivoa signala te njegov jednakomjeran rast i pad. Kod upravljanja s priključenim kablom mora se osigurati što manje odbijanja i štetnog interaktivnog utjecaja signala kao što je to prikazano na slici 6.
Slika 6:
Oblik signala kod smanjene brzine rada drivera
Ova vrsta kabela i drivera koristi se samo na pojedinim segmentima mreže i to između pojasno manje zahtjevnih uređaja i vratiju na koja su priključeni. Driveri za punu brzinu koriste se na vratima prema središnjoj jedinici na svim HUB-ovima kao i uređajima koji zahtijevaju veću brzinu prijenosa podataka. Zbog toga svi uređaji koji imaju ugrađen HUB moraju raditi punom brzinom, a samo po potrebi se mogu prilagoditi radu s manjom brzinom, osim signaliziranja koje još uvijek djeluje punom brzinom.
Osobine prijemnika
Za prijem USB signala također mora biti upotrijebljen diferencijalni prijemnik s ulaznom osjetljivošću barem 200mV kod čega oba ulaza moraju biti u području od 0.8 do 2.5V gledano na lokalnu uzemljenu točku. Točan prijem podataka zahtijeva se i onda kada su ulazi izvan tog područja, ali još uvijek u dozvoljenim granicama. Prijemnik mora bez pogreške prenijeti i statičke ulazne napone od –0.5 V i 3.8 V gledano na lokalnu uzemljenu točku. Osim diferencijalnog prijemnika na svakoj ulaznoj liniji mora biti još i jednostruki prijemnik s preklopnim područjem od 0.8 V do 2.0 V (TTL ulazi).
Zaključivanje linija (terminiranje)
Svaki USB segment je električno zaključen na HUB-u i na samom uređaju kao što to prikazuju slike 7 i 8. Vrste uređaja se, glede brzine prijenosa podataka , prepoznaju pomoću vrste pull-up otpornika na donjem kraju kabela (na strani uređaja). Svi uređaji koji rade punom brzinom zaključeni su otpornikom na D+ liniji (slika 7), dok su uređaji koji rade na nižim brzinama zaključeni otpornikom na D- liniji (slika 8). Pull-up zaključni otpornik ima vrijednost 1.5 kΩ +/-5%, a na napon napajanja povezan je između nivoa 3.0V i 3.6V s obzirom na lokalno uzemljenje.
Slika 7:
Uređaj sa punom brzinom prijenosa
Slika 8:
Uređaj sa smanjenom brzinom prijenosa
Razine signala
U tabeli 1 su pokazane sve definirane razine signala koje USB sabirnica upotrebljava pri svojem radu. Stanja «J» i «K» su dva logička nivoa koja se u sustavu upotrebljavaju za diferencijalno komuniciranje. Razina diferencijalnog signala se mjeri od točke presjeka linija bez obzira na nivo presjecišta sve dok se signali nalaze u dozvoljenom području. Kada sabirnica nije u diferencijalnom načinu rada, podatkovne linije moraju biti izvan okidnih područja (stanje pripravnosti i obnavljanja). Logički gledano, stanja pripravnosti i obnavljanja su jednaka stanjima «J» i «K».
