CN100533419C - Usb外围设备和其模式侦测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种USB外围设备和其模式侦测方法，其中该USB外围设备是透过一USB传输线与一USB主机连接，其中该USB传输线包括传输电源用的电源信号线与接地信号线以及传输数据用的一第一与第二数据信号，包括：USB外围设备利用一第一提升装置拉升第一数据信号的电压电平，以及利用一第二提升装置拉升第二数据信号的电压电平。在USB主机侦测到上述第一数据信号和第二数据信号其中之一的电压电平超过一临界值的情况下，又在上述被侦测到的数据信号超过该临界值之后的一预设期间内侦测到上述另一数据信号的电压电平也超过该临界值的情况下，该USB主机会判定该USB外围设备为一高/全速速度模式的装置。

Description

USB外围设备和其模式侦测方法

技术领域

本发明是有关于USB(Universal Serial Bus)系统，尤指USB系统中决定速度模式的方法和装置。

背景技术

USB能够用于连接硬件周边，例如键盘、鼠标、扫描器、打印机等等。USB标准规定了三种传输速度模式，USB1.0定义低速(Low speed)的传输速度模式，可以用于传输速度到达1.5Mbps的应用，例如键盘、鼠标等等，USB1.1定义全速(Full speed)的传输速度模式，传输速度可以到达12Mbps，以及USB2.0定义高/全速(High/Full speed)的传输速度模式，传输速度可以到达480Mbps。对于USB主机来说，需要在每个连接的USB外围设备初始化时判定其正确的速度模式，接着才可以根据其速度模式进行数据传输。

图1显示USB系统的方块图，包括USB主机10、USB传输线12和USB外围设备14。USB主机10耦接到USB传输线12，接着耦接到USB外围设备14。USB主机10包括电源100和主机收发器102。USB传输线12包括传输电源用的电源(Vbus)信号线120与接地(GND)信号线126以及传输数据用的Data+信号122与Data-信号124(其中Data+与Data-在业界亦可用D+与D-简称的)。USB外围设备14包括电源调节器140和装置收发器142。

电源100供应主机收发器102所需的电源，可以是5V电源供应器。主机收发器102由硬件架构实现，具有驱动硬件接口(未显示)，用以接收驱动程序的指令，并且根据驱动程序的指令动作。主机收发器102经由USB传输线12传送符合USB的信号到USB外围设备14。USB信号由双绞线(twisted pair)传输，即Data+122和Data-124差动信号对。Data+122和Data-124差动信号对是半双工传输(half-duplex)信号，也就是USB信号每次只能由USB主机10或USB外围设备14中其一发出传输，但不能两者同时进行。电源调节器140供应装置收发器142所需的电源，将Vbus信号线120上的5V电压转换至3.3V。虽然图1显示USB主机10连接到单独的USB外围设备14，但是USB主机10也可以通过树枝状结构(branching structure)连接到多个USB外围设备14。

图2a和图2b显示USB标准中决定装置速度模式的规范，使用图1的USB系统，其中水平轴代表时间，垂直轴代表USB主机10侦测到的电压，其中T_connect的时间长度符合USB标准的规定。

参考图2a，显示USB标准在高/全速(High/Full)或全速(Full)速度模式下Data+122和Data-124的波形图，其中20a显示Data+122的电压电平，22a显示Data-124的电压电平。主机收发器102从时间200a起侦测到20a持续上升，在时间202a到达V_IH(2.0V)，而22a的电压准位持续维持在V_SS。在时间202a之后主机收发器102继续侦测，如果在T_connect期间20a维持在V_IH以上，并且22a停留于V_SS附近，则主机收发器102判定USB外围设备14是高/全速或全速速度模式的USB外围设备，接着，主机收发器102会在USB外围设备14收到其所发出的重置信号(Reset Signal)后，根据20a和22a后续的交握情况确实判定USB外围设备14为高/全速或全速的USB外围设备。

图2b显示USB标准在低速(Low)速度模式下Data+122和Data-124的波形图，其中20b显示Data+122的电压电平，22b显示Data-124的电压电平。主机收发器102从时间200b起侦测到22b持续上升，在时间202b到达V_IH(2.0V)，而20b的电压电平持续维持在V_SS附近。在时间202b之后主机收发器102继续侦测，如果在T_connect期间22b维持在V_IH以上，并且20b停留于V_SS附近，则主机收发器102判定USB外围设备14是低速速度模式的USB外围设备。

