嵌入式系統(tǒng)中USB 收發(fā)器的應(yīng)用方案

　　隨著串行端口從臺(tái)式機(jī)和筆記本電腦中消失，通用串行總線 （USB） 現(xiàn)在是各種需要連接到 PC 的外圍設(shè)備的通用接口，無論是作為開發(fā)平臺(tái)還是商業(yè)產(chǎn)品。在這個(gè)由兩部分組成的系列的第一部分中，我們快速回顧了 USB 接口標(biāo)準(zhǔn)及其在嵌入式系統(tǒng)中不斷發(fā)展的作用。在這篇結(jié)論性文章中，我們將仔細(xì)研究在集成和獨(dú)立 USB 解決方案之間進(jìn)行選擇，并研究 MCU 制造商在其 USB 連接中添加的一些創(chuàng)新功能，以幫助您的產(chǎn)品在具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用中競爭。我們將總結(jié)一些設(shè)計(jì)技術(shù)，您可以使用這些技術(shù)使 USB 連接更符合嵌入式設(shè)計(jì)的要求。

　　決定何時(shí)整合

　　正如我們在第一部分中簡要討論的那樣，有幾個(gè)因素會(huì)影響最好是使用具有片上 USB 功能的 MCU 實(shí)現(xiàn) USB 連接還是使用單獨(dú)的 USB 控制器。在許多需要簡單 USB 連接的情況下，Atmel 的ATmega8U、Microchip Technology 的8 位PIC18F13K50或Silicon Labs 的 C8051F系列（圖 1）等集成解決方案幾乎是不費(fèi)吹灰之力。

　　圖 1：具有集成 USB 收發(fā)器的簡單 8 位 MCU，例如 Silicon Labs 的 C8051 系列，是實(shí)現(xiàn)許多嵌入式設(shè)計(jì)的便捷且經(jīng)濟(jì)高效的方式。（由 Silicon Labs 提供。）

　　在需要支持特定 USB 協(xié)議類（例如 UART-to-USB 或 USB-to-SPI）的應(yīng)用中，選擇變得更加細(xì)致入微。例如，如果項(xiàng)目涉及使用 RS-232 接口更新現(xiàn)有產(chǎn)品以支持 USB，則使用單獨(dú)的 USB-UART 橋接器，例如 Microchips 的MCP2200 Silicon Labs 的CP2104或Texas Instruments 的 TUSB3410提供更短的開發(fā)周期和更少的制造供應(yīng)鏈中斷。如果原始設(shè)計(jì)基于速度較慢、功能較弱的 MCU，獨(dú)立控制器也可能特別有用，MCU 可能沒有額外的處理能力（或存儲(chǔ)空間）來支持協(xié)議/格式轉(zhuǎn)換所涉及的附加任務(wù)。

　　應(yīng)用優(yōu)化的 USB 芯片有助于微調(diào)您的設(shè)計(jì)

　　曾幾何時(shí)，設(shè)計(jì)具有一個(gè)或多個(gè) USB 端口的嵌入式系統(tǒng)非常簡單，因?yàn)榇蠖鄶?shù)設(shè)備（及其各自的驅(qū)動(dòng)程序軟件）都非常相似，因此設(shè)計(jì)人員除了遵循參考設(shè)計(jì)外幾乎無能為力。不再。許多現(xiàn)代 MCU 上的 USB 連接背后的芯片已經(jīng)發(fā)展并適應(yīng)了復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)環(huán)境的需求。MCU 制造商現(xiàn)在提供各種支持 USB 的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品具有各種級(jí)別的硬件加速，以滿足各種應(yīng)用的價(jià)格和性能目標(biāo)。

　　也許最大的創(chuàng)新領(lǐng)域是 MCU 如何執(zhí)行與 USB 協(xié)議相關(guān)的請求、確認(rèn)、錯(cuò)誤檢查和其他功能。在不經(jīng)常使用 MCU 的 USB 接口或傳輸小塊數(shù)據(jù)的應(yīng)用中，使用軟件執(zhí)行協(xié)議的例行信令和握手、數(shù)據(jù)包檢查和錯(cuò)誤檢測任務(wù)可能沒問題。但是，如果您的應(yīng)用程序需要頻繁和/或大量 USB 事務(wù)，它們可能會(huì)對(duì) MCU 有限的處理資源造成過重的負(fù)擔(dān)。

　　直到最近，唯一的解決方案是使用獨(dú)立的 USB 外圍控制器，例如 Cypress Semiconductor 的CY7C63801或 Microchip 的USB3300-EZK. 現(xiàn)在，一些制造商提供具有集成 USB 控制器內(nèi)核和其他功能的 MCU，可以處理幾乎所有與 USB 相關(guān)的任務(wù)。

