隨著串口從臺(tái)式機(jī)和筆記本電腦中消失，通用串行總線(xiàn)(USB)現(xiàn)在成為需要連接到PC的各種外圍設(shè)備的通用接口，無(wú)論是作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)還是商用產(chǎn)品。在這個(gè)由兩部分組成的系列文章的第一部分中，我們快速介紹了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)論文章中，我們將仔細(xì)研究集成和獨(dú)立USB解決方案之間的選擇，以及檢查MCU制造商為其USB連接添加的一些創(chuàng)新性曲線(xiàn)，以幫助您的產(chǎn)品在具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用中展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)。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)集成

正如我們?cè)诘谝徊糠种泻?jiǎn)要討論的那樣，有幾個(gè)因素會(huì)影響是否最好與具有片上USB功能的MCU實(shí)現(xiàn)USB連接或使用單獨(dú)的USB控制器。在許多需要簡(jiǎn)單USB連接的情況下，Atmel的ATmega8U，Microchip Technology的8位PIC18F13K50或Silicon Labs的C8051F系列等集成解決方案幾乎是不費(fèi)腦筋的。

在需要支持特定USB協(xié)議類(lèi)的應(yīng)用中，例如UART到USB或USB到SPI，選擇變得更加細(xì)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Microchip的MCP2200 Silicon Labs的CP2104或德州儀器的TUSB3410，可縮短開(kāi)發(fā)周期并減少中斷到制造業(yè)供應(yīng)鏈。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，它可能沒(méi)有額外的處理能力(或存儲(chǔ)空間)來(lái)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)帶有一個(gè)或多個(gè)USB端口的嵌入式系統(tǒng)非常簡(jiǎn)單，因?yàn)榇蠖鄶?shù)設(shè)備(及其各自的驅(qū)動(dòng)軟件)非常相似，所以除了遵循參考設(shè)計(jì)之外，設(shè)計(jì)師幾乎無(wú)能為力。不再。位于許多現(xiàn)代MCU上的USB連接后面的芯片已經(jīng)發(fā)展并進(jìn)行了調(diào)整，以滿(mǎn)足粗糙的嵌入式系統(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，可滿(mǎn)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)行請(qǐng)求，確認(rèn)，錯(cuò)誤檢查以及與USB協(xié)議相關(guān)的其他功能。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(cè)任務(wù)可能很好。但是，如果您的應(yīng)用需要頻繁和/或大型USB事務(wù)處理，則可能會(huì)對(duì)MCU的有限處理資源造成太大負(fù)擔(dān)。

直到最近，唯一的解決方案是使用獨(dú)立的USB外設(shè)控制器，如賽普拉斯半導(dǎo)體的CY7C63801或Microchip的USB3300-EZK?，F(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，Atmel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Ping-Pong緩沖器來(lái)減少或消除重置發(fā)送丟棄的數(shù)據(jù)包(NACK)以實(shí)現(xiàn)更高效的傳輸。這種組合允許接口以USB全速率規(guī)范支持的最大11 Mbps(或有效數(shù)據(jù)速率高達(dá)8.72 Mbits/s)運(yùn)行或接近，同時(shí)僅消耗CPU處理能力的7%。許多Atmel MCU還支持專(zhuān)有的多數(shù)據(jù)包傳輸模式，該模式使用硬件邏輯通過(guò)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)塊拆分為塊傳輸協(xié)議支持的64字節(jié)數(shù)據(jù)包來(lái)提高USB塊傳輸?shù)男?。相同的機(jī)制還可以將傳入的多數(shù)據(jù)包傳輸重新組合成更大的數(shù)據(jù)塊，而無(wú)需任何CPU干預(yù)。

進(jìn)一步推動(dòng)硅食品鏈，Energy Micro在其基于EFM32 32位Cortex-M3的Gecko MCU系列的許多變體上提供了多種性能增強(qiáng)功能。大多數(shù)外圍功能(包括串行通信和USB端口)的活動(dòng)由單獨(dú)的低功耗反射總線(xiàn)協(xié)調(diào)(圖2)。除了防止數(shù)據(jù)傳輸消耗任何主系統(tǒng)總線(xiàn)的帶寬之外，來(lái)自一個(gè)外設(shè)的事件和信號(hào)可以用作其他外設(shè)的輸入信號(hào)或觸發(fā)，并以這種方式確保時(shí)序關(guān)鍵操作和降低的軟件開(kāi)銷(xiāo)。此外，內(nèi)置3.3 V穩(wěn)壓器還允許用戶(hù)通過(guò)USB鏈路提供的電源運(yùn)行MCU。

