一、USB接口简介

USB(Universal Serial Bus)接口技术于1996年正式诞生后经过多年的发展已经成为现在电子产品普遍使用的一种通信接口。被广泛应用于各种设备之中，大到个人电脑，小到手机手环等产品都离不开它的身影。

在多年的发展中，USB协议不断改进，从最开始的1.1标准发展到目前已经推出的3.2标准。USB接口在硬件结构上也发展出了许多种类，如图1.1所示。随着USB标准的发展，USB传输数据的速度也极大地增加，当然USB接口的引脚数也增加不少，协议难度也比原来更加复杂。

图1.1 常见USB接口类型

二、USB2.0、USB3.0以及USB Type C

在众多USB接口协议中目前使用最多的是USB2.0 A型、USB3.0/3.1 A型、USB3.0/3.1 C型接口协议，其传输速率如图2.1所示。

图2.1 常用USB接口速度

USB协议是向下兼容是，USB3.0及以上标准用于传输大量数据，如U盘、移动硬盘、外接显卡等数据量很大并且对时间要求非常高的地方。USB2.0目前使用范围是最广的，鼠标键盘与电脑之间的连接，低速U盘等。在不需要传输特别大数据时几乎都是采用USB2.0协议，USB1.0和USB1.1已经由USB2.0完全替代。由于USB2.0接口是最简单的接口，也是我们目前主要使用的接口，所以下面主要讨论与USB2.0有关的硬件相关部分。

三、USB2.0协议规范

1. USB2.0物理规范

USB2.0接口有多种规范，其中A型接口最为常见，具有4个引脚，分别是VCC、Data+(D+)、Data-(D-)和GND，如图3.1.1所示。线缆颜色分别为红、白、绿、黑，如图3.1.2所示。

图3.1.1 USB A型接口物理规范

图3.1.2 USB信号线缆颜色

USB采用差分信号传输数据，具有较强的抗干扰能力，能够有效抑制传输过程中的共模干扰。USB2.0具有两根数据线D+和D-， 如图3.1.3所示。USB信号分为J态、K态和SE0态，详见表3.1.1.

图3.1.3 USB信号线

表3.1.1 USB低速和高速信号状态

低速和全速模式下差分信号的范围如下所示，USB接收器的差分信号输入范围是0.8-2.5(v)，输出信号的交叉点范围应在1.3-2.0(v).

USB高速模式时能够达到480Mbps的数据传输能力，此时需要使用新的指标来判断信号的状态，信号直流标准见表3.1.2.

表3.1.2 USB高速模式信号直流标准

对于高速数字信号质量判断一般使用眼图来判断，对于高速模式的USB信号要求，官方给出了响应的眼图模板，其测试条件如图3.1.4和图3.1.5所示。在USB主设备发送引脚测、主设备连接器、从设备连接器连接器、从设备接受引脚处测量，示波器探头阻抗为50ohm。

图3.1.4 USB高速模式下眼图测试点

图3.1.5 USB高速模式眼图测试条件

TP2和TP3之间没有线缆连接时发送端的眼图模板如图3.1.6所示。

图3.1.6 无线缆连接时发送端连接器处眼图模板

TP2和TP3之间存在线缆连接时发送端连接器处眼图模板如图3.1.7.

图3.1.7 有线缆连接时发送端连接器处眼图模板

TP2和TP3之间没有线缆连接时接受端连接器处眼图模板如图3.1.8.

图3.1.8 无线缆连接时接收端连接器处眼图模板

TP2和TP3之间存在线缆连接时接受端连接器处眼图模板如图3.1.9.

图3.1.9 有线缆连接时接收端连接器处眼图模板

发送器引脚处眼图模板如图3.1.10所示。

图3.1.10 发送器引脚处眼图模板

接收器引脚处眼图模板如图3.1.11所示。

图3.1.11 接收器引脚处眼图模板