　　例如，愛特梅爾的AVR XMEGA系列 8/16 位 MCU 具有全速 USB 控制器內(nèi)核，除了卸載常規(guī)協(xié)議功能外，還使用乒乓緩沖器來減少或消除重新發(fā)送丟包 （NACK） 的需要，從而提高效率轉(zhuǎn)移。這種組合允許接口以或接近 USB 全速率規(guī)范支持的最大 11 Mbps 運(yùn)行（有效數(shù)據(jù)速率高達(dá) 8.72 Mbits/s），同時(shí)僅消耗 CPU 處理能力的 7%。許多 Atmel MCU 還支持專有的多數(shù)據(jù)包傳輸模式，該模式使用硬件邏輯通過將大多數(shù)大容量存儲(chǔ)設(shè)備使用的 512 字節(jié)數(shù)據(jù)塊分解為塊傳輸協(xié)議支持的 64 字節(jié)數(shù)據(jù)包來提高 USB 塊傳輸?shù)男省?/p>

　　在硅食物鏈的更上游，Energy Micro在其基于EFM32 32 位 Cortex-M3 的 Gecko MCU 系列的許多變體上的 USB 端口中構(gòu)建了多項(xiàng)性能增強(qiáng)功能。大多數(shù)外圍功能的活動(dòng)，包括串行通信和 USB 端口，由單獨(dú)的低功耗反射總線協(xié)調(diào)（圖 2）。除了防止數(shù)據(jù)傳輸占用任何主系統(tǒng)總線的帶寬外，來自一個(gè)外設(shè)的事件和信號(hào)還可用作輸入信號(hào)或其他外設(shè)的觸發(fā)器，從而確保時(shí)序關(guān)鍵操作并減少軟件開銷。此外，內(nèi)置的 3.3 V 穩(wěn)壓器還允許用戶使用 USB 鏈路提供的電源運(yùn)行 MCU。

　　圖 2：Energy Micro 的 EFM32 MCU 架構(gòu)包括外設(shè)反射系統(tǒng)，這是一種獨(dú)立的外設(shè)總線，允許智能外設(shè)（包括 USB 端口）在幾乎沒有 CPU 干預(yù)或影響主處理器總線的情況下執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸。（由能源微公司提供。）

　　MCU 制造商還提供了 USB 技術(shù)的改進(jìn)，這對(duì)嵌入式和更傳統(tǒng)的應(yīng)用都有好處。例如，現(xiàn)在有幾個(gè) MCU 提供片上計(jì)時(shí)電路，從而消除了與傳統(tǒng)上用于 USB 接口計(jì)時(shí)時(shí)鐘的參考晶體（及其相關(guān)無源元件）相關(guān)的成本和 PCB 空間。直到最近，為了保持 USB 收發(fā)器每 1 毫秒 （±0.0005 毫秒） 執(zhí)行的幀起始信號(hào)交換所需的 0.05% 精度，還需要一個(gè)基于晶體的定時(shí)源。Silicon Labs 推出了C8051F38x、C8051T62x和C8051T32x其 C8051 系列 8 位 MCU 包括一個(gè)片上時(shí)鐘調(diào)諧電路，該電路從傳入的 USB 數(shù)據(jù)包中恢復(fù)其時(shí)序信息。該功能還于 2012 年初在其“Precision 32” SiM3U1xx系列中引入，這是業(yè)界首創(chuàng)的 32 位處理器。

　　Atmel 的 XMEGA 系列 8/16 位 MCU 還提供無晶體操作，Microchip 將在其PIC16系列中引入許多新的微控制器（例如最近宣布的“未來產(chǎn)品”8 位 PIC16F1459）內(nèi)部振蕩器或自時(shí)鐘調(diào)諧電路，可從傳入的 USB 數(shù)據(jù)包中恢復(fù)其時(shí)序信息。

　　權(quán)力很重要

　　在嵌入式系統(tǒng)中，USB 收發(fā)器的功耗可能占總功耗預(yù)算的很大一部分，因此了解控制它的因素非常重要。盡管圖 3 中的公式最初是為 Microchip 的 USB PIC 微控制器的數(shù)據(jù)表使用而開發(fā)的，但它們?yōu)橛?jì)算 MCU 的嵌入式 USB 收發(fā)器使用的電流提供了有用的方法。從整個(gè)方程中 PZERO（邏輯“0”的百分比）和 PIN（輸入流量的百分比）項(xiàng)之間的關(guān)系，很快就可以看出，功耗取決于應(yīng)用，因?yàn)樗鼤?huì)根據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