STANJE SABIRNICE |
RAZINE SIGNALA |
|
|
|
Na strani drivera |
Na strani prijemnika |
|
Diferencijalna «1» |
(D+)-(D-)>200mV i D+ili D->Vse(min) |
|
|
Diferencijalna «0» |
(D+)-(D-)<-200mV i D+ili D->Vse(min) |
|
|
«J» stanje Smanjena brzina Puna brzina |
Diferencijalna «0» Diferencijalna «1» |
|
|
«K» stanje Smanjena brzina Puna brzina |
Diferencijalna «1» Diferencijalna «0» |
|
Stanje pripravnosti
Smanjena brzina Puna brzina |
Diferencijalna «0» i D-> Vse(max) i D+<Vse(min) Diferencijalna «1» i D-> Vse(max) i D+<Vse(min) |
|
Stanje obnavljanja
Smanjena brzina Puna brzina |
Diferencijalna «1» i D+> Vse(max) i D-<Vse(min) Diferencijalna «0» i D-> Vse(max) i D+<Vse(min) |
|
|
Start of Packet (SOP) |
Podatkovne linije prebacuju se iz stanja pripravnosti u stanje «K» |
|
|
End of Packet (EOP) |
D+ i D-< Vse(min) u vremenu trajanja dva bita, slijedi stanje pripravnosti dužine jednog bita |
D+ i D-< Vse(min) duže ili u trajanju jednog bita + «J» stanja |
|
Iskapčanje uređaja |
|
D+ i D-< Vse(min) u trajanju od 2.5μs |
|
Ukapčanje uređaja |
|
D+ i D-< Vse(min) u trajanju od 2.5μs |
|
Reset |
D+ i D-< Vse minimalno 10ms |
D+ i D-< Vse(min) minimalno 2.5μs (prepoznat mora biti u vremenu od 5.5μs) |
Tabela 1: Definirane razine signala koje
USB sabirnica koristi u svojem radu
Signaliziranje prilikom prikapčanja i iskapčanja uređaja
Sva logička vrata na HUB-u kao i središnjoj jedinici imaju na strani završnog uređaja priključene pull-down otpornike (na obje podatkovne linije), isto tako svaki uređaj ima pull-up otpornik na jednoj podatkovnoj liniji čime označava vrstu uređaja. Zbog toga se prilikom prikapčanja uređaja na HUB ili središnju jedinicu uz slobodne podatkovne linije na odgovarajućem priključku (tamo gdje se nalazi pull-up otpornik) pojavi nivo od oko 2.8V, dok je na drugoj liniji napon blizu nule. To stanje naziva se stanjem pripravnosti. Ukoliko na vrata HUB-a ili središnje jedinice nije prikopčan niti jedan uređaj ili priključeni uređaji nisu napajani, pull-down otpornici uzrokuju pad nivoa napona na podatkovnim linijama ispod okidnog nivoa vratiju na prijemniku. To rezultira stanjem «Single ended zero» koje u slučaju trajanja od preko 2.5 ms (vrijeme 30 bitova kod pune brzine) označi da je uređaj iskopčan (slika 9).
Slika 9: Stanje
«Single ended zero» označava da je uređaj iskopčan
Nasuprot tome prikapčanje uređaja prepoznaje se kada se zbog njega ili njegova napajanja na vratima HUB-a ili središnje jedinice, jednoj od podatkovnih linija, podigne nivo napona iznad okidnog nivoa vratiju na prijemniku za barem 2.5 ms (vrijeme 30 bitova kod pune brzine). Nakon prebacivanja vratiju u način «prikopčano», na ovom segmentu mreže uspostavi se stanje pripravnosti i izvrši prepoznavanje radi li se o uređaju koji radi punom brzinom ili uređaju sa smanjenom brzinom. Nakon toga uspostave se svi nivoi kako je prikazano u tabeli, dok se raspored pojedinih signala prilikom prikapčanja može vidjeti na slici 10 za punu brzinu, a na slici 11 raspored signala za smanjenu brzinu prijenosa podataka.
Slika 10: Tijek
pojedinih signala prilikom prikapčanja uređaja
koji radi na
punoj brzini prijenosa
Slika 11: Tijek
pojedinih signala prilikom prikapčanja uređaja
koji radi sa smanjenom brzinom prijenosa
Podatkovna signalizacija
Svi USB prijenosi su logički razdijeljeni na pakete pri čemu je svaki paket na električnom nivou razbijen u seriju diferencijalnih signala. Na sabirnici je diferencijalna «1» predstavljena na način da je linija D+ pozitivnija barem za 200 mV od linije D- na strani prijemnika, dok za diferencijalnu «0» vrijedi obratno što znači da D- mora biti barem za 200mV pozitivniji od D+ na prijemnoj strani. Sjecište signala prema specifikaciji mora biti između 1.3 V i 2.0 V. Početak paketa (Start of Packet – SOP) signalizira se prebacivanjem linija iz stanja pripravnosti u stanje «K». Prebacivanje nivoa ujedno predstavlja prvi bit SYNC polja paketa, dok se ostali HUB-ovi moraju pobrinuti da izobličenje dužine impulsa kod odašiljanja i dalje ostane ispod 5 ns. Kraj paketa označava signal SE= koji uzrokuje povlačenje obiju linija D+ i D- ispod nivoa 0.8V za vrijeme trajanja od dva bita nakon čega slijedi još i stanje pripravnosti dužine jednog bita. Prijelaz iz SE0 (single ended 0) u stanje pripravnosti definira kraj paketa (EOP – End of Packet). Na slici 12 možete vidjeti vremenski ciklus signala za početak i kraj paketa.
