基于NS1021的USB2.0延长和增强应用
发布时间:2020-08-10

前言:

USB 2.0标准最高支持480Mbps的传输速率,凭借其标准化的传输协议,成熟且通用的技术和低廉的价格,在摄像头、移动存储、HID控制等多种设备中广泛应用。但是普通USB传输系统存在抗干扰性差和传输距离近的问题,对其应用场合带来了限制。本文提出了一种解决了上述问题的增强型USB 2.0传输方案,简述了其原理,并通过几个用例对USB 2.0接口的使用场景做了延伸。

一、技术原理

USB 2.0的应用限制主要体现在传输距离近,抗干扰性差两方面。具体来说,USB线缆的长度不超过5m,这是业内对USB2.0传输能力的普遍共识;USB 2.0DC耦合,HostDevice端必须共地,共地依靠传输线缆实现,所以地上的电压波动会引起传输误码,同时信号线从芯片管脚引出直接对外,也增加了芯片接口保护的复杂度。

NS1021/1021E为瑞发科公司推出的旨在增强USB 2.0接口传输性能的方案,突破了上述限制。该方案从物理层直接对信号本身进行增强,不解析USB 2.0协议,通过自主知识产权的AC耦合技术和编解码技术,提升了传输的可靠性。AC耦合可消除传输线缆上的共模干扰电压,提高可靠性,避免因高压或地线上浪涌损坏。NS1021/NS1021E在两个互联的USB 2.0设备间提供了一条高速通道,而且对其两端的USB设备来说,通道是透明的,兼容任何USB 2.0主机、设备及Hub,无需安装驱动。

                                                                              


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1PC直接读写移动硬盘为例,分别描述了标准USB 2.0传输系统(System 1)和基于NS1021的传输系统(System 2)的对比。图2是使用ATTO Disk Benchmark软件实测读写速度的结果,其中左图对应System 1,右图对应System 2。对比可知,使用NS1021不影响传输速度。

                                                                              


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3是使用NS1021的系统中,USB 2.0接口的眼图,对应图1中①位置。可以看出,经过长距离传输,信号质量并没有受到影响。

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NS1021/1021E的传输机制,不仅能够保证USB 2.0最大480Mbps的传输速率,还做到了传输零延时和避免协议解析造成的兼容性问题,并且USB协议原有的良好的容错机制,也得到了保留。NS1021采用1对双绞线传输,最大传输距离50mNS1021E采用2对双绞线,最大传输距离40m,均可连接HUB使用,可以配合HUB支持低速/全速/高速三种速度规格,QFN325x5)封装,外围电路简单;芯片内置电源模块,只需5V供电;各管脚均达到8KV HBM ESD的性能标准。

二、经典应用

NS1021常见应用包括如下几种。

 

KVM延长器系统

该系统的核心优势就是维持480Mbps的最大传输速率前提下,将USB 2.0远距离传输,并结合NS5530/5531为代表的视频传输方案,只需一根Cat 5网线,即可操作远端的PC机。
                      

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如图4所示,左边的电路可以做成PCI扩展卡置于PC机箱内部,右边部分可以做成扩展盒,与显示器和键盘鼠标一起部署于用户端,从而用户端无需再部署主机,良好的实时性,可保证操作远端主机时感受不到延迟。

视频会议系统

视频会议系统中,涉及多种音视频流和控制流,而且传输距离一般超过5m,因此传统应用较多地考虑以太网传输,后者涉及复杂的音视频编解码和网络传输业务,会影响时效性并且增加了系统开发和维护难度。

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借助NS1021/1021E对信号的增强,系统允许使用者在设备端与PC之间使用Cat 5线缆传输数据,图5给出了一种典型应用,该系统比KVM系统更复杂,涉及音频信号、视频信号、控制信号传输和存储设备访问,部分传输还是双向的。上述设备自身均为USB设备,直接使用USB接口传输,中间环节不需额外增加协议解析环节;相对而言,使用以太网,不仅要做协议解析,而且传输时还要增加网络封包解包的操作,可靠性和实时性都大大降低。进一步的,USB 2.0的带宽高于百兆网,也是个重要优势。

零客户端

随着企业IT架构向“云时代”的转变,零客户端作为一种高效、简单、安全、低成本的虚拟化桌面实施方式,逐渐得到了市场的认可。

                                                                            