圖2：Energy Micro的EFM32 MCU架構(gòu)包括外圍反射系統(tǒng)，這是一個(gè)獨(dú)立的外圍總線(xiàn)，允許智能外設(shè)(包括USB端口)執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸，幾乎不會(huì)干擾CPU或影響主處理器總線(xiàn)。 (由Energy Micro提供。)MCU制造商也在提供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，幾個(gè)MCU現(xiàn)在提供片上定時(shí)電路，消除了與USB接口的定時(shí)時(shí)鐘中傳統(tǒng)使用的參考晶體(及其相關(guān)的無(wú)源元件)相關(guān)的成本和PCB面積。直到最近，基于晶體的定時(shí)源才能保持USB收發(fā)器每1 ms(±0.0005 ms)執(zhí)行的幀起始信號(hào)交換所需的0.05%精度。 Silicon Labs向其C8051系列8位MCU推出了C8051F38x，C8051T62x和C8051T32x，其中包括一個(gè)片上時(shí)鐘調(diào)諧電路，可從輸入的USB數(shù)據(jù)包中恢復(fù)其時(shí)序信息。 2012年初，他們的“Precision 32”SiM3U1xx系列也推出了這一功能，這是32位處理器的業(yè)界首創(chuàng)。

Atmel的XMEGA系列8/16位MCU還提供無(wú)晶體操作，Microchip將為其PIC16系列推出一系列新型微控制器(例如最近發(fā)布的“未來(lái)產(chǎn)品”8位PIC16F1459)精密內(nèi)部振蕩器或自動(dòng)時(shí)鐘調(diào)諧電路，可從輸入的USB數(shù)據(jù)包中恢復(fù)其定時(shí)信息。

Power

在嵌入式系統(tǒng)中，USB收發(fā)器的功耗可占整體功率預(yù)算的很大一部分，因此了解控制它的因素非常重要。雖然圖3中的公式最初是為Microchip的USB PIC單片機(jī)的數(shù)據(jù)表開(kāi)發(fā)的，但它們提供了一種有用的方法來(lái)計(jì)算MCU嵌入式USB收發(fā)器使用的電流。從總體方程中的術(shù)語(yǔ)PZERO(邏輯“0”的百分比)和PIN(輸入流量的百分比)的關(guān)系來(lái)看，很快就會(huì)發(fā)現(xiàn)功耗取決于應(yīng)用，因?yàn)樗鶕?jù)數(shù)量和值而變化。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

圖3：USB收發(fā)器消耗的功率可以使用相對(duì)簡(jiǎn)單的公式計(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(zhǎng)度。 (由Microchip Technologies提供。)

在這些示例中需要注意的另一個(gè)有趣的事情是，IN流量為零的百分比會(huì)影響從總線(xiàn)吸取的電流量。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，但重要的是要注意，與使用“1s”相比，這實(shí)際上可以略微增加系統(tǒng)電流。另請(qǐng)注意，這只是IN流量的考慮因素，即從USB外設(shè)到USB主機(jī)的流量。

現(xiàn)在，許多類(lèi)別的USB外設(shè)都使用USB作為需要100 mA或更低電流的應(yīng)用的事實(shí)上的電源。對(duì)于需要低于500 mA的應(yīng)用，決策變得更加困難，因?yàn)樽怨╇娂€(xiàn)器不太常見(jiàn)，許多設(shè)計(jì)人員仍然選擇使用單獨(dú)的總線(xiàn)電源。

對(duì)于要求超過(guò)500 mA的應(yīng)用，USB規(guī)范包括電池充電規(guī)定，允許從系統(tǒng)中提取高達(dá)1.5A的電流。遺憾的是，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)備制造商不愿意生產(chǎn)可以利用它的設(shè)備。您將看到這種電池充電規(guī)格適用于某些基于USB的手機(jī)或平板電腦充電器。電池充電規(guī)范包括一種廉價(jià)(雖然效率低)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)充電器電路，只需通過(guò)一個(gè)電阻(《200Ω)短接USB連接的D +和D-引線(xiàn)，這種技術(shù)在大多數(shù)廉價(jià)的基于USB的手機(jī)中都會(huì)遇到/平板電腦充電器。從信令的角度來(lái)看，為主機(jī)實(shí)現(xiàn)電池充電規(guī)范v1.2非常簡(jiǎn)單。所需要的只是0.5和0.7V之間的電壓源，可以在該范圍內(nèi)提供250μA電流，但不會(huì)將1.5k上拉電壓拉至2.2 V以下的3.0 V(圖4)。此電壓源應(yīng)連接到D-并在分離設(shè)備時(shí)啟用，并在設(shè)備連接時(shí)禁用。圖4是一個(gè)簡(jiǎn)單的原理圖，通過(guò)運(yùn)算放大器，二極管，兩個(gè)電阻和一條控制線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

圖4：一個(gè)簡(jiǎn)單的電路，允許USB主機(jī)使用其可選的高功率電池充電模式。 (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)恒流吸收器，以及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)人員的掌握之中。然而，不愿制造商投資支持其主機(jī)系統(tǒng)中的高功率充電選項(xiàng)所需的額外單位成本，導(dǎo)致業(yè)內(nèi)一些“雞與蛋的僵局”。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與資源緊密集成的其他移動(dòng)外圍設(shè)備的更高功率要求的基于臺(tái)式機(jī)的產(chǎn)品，這可能在未來(lái)幾年內(nèi)發(fā)生變化他們的主機(jī)系統(tǒng)。

USB功能通過(guò)與各種USB設(shè)備進(jìn)行通信，以及在單根電纜中添加可提供高達(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(guò)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融入嵌入式設(shè)計(jì)的主要考慮因素包括USB交易的大小和頻率，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。