Slika 12: Tijek
signala za početak i kraj paketa
Reset
Reset signal se aktivira na vratima HUB-a u smjeru prema uređaju, a zapravo se sastoji od produženog SE0 stanja. Nakon resetiranja uređaj je već u «prikopčanom» stanju, ali još uvijek nije konfiguriran niti mu je pridružena adresa USB arhitekture.
Reset može aktivirati središnja jedinica na bilo kojem HUB-u ili na svojim vratima, a trajati mora barem 10 ms. Nakon resetiranja vrata HUB-a na koja je priključen resetirani uređaj postavljaju se u stanje «iskopčan» nakon čega se pull-up otpornici pobrinu za ponovno prepoznavanje prikapčanja kao i ponovno pokretanje inicijalizacije istog segmenta. Prilikom resetiranja se signal reseta proširi preko svih omogućenih vratiju prema uređajima dok preko onemogućenih vratiju nema utjecaja. Ukoliko je HUB napajan preko sabirinice i na svojem priključnom segmentu prepozna reset, svim priključnim uređajima otpoji napajanje i postavi ih u stanje «iskopčano». Uređaji koji su prije resetiranja bili u ekonomičnom stanju nakon uspostave veze se ponovno prebacuju u normalno djelovanje.
Ekonomičan način rada (suspend)
Svi USB uređaji moraju podržavati ekonomičan način rada u koji mogu ulaziti bez obzira na trenutno stanje napajanja. Prijelaz u ekonomični način uzrokuje svaka konstantna neaktivnost sabirnice koja traje dulje od 3.0 ms, dok bilo kakva aktivnost na sabirnici sprečava ovakav prijelaz. Zbog toga je preko USB sustava osigurano aktiviranje SOF paketa koji održava «budnim» sve uređaje koji rade punom brzinom, dok o uređajima koji rade sa smanjenom brzinom brinu HUB-ovi na koje su priključeni. U ekonomičnom stanju uređaj može iz sabirnice trošiti svega 500 mA, ali unatoč tome HUB mora osigurati maksimalnu zahtijevanu struju i to zbog funkcija uređaja koji omogućuju daljinsko «buđenje». Prijelaz u normalan način rada ili buđenje može se aktivirati uspostavom «obnovljenog stanja» na sabirnici, normalnom aktivnošću sabirnice ili resetiranjem. Neki uređaji mogu pokrenuti buđenje i svojim internim funkcijama čime pokrenu aktivnosti što prošire na cijeli sustav.
Osim selektivnog uključivanja ekonomičnog rada, ovakav način rada može se definirati i globalno samo ako više nama potrebe za vanjskim komunikacijama. U tom slučaju središnja jedinica prekid sve aktivnosti na što se svi uređaji odazovu prijelazom u ekonomičan način rada.
Kodiranje / dekodiranje podataka
Prijenosi podataka preko USB sustava se zbog njihove zaštite kodiraju prema NRZI shemi koja je vrlo jednostavna i praktična za diferencijalno upravljanje. Logičke informacije u NRZI shemi su predstavljene tako da «1» na ulazu ne mijenja nivo izlaznog signala, dok «0» uzrokuje njegovo prebacivanje. Princip kodiranja prema NRZI shemi prikazan je na slici 13.
Slika 13:
Orginalni i podaci kodirani prema NRZI shemi
Osim ove tehnike kodiranja u USB je ugrađeno još nekoliko tehnologija koje se brinu za nadzor ispravnosti podataka (na nivou strajne opreme).