詳解USB連接在物聯(lián)網(wǎng)供電設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

在過去十年中，通用串行總線(USB)標(biāo)準(zhǔn)由于具備易用、隨插即用的功能性和可用性，因此被眾多工業(yè)和消費(fèi)性電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)人員作為連接其他應(yīng)用的首選接口。USB已實(shí)現(xiàn)其主要目標(biāo)，即提供消費(fèi)者簡化控制周邊設(shè)備和傳輸數(shù)據(jù)的方法。隨著超過三十億個(gè)具備USB接口的電子設(shè)備進(jìn)入市場，USB不僅是消費(fèi)性應(yīng)用中成長最快的接口，在工業(yè)市場也取得了顯著的成長。

然而對于嵌入式解決方案設(shè)計(jì)人員而言，USB易用、隨插即用的功能性和可用性并非完全不需要付出代價(jià)，特別是如果他們正在為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)功耗敏感、電池供電的連接設(shè)備產(chǎn)品時(shí)。對小型、便攜式設(shè)備來說，增加USB作為通信接口至少要增加一倍的應(yīng)用電流消耗，并且需要比原先預(yù)期更大的電池。

從傳統(tǒng)的串行接口通信升級到廣受歡迎的USB接口，通常會由于功耗預(yù)算的限制而變得難以實(shí)行。一般情況下，設(shè)計(jì)人員不得不在增加雙倍電池容量和增加設(shè)備成本(這使其不再那么具吸引力)、或舍棄急需的差異化功能之間做出選擇。下面讓我們來看看USB標(biāo)準(zhǔn)如何從為所有PC連接提供標(biāo)準(zhǔn)化的夢想，演變?yōu)樯踔量墒笽oT小型電池供電設(shè)備與任何其他設(shè)備通信的最先進(jìn)技術(shù)。

USB簡史

如果你曾經(jīng)研究過1990年代末期生產(chǎn)的桌上型計(jì)算機(jī)的背面，你或許一眼就能認(rèn)出為連接不同硬件到計(jì)算機(jī)而出現(xiàn)的許多標(biāo)準(zhǔn)。這些連接標(biāo)準(zhǔn)包含5引腳的DIN、PS/2、串行端口、并行端口、也許也有一兩個(gè)SCSI(“scuzzy”)通信端口，如果你是一個(gè)游戲玩家，你還會在音效卡上有一個(gè)游戲連接端口。

USB早期開發(fā)人員意識到了這種紛亂的連接狀況，并在1995年開始創(chuàng)造一種機(jī)器對機(jī)器(M2M)的通用標(biāo)準(zhǔn)，以取代所有其他接口標(biāo)準(zhǔn)。在1990年代末期，當(dāng)USB第一次被采用時(shí)，它只是作為“另一種連接器”加入到PC。然而在2000年起USB開始迅速發(fā)展，并在經(jīng)過一系列的更新后，它成為目前最被廣泛采用的M2M接口之一。只要看看你的筆記型計(jì)算機(jī)和手機(jī)就能明白USB標(biāo)準(zhǔn)的成功。你的智能手機(jī)可能只有一個(gè)連接接口：USB。如果你在2010年以后購買了筆記型計(jì)算機(jī)，便會發(fā)現(xiàn)除了顯示器和網(wǎng)絡(luò)連接器之外，它可能只具有USB接口。此外，用于現(xiàn)今筆記本電腦和平板電腦的觸控板、鍵盤和其他周邊設(shè)備都透過USB與主處理器通信。

USB標(biāo)準(zhǔn)的拓?fù)溥B接分為設(shè)備(device)和主機(jī)(host)。主機(jī)是發(fā)起通信并提供電源的機(jī)器;在桌面上，通常就是你的筆記本電腦或臺式PC。設(shè)備是連接到主機(jī)的下游設(shè)備，簡單的回應(yīng)主機(jī)的任何請求;在桌面上，鼠標(biāo)和鍵盤就是常見的USB設(shè)備。

關(guān)于USB連接器的獨(dú)特之處是它也可以為連接的設(shè)備供電，因此不需要為你的鼠標(biāo)或外接硬盤驅(qū)動器增加額外的電源。USB標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定主機(jī)至少輸出100mA的電流給設(shè)備，并且如果設(shè)備支援的話，它有可能獲得500mA電流。這些供電能力來自最初的USB標(biāo)準(zhǔn)，PC幾乎總是作為主機(jī)，并且它們一直都是透過墻壁插座獲得電源。這個(gè)USB標(biāo)準(zhǔn)需求限制了USB在低功耗應(yīng)用上的發(fā)展，盡管對PC應(yīng)用來說，主電源供應(yīng)并不成問題。

但是當(dāng)這種成熟的M2M接口要滿足今日電池供電的IoT世界時(shí)，會發(fā)生什么?當(dāng)主機(jī)也是一個(gè)便攜式設(shè)備時(shí)，又有什么影響呢?