由上可知，已知技术对于低速USB外围设备的判断较无问题，有问题的是如图2a所示的，在重置信号前有相同的电压-时间曲线，但却表示有两种速度模式，这是因为具有高/全速特性的USB外围设备在其高速模式确定之前，会先经历过全速模式，而在重置信号后才进入高速模式，而由USB主机侦测到该高速模式后才会以高速模式与其进行数据传输，但以已知技术的方式，接受到重置信号大约已经是100ms后的事了，由此可知，已知技术针对高/全速(High/Full)或全速(Full)装置的判断，不仅判断时间点太晚而造成整体数据传输时间后移，判定方法也相当复杂，因为除了要判断重置信号时间前的曲线是否为全速模式外，在重置信号时间后尚须依据接收到的Data+与Data-间的交握状况判定是高速装置或仅为一全速装置。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种USB外围设备和其模式侦测方法，用以达成快速而且简单的USB速度模式判定。

有鉴于此，本发明提出一种USB外围设备模式侦测方法，其中该USB外围设备是透过一USB传输线与一USB主机连接，其中该USB传输线包括传输电源用的Vbus与GND信号线以及传输数据用的D+与D-信号，该USB外围设备模式侦测方法包括：USB外围设备利用一第一提升装置拉升D+的电压电平，以及利用一第二提升装置拉升D-的电压电平。在USB主机侦测到上述D+和D-其中之一数据信号的电压电平超过一临界值的情况下，又在上述被侦测到的数据信号超过上述临界值之后的一预设期间内侦测到上述另一数据信号的电压电平也超过上述临界值的情况下，USB主机即会判定上述USB外围设备为一高/全速速度模式的装置；在该USB主机侦测到该第一数据信号的电压电平超过该临界值但该第二数据信号的电压电平小于该临界值的情况下，该USB主机会判定该USB外围设备为一全速速度模式的装置。

此外，本发明另提出一种USB外围设备，用于决定USB外围设备的速度模式，包括一第一提升装置、一第二提升装置、以及一装置收发器。上述第一提升装置(pull up device)是用以拉升D+的电压电平。上述第二提升装置是用以拉升D-的电压电平。上述装置收发器用以致能上述第一提升装置和第二提升装置其中之一，使得相对应的上述数据信号的电压电平超过一临界值，在上述被致能的数据信号的电压电平超过上述临界值之后的一预设期间内致能上述另一提升装置，以使得另一数据信号的电压电平亦超过上述临界值，以表示受测的USB外围设备为一高/全速速度模式装置；其中，若该第一数据信号的电压电平超过该临界值但该第二数据信号的电压电平小于该临界值，则表示该USB外围设备为一全速速度模式装置。

其中，上述的预设期间可以是等待D+与D-信号电位被拉升至临界值的时间长度或USB主机发出一重置信号的时间，其皆符合USB标准内连接时间的规定，其中该重置信号发出的时间是在D+与D-信号电位被拉升至临界值之后。

本发明所述的USB外围设备和其模式侦测方法，可达成快速而且简单的USB速度模式判定。

附图说明

图1显示USB系统的方块图。

图2a显示USB标准在高/全速(High/Full)和全(Full)速速度模式下的波形图。

图2b显示USB标准在低速(Low)速度模式下的波形图。

图3显示本发明实施例中的USB系统方块图，使用高/全速的USB外围设备。

图4显示本发明实施例中USB速度模式决定方法，使用图3的USB系统。

图5a、图5b显示本发明实施例中Data+和Data-的波形图，使用图3的USB系统和图4的USB速度模式决定方法。

具体实施方式

在此必须说明的是，于下揭露内容中所提出的不同实施例或范例，是用以说明本发明所揭示的不同技术特征，其所描述的特定范例或排列是用以简化本发明，然非用以限定本发明。此外，在不同实施例或范例中可能重复使用相同的参考数字与符号，所述重复使用的参考数字与符号是用以说明本发明所揭示的内容，而非用以表示不同实施例或范例间的关系。

图3显示本发明实施例中使用于高/全速USB外围设备的USB系统方块图，该USB系统包括USB主机50、USB传输线52、USB外围设备54和USB应用程序56。USB主机50包括电源500和主机收发器502。USB外围设备54包括电源调节器540、装置收发器542、第一提升装置5420a、第二提升装置5420b、提升电阻R1和R2。USB传输线52包括传输电源用的电源(Vbus)信号线520和接地(GND)信号线526以及传输数据用的第一数据信号(Data+)522、第二数据信号(Data-)524，其中，Data+522和Data-524是一对差动信号对，Vbus 520则是连接电源500和电源调节器540，为USB外围设备54提供电源，GND 526耦接到USB主机50和USB外围设备54的接地端。