　　圖 3：USB 收發(fā)器消耗的功率可以使用一個(gè)相對(duì)簡單的公式來計(jì)算，該公式描述了收發(fā)器的特性、它正在發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)以及它所連接的電纜的長度。（由 Microchip Technologies 提供。）

　　在這些示例中要注意的另一個(gè)有趣的事情是，IN 流量的百分比為零會(huì)影響從總線汲取的電流量。許多設(shè)計(jì)人員使用邏輯“0”作為數(shù)據(jù)變量的默認(rèn)值，但需要注意的是，與使用“1”相比，這實(shí)際上可能會(huì)略微增加系統(tǒng)電流。另請注意，這只是對(duì) IN 流量的考慮，即從 USB 外設(shè)到 USB 主機(jī)的流量。

　　許多類別的 USB 外設(shè)現(xiàn)在使用 USB 作為實(shí)際電源，用于需要 100 mA 或更少電流的應(yīng)用。對(duì)于需要小于 500 mA 的應(yīng)用，決定變得有點(diǎn)困難，因?yàn)樽?a target="_blank">供電集線器不太常見，而且許多設(shè)計(jì)人員仍然選擇使用單獨(dú)的總線電源。

　　對(duì)于需要超過 500 mA 的應(yīng)用，USB 規(guī)范包括一項(xiàng)電池充電規(guī)定，允許從系統(tǒng)中汲取高達(dá) 1.5A 的電流。不幸的是，由于支持電池充電規(guī)范的主機(jī)系統(tǒng)相對(duì)較少，外圍設(shè)備制造商不愿生產(chǎn)可以利用它的設(shè)備。您將在某些基于 USB 的手機(jī)或平板電腦充電器中看到此電池充電規(guī)范。電池充電規(guī)范包括一種廉價(jià)（盡管效率低下）的方式來實(shí)現(xiàn)充電器電路，只需通過電阻器（《 200 Ω）短接 USB 連接的 D+ 和 D- 引線，您將在最便宜的基于 USB 的手機(jī)中遇到這種技術(shù)/平板電腦充電器。

　　從信號(hào)的角度來看，為主機(jī)實(shí)現(xiàn)電池充電規(guī)范 v1.2 相當(dāng)簡單。所需要的只是一個(gè)介于 0.5 和 0.7V 之間的電壓源，該電壓源可以在該范圍內(nèi)提供 250μA 電流，但不會(huì)將 1.5k 上拉電阻拉至低于 2.2V 的 3.0V（圖 4）。此電壓源應(yīng)連接到 D- 并在設(shè)備分離時(shí)啟用，并在設(shè)備連接時(shí)禁用。圖 4 是一個(gè)簡單的原理圖，它將通過一個(gè)運(yùn)算放大器、一個(gè)二極管、兩個(gè)電阻器和一個(gè)控制線來實(shí)現(xiàn)。

　　圖 4：允許 USB 主機(jī)使用其可選的高功率電池充電模式的簡單電路。（由 Microchip Technologies 提供。）

　　在外設(shè)上實(shí)現(xiàn) BCv1.2 規(guī)范要復(fù)雜一些。它需要兩個(gè)這樣的電壓源電路、兩個(gè)恒定電流吸收器，以及在 USB 外設(shè)上的更多代碼實(shí)現(xiàn)，但它仍然在普通嵌入式設(shè)計(jì)人員的掌握范圍內(nèi)。

　　然而，制造商不愿投資于支持其主機(jī)系統(tǒng)中的大功率充電選項(xiàng)所需的額外單位成本，這導(dǎo)致了行業(yè)內(nèi)的“雞與蛋僵局”。幸運(yùn)的是，如果 PC 制造商和其他 USB 主機(jī)設(shè)備制造商決定提供能夠支持平板電腦和其他與資源緊密集成的移動(dòng)外圍設(shè)備更高功率要求的桌面產(chǎn)品，這種情況可能會(huì)在未來幾年內(nèi)改變他們的主機(jī)系統(tǒng)。

　　USB 功能通過支持與各種 USB 設(shè)備的通信以及添加可在單根電纜中提供高達(dá) 500 mA 電流的電源選項(xiàng)，為系統(tǒng)增加了便利性和靈活性。正如我們所指出的，通過添加集成 MCU 或獨(dú)立 USB 解決方案，可以將 USB 通信設(shè)計(jì)到嵌入式系統(tǒng)中。將 USB 集成到嵌入式設(shè)計(jì)中的主要考慮因素包括 USB 事務(wù)的大小和頻率、USB 收發(fā)器的功耗以及是否涉及 USB 電池充電規(guī)范 （v1.2）。我們提供并討論了集成 USB MCU 和獨(dú)立控制器的示例。