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6给出了一个适于企业应用的零客户端设计方案,该系统包括n个相同且相互独立的子系统,每个子系统的结构与图3类似。PC_n代表第n台主机,统一部署于主机房内;而ZeroClint_n代表员工桌面上的终端设备,包括键盘鼠标显示器等。这种集中化的部署方式,具有如下优点:第一,主机房的温湿度及防尘容易统一控制,减缓了设备老化速度,利于延长使用寿命;第二,办公区内不再有主机噪音和散热问题,环境得到改善;第三,利于设备维护和升级,且一旦设备出现故障,便于检验维修;第四,对于具有保密要求的行业,PC机上的数据只能“看”而不能“拷贝”,利于数据安全管理。

此外,企业将现有系统的改造,可以利用现有部署的网线作为传输线缆,传输距离可达到50m,满足绝大多数办公场所的使用需求。

三、新兴应用

NS1021/NS1021E使USB 2.0的抗干扰性得到显著提高。近年来,一些原本没有长距离传输需求的应用中,也使用了NS1021/NS1021E作为设备间的互联接口。

车载USB

USB 2.0在传输速率、功耗及通用性上都远远超过100M车载以太网,但业内一般认为USB难以满足车载产品对可靠性的严格要求,未能得到广泛应用。NS1021/1021E弥补了USB 2.0接口的不足,并促成了车载USB这一概念的诞生。车载USB使用车载低频HSD连接器及线缆或车载USB连接器及线缆,实现了设备间的稳定的数据交互,并支持长距离可靠传输,车内布线更灵活。图7给出了车载视频与数据传输的典型应用,中控主机连接前/后视摄像头、激光雷达、DMS、行车记录仪、USB Hub扩展等设备。

                                                                      

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另一方面,NS1021/1021E的引入,降低了对线缆和连接器的要求。目前广泛用于主机与分离屏的连接的HSD连接器的带宽要求到2GHz以上,连接器阻抗要求为差分100欧姆+/-15%,一般搭配高质量线材使用,生产工艺复杂,价格高;而车载低频HSD连接器带宽要求为400MHz,连接器处的阻抗要求为差分100欧姆+/-25%即可,性能要求更容易满足,从而大幅降低线缆成本。

机器视觉

USB摄像头在机器视觉等工业现场中应用广泛,而其中又以USB 2.0摄像头的性价比最高。但是不可避免的传输距离不足,以及工业现场复杂的电磁环境,均限制了USB摄像头的应用。
                       

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如图8所示,在传统USB摄像头中加入NS1021/1021E,传输线缆可以使用屏蔽双绞线或同轴线,结合交流耦合的优势,抗干扰能力进一步增强。对于近年来新出现的使用了3DAI技术的USB摄像头,也可支持。此外,NS1021/1021E还可以提供4GPIO的状态透传,用于状态灯控制或报警控制。

NS1021/1021E自身还具有功耗低、内置电源、占用板面积小等优势,对于很多USB摄像头来说,可以不用修改现有结构,降低了开发复杂度。

接口隔离保护

标准USB 2.0作为一种DC耦合的接口,其控制器的管脚是直接对外的,中间无法串联隔离器件,接口保护设计的常规做法是在信号线与地或电源之间并联保护器件。但这样的措施并不能够完全防止超出控制器管脚容限能力的电压信号造成管脚损坏,很多的工程中都常见USB损坏的案例,并且出现这样的损坏,往往直接损坏了主控芯片的管脚,维修难度大甚至不可维修,意味着整个板卡的报废。

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NS1021/1021E将标准USB的直流耦合方式变成了对外的交流耦合,如图9所示,信号线上串联的高频变压器T1或电容C1C2有效避免了直流电压信号直接加在控制器管脚上造成接口损坏。而且即使设备使用过程中,遇到了超出设计指标的EMC干扰,也不会直接损坏主控芯片,最多也只是会损坏NS1021/NS1021E这一级,维修难度大大降低。

结语:

NS1021/NS1021E在两个互联的USB 2.0设备间提供了一条高速通道,而且对其两端的USB设备来说,通道是透明的,兼容任何USB 2.0主机、设备及Hub,无需安装驱动。弥补了标准USB 2.0接口传输距离近,抗干扰性差两方面的不足,扩展了USB 2.0接口的使用范围,相信今后还会出现更多基于NS1021/NS1021E的新应用。