其中，USB外围设备54包含的电源调节器540，是用以将从线路Vbus 520传输的电压作一调升或调降以供应整个USB外围设备54所需的电力Vcc，例如可以是将5V电压转换至所需的3.3V。另外，提升电阻R1和R2可以是1.5k欧姆，其中一端共同连接到该调节后的电力Vcc，另一端则分别连接至第一提升装置5420a与第二提升装置5420b，经由装置收发器542的致能控制会分别令具有电力Vcc的提升电阻R1和R2耦接到Data+522和Data-524。另，在装置收发器542中包括互相耦接的实体层(Physical layer；以下简称PHY)装置5420和介质存取控制/基带(Medium Accesscontrol/Baseband；以下简称MAC/BB)装置5422，而PHY装置5420包括耦接到R1与Data+522的第一提升装置5420a以及耦接到R2与Data-524的第二提升装置5420b。MAC/BB装置5422控制第一提升装置5420a和第二提升装置5420b的状态，用以中断或连接R1和R2至Data+522和Data-524。其中，第一提升装置5420a和第二提升装置5420b可以用MOS晶体管的方式实现。

USB主机50中的主机收发器502可以包括计时器(未绘示)，用以计算USB外围设备54和USB主机50经由USB传输线52建立连接的时间，该计时器设定的时间包括等待Data+522和Data-524电位提升的T_connect时间长度，其符合USB标准内连接时间T_DCNN的规定，其中T_connect时间长度约为2.5ms。

表1显示本发明实施例和使用USB标准的已知技术中的信号设定比较表，信号设定能够用以决定USB外围设备的速度模式。已知技术使用同样的设定来决定高/全速和全速的USB外围设备的速度模式(Data+＝1，Data-＝0)，容易造成决定USB外围设备的速度模式时的误判。本发明通过上述实施例对高/全速和全速的速度模式分别使用不同的设定(全速＝“10”，高/全速＝“11”)，即在USB外围设备54的电源调节器540一接收到由USB主机50透过Vbus520传送的电力并调节后，传送给USB外围设备54的内部元件后，装置收发器542中的Mac/BB装置5422即会随即致能PHY装置5420的第一提升装置5420a和第二提升装置5420b，使得Data+522与Data-524立即拉高至高电位Vcc，令USB主机50的主机收发器502侦测到的Data+与Data-管脚皆为“11”，代表该USB外围设备54是为一高/全速装置，而上述的动作至少皆会在USB主机50发出一重置信号前完成，更甚者，本发明的侦测动作会在等待Data+522与Data-524电位提升至临界值的T_connect时间内即完成，因此使得USB外围设备的速度模式可以提早辨别，以及增加速度模式辨别的正确性。

表1

图4显示本发明实施例中USB速度模式决定方法，请一并参考图3的USB系统。

当USB外围设备54连接到USB主机50时，USB应用程序56控制主机收发器502开始侦测Data+522和Data-524上的电压电平(步骤S600)。在步骤S602中，主机收发器502监测Data+522上的电压电平是否已被拉升超过一预定临界值(可以是2.0V)，当主机收发器502侦测到Data+522上的电压电平超过预定临界值，则继续在步骤S606中，主机收发器502在一预设时间内，如由上述计时器开始计时的T_connect时间长度，或接收由USB主机50发出重置信号的时间，会判断此段预设时间内Data-524的电压电平是否也已被拉升超过预定临界值，如果是则USB应用程序56判定Data+522和Data-524上的信号是S608的状况，则代表该USB外围设备是高/全速(High/Full)装置，所以继续步骤S610，反之USB应用程序56判定Data-524上的电压电平在该预设时间内并未被拉升超过预设临界值，则是S614的状况，代表该USB外围设备仅为一全速(Full)装置，并且继续步骤S616。

在步骤S610中，因为Data+和Data-的电压电平皆超过预定临界值，所以USB应用程序56决定USB外围设备54的速度模式为高/全速，其中当USB主机50发出重置信号后会重置Data+和Data-的电压电平，以免影响后续步骤S612，也就是进入高/全速的速度模式开始进行数据传输。

另一方面在步骤S616中，因为Data+的电压电平超过预定临界值且Data-的电压电平停留在V_SS附近，所以USB应用程序56决定USB外围设备54的速度模式为全速，并且USB主机50和USB外围设备54同样在USB主机50发出重置信号后开始以全速的速度模式进行数据传输(步骤S618)。

回到步骤S620，既然Data+的电压电平并未超过预定临界值，主机收发器502接着决定是否Data-上的电压电平是否超过预定临界值，如果是，就继续步骤S624，不是则回到步骤S602，代表目前的外围设备是呈现断线状态，继续判定Data+的电压电平。

在步骤S624中，主机收发器502在一预设时间内，如由上述计时器开始计时的T_connect时间长度，或由USB主机50发出重置信号前，会判断此段预设时间内Data+522的电压电平是否亦超过预定临界值，如果是，则USB应用程序56判定Data+522和Data-524上的信号是S626的状况，所以继续步骤S610，代表此USB外围设备亦为一高/全速(High/Full)装置，同时USB主机50会发出重置信号以重置Data+和Data-的电压电平，以免影响后续步骤S612的高/全速速度模式数据传输。反之，USB应用程序56判定Data+522和Data-524上的信号是S628的状况，在步骤S630中，代表此USB外围设备为一低速(Low)装置，并且在USB主机50发出重置信号后，USB主机50和USB外围设备54开始以低速的速度模式进行数据传输(步骤S632)。

图5a、图5b显示本发明实施例中Data+和Data-的电压电平-时间波形图，使用图3的USB系统和图4的USB速度模式决定方法。

参考图5a，显示主机收发器502在步骤S608侦测到的波形，其中70a是Data+522上的电压电平，72a是Data-524上的电压电平。主机收发器502在时间700a侦测到70a开始上升，在时间702a到达预定临界值V_IH并且继续增加，在时间704a时72a开始增加并在时间706a到达预定临界值V_IH接着持续增加。因为72a在期间P702a内也超过预定临界值，所以主机收发器502判定目前连接的装置为一高/全速USB外围设备。其中P702a即上述的T_connect时间，而时间点708a则是主机收发器502发送重置信号的时间，在此后即会重置70a和72a，在重置完成后，主机收发器502和装置收发器542可以进行接下来的高/全速数据传输程序。

参考图5b，显示主机收发器502在步骤S626侦测到的波形，其中70b是Data+522上的电压电平，72b是Data-524上的电压电平。主机收发器502在时间700b侦测到72b开始上升，在时间702b到达预定临界值V_IH并且继续增加，在时间704b时70b开始增加并在时间706b到达预定临界值V_IH接着持续增加。因为70b在期间P702b内也超过预定临界值，所以主机收发器502判定目前连接的装置也是高/全速USB外围设备。其中P702b即上述的T_connect时间，而时间点708b则是主机收发器502发送重置信号的时间点，在此之后，即会重置70b和72b，而使得主机收发器502和装置收发器542可以进行接下来的高/全速数据传输程序。除了上述两种状况皆为高/全速装置外，当侦测到Data+的电压电平有到达预定临界值V_IH，但Data-徘徊在V_SS附近时，则如图2a般所测到的波形，此时即已可确定该波型所代表的是全速装置，无需再依重置信号后的交握状况进一步判断是否有可能是高/全速装置。而当侦测到Data-的电压电平有到达预定临界值V_IH，但Data+徘徊在V_SS附近时，则如图2b般所测到的波形，此时即与已知侦测结果一样为低速装置。

虽然本发明已通过较佳实施例说明如上，但该较佳实施例并非用以限定本发明。本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，应有能力对该较佳实施例做出各种更改和补充，因此本发明的保护范围以权利要求书的范围为准。

附图中符号的简单说明如下：

10：USB主机

100：电源

102：主机收发器

14：USB外围设备

140：电源调节器

142：装置收发器

12：USB传输线

120：电源信号线

122：Data+信号线

124：Data-信号线

126：GND信号线

50：USB主机

500：电源

502：主机收发器

52：USB传输线

520：电源信号线

522：Data+信号线

524：Data-信号线

526：GND信号线

56：USB应用程序

54：USB外围设备

540：电源调节器

542：装置收发器

5420：实体层(PHY)装置

5422：介质存取控制/基带(MAC/BB)装置

5420a：第一提升装置

5420b：第二提升装置

R1：提升电阻

R2：提升电阻

Claims (12)

1.一种USB外围设备的模式侦测方法，该USB外围设备是透过一USB传输线与一USB主机连接，且该USB传输线包括传输电源用的电源信号线与接地信号线以及传输数据用的一第一数据信号与第二数据信号，其特征在于，包括：

该USB外围设备利用一第一提升装置拉升该第一数据信号的电压电平；

该USB外围设备利用一第二提升装置拉升该第二数据信号的电压电平；以及

在该USB主机侦测到该第一数据信号和第二数据信号其中之一的电压电平超过一临界值的情况下，又在上述被侦测到的数据信号超过该临界值之后的一预设期间内侦测到另一数据信号的电压电平也超过该临界值的情况下，该USB主机会判定该USB外围设备为一高/全速速度模式的装置；在该USB主机侦测到该第一数据信号的电压电平超过该临界值但该第二数据信号的电压电平小于该临界值的情况下，该USB主机会判定该USB外围设备为一全速速度模式的装置。

2.根据权利要求1所述的USB外围设备的模式侦测方法，其特征在于，该预设期间为等待该第一数据信号与该第二数据信号电压电平被拉升至该临界值的时间长度，或该USB主机发出一重置信号前的时间，且符合USB标准内连接时间的规定，其中该重置信号发出的时间是在该第一数据信号与该第二数据信号电压电平被拉升至该临界值之后。

3.根据权利要求2所述的USB外围设备的模式侦测方法，其特征在于，当该USB主机发出该重置信号后，重置该第一数据信号和该第二数据信号的电压电平。

4.根据权利要求3所述的USB外围设备的模式侦测方法，其特征在于，在重置该第一数据信号和该第二数据信号的电压电平后才进入高/全速的速度模式开始进行数据传输。

5.根据权利要求1或2所述的USB外围设备的模式侦测方法，其特征在于，在该USB主机侦测到该第一数据信号的电压电平小于该临界值但该第二数据信号的电压电平超过该临界值的情况下，该USB主机会判定该USB外围设备为一低速速度模式的装置。

6.一种USB外围设备，其特征在于，所述USB外围设备包括：

一第一提升装置，用以拉升一第一数据信号的电压电平；

一第二提升装置，用以拉升一第二数据信号的电压电平；以及

一装置收发器，致能该第一提升装置和该第二提升装置其中之一，使得相对应的数据信号的电压电平超过一临界值，在上述被致能的数据信号的电压电平超过该临界值之后的一预设期间内致能另一提升装置，以使得另一数据信号的电压电平亦超过该临界值，借此表示该USB外围设备为一高/全速度模式装置；

其中，若该第一数据信号的电压电平超过该临界值但该第二数据信号的电压电平小于该临界值，则表示该USB外围设备为一全速速度模式装置。

7.根据权利要求6所述的USB外围设备，其特征在于，该USB外围设备是连接于一USB传输线，该USB传输线与一USB主机连接，其中该USB传输线包括传输电源用的电源信号线与接地信号线以及传输数据用的该第一数据信号与该第二数据信号。

8.根据权利要求7所述的USB外围设备，其特征在于，更包括一电源调节器，是透过该电源信号线接收由该USB主机所传送的电源，并对所接收的电源作一调升或调降以供应整个USB外围设备所需的电力。

9.根据权利要求8所述的USB外围设备，其特征在于，更包括一第一提升电阻与一第二提升电阻，其中一端共同连接到调节后的该电力，另一端则分别连接至该第一提升装置与该第二提升装置，经由该装置收发器的致能控制会分别耦接到该第一数据信号与该第二数据信号。

10.根据权利要求9所述的USB外围设备，其特征在于，该装置收发器中包括互相耦接的一实体层装置和一介质存取控制/基带装置，其中该第一提升装置与该第二提升装置是内含于该实体层装置中，而该介质存取控制/基带装置控制该第一提升装置和第二提升装置的状态，用以分别中断或连接该第一提升电阻与一第二提升电阻至该第一数据信号与该第二数据信号。

11.根据权利要求7所述的USB外围设备，其特征在于，该预设期间为等待该第一数据信号与该第二数据信号的电压电平被拉升至该临界值的时间长度，或该USB主机发出一重置信号前的时间，且符合USB标准内连接时间的规定，其中该重置信号发出的时间是在该第一数据信号与该第二数据信号的电压电平被拉升至该临界值之后。

12.根据权利要求11所述的USB外围设备，其特征在于，当该USB主机发出该重置信号后，会重置该第一数据信号和该第二数据信号的电压电平。

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