對于現(xiàn)今USB硬件的影響

在現(xiàn)今的便攜式設(shè)備應(yīng)用中，最常見的術(shù)語是“功率預(yù)算”。功率預(yù)算決定設(shè)備能夠消耗多少能量，并且它是基于電池容量和所需要的電池使用壽命計(jì)算出的。例如，在一個(gè)有250mA電池容量和需要支援兩天(48小時(shí))電池使用壽命的應(yīng)用中，功率預(yù)算大約為5mA。這個(gè)功率預(yù)算必須分布在開發(fā)人員所希望設(shè)備做的每一項(xiàng)功能上，包含從傳感器擷取和處理到通信和驅(qū)動顯示。

在過去的二、三十年間，微控制器(MCU)變得越來越小，并且電池容量也有所提升，因此我們看到便攜式設(shè)備的爆發(fā)性成長，這些便攜式設(shè)備包含從手持風(fēng)速表和示波器以至于數(shù)位呼氣酒測器和遙控器。然而隨著擁有四核心GHz級處理器的智能手機(jī)的出現(xiàn)，現(xiàn)在可看到更多便攜式設(shè)備以智能手機(jī)配件之形式出現(xiàn)，制造商不再擔(dān)心處理能力或使用者接口方面的問題。這種市場趨勢正推動低價(jià)配件的快速成長，例如獲得Kickstarter眾籌支援、可用于智能手機(jī)的Vaavud風(fēng)速表，以及可插進(jìn)iPhone中的呼氣酒測器，這兩個(gè)應(yīng)用都使用HiJack接口，這種特殊接口可以工作于低階設(shè)備，但并不是最佳接口。

為了設(shè)計(jì)一個(gè)真正通用并好用的便攜式設(shè)備，你應(yīng)當(dāng)選擇最合適的M2M接口，例如USB。選擇USB也能夠使你的設(shè)計(jì)產(chǎn)品做到無主機(jī)限制(host-agnostic)，這表示如果你想讓產(chǎn)品既能支援Mac、Windows手機(jī)又能支援Android平板，這都將不再是問題。然而當(dāng)你想透過USB連接這些小配件到電池供電的日常用品時(shí)，你在原本USB標(biāo)準(zhǔn)中從不關(guān)心的“功耗”突然成為了選擇USB解決方案的優(yōu)先考慮問題。你不想僅僅為了與周邊設(shè)備通信而浪費(fèi)平板計(jì)算機(jī)或筆記型計(jì)算機(jī)的寶貴電池壽命，并且你也不想設(shè)計(jì)出一個(gè)會快速耗盡智能手機(jī)電池電量的配件應(yīng)用產(chǎn)品。

通過正確選擇具備USB功能的硬件，將能夠開發(fā)出耗電極少的設(shè)備，同時(shí)通用M2M接口也得以消除幾乎所有的外部元件。

用于電池供電領(lǐng)域中的USB技術(shù)

為了解USB技術(shù)如何改善功耗又保持易用和隨插即用的功能性，我們首先需要快速瀏覽一下USB的通信過程。一般情況下，僅有主機(jī)能夠發(fā)起傳輸。即使沒有通信，主機(jī)也要每毫秒發(fā)送連線(keep-alive)信息給設(shè)備。如果設(shè)備有可用數(shù)據(jù)，它會回應(yīng)。在這種工作模式下，設(shè)備可獲得高達(dá)100mA的能量，并且主機(jī)預(yù)期設(shè)備能夠立即回應(yīng)任何請求。當(dāng)主機(jī)停止發(fā)送這些連線信息達(dá)到3ms時(shí)，設(shè)備應(yīng)進(jìn)入暫停狀態(tài)并且立即消減它的電流消耗到3mA以下。

在暫停狀態(tài)下，大部分設(shè)備能被關(guān)閉，通常我們能夠關(guān)閉最耗能的PHY。即使現(xiàn)今的MCU能夠輕松實(shí)現(xiàn)3mA的暫停電流，我們也沒有理由保持在那么高的狀態(tài)。具備良好能源模式的MCU應(yīng)能在這種模式下實(shí)現(xiàn)小于3μA的電流消耗，包含PHY的電流消耗。

然而在工作模式中，當(dāng)檢測一個(gè)正常鍵盤設(shè)備的USB通信時(shí)，主動模式不是十分有效的;大多數(shù)時(shí)候，設(shè)備僅僅等待主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。然而當(dāng)主機(jī)請求設(shè)備回應(yīng)時(shí)，回應(yīng)必須及時(shí);這是為什么大多數(shù)實(shí)作上會保持USB周邊設(shè)備一直運(yùn)行在48MHz以允許足夠的回應(yīng)時(shí)間。在這個(gè)特別的實(shí)例中，97%的時(shí)間是空閑的，即使我們進(jìn)行了列舉(enumerated)和啟動。[!--empirenews.page--]

為電池供電應(yīng)用而最佳化的USB應(yīng)用需要把這些功耗管理因素考慮在內(nèi)，并且十分確定何時(shí)需要時(shí)脈、需要多長時(shí)間、哪些其他USB元件能夠關(guān)閉。SiliconLabs目前擁有兩項(xiàng)正在申請中的專利技術(shù)，并已獲得制造商和客戶反饋，使得USB接口在現(xiàn)今電池供電IoT設(shè)備中具真正用武之地。即使在工作模式，高能效的通信也能夠透過使用無晶振(Crystal-less)USB振蕩器和關(guān)閉封包通信之間的耗電USB連接元件而實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。這種創(chuàng)新的方法大幅降低了系統(tǒng)級功耗，并且建立出真正通用的、可提供優(yōu)異能效的M2M接口。

USB連接如何在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)中大展身手

圖1：具備低能耗模式(LEM，low-energymode)鍵盤傳輸總線的有效信號表明了何時(shí)關(guān)閉耗電的USB接口元件。

理所當(dāng)然，對開發(fā)人員和終端使用者來說，低能耗USB應(yīng)實(shí)現(xiàn)于無形之中。透過低能耗模式(LEM)，降低能耗是十分明顯的，如圖2所示。當(dāng)這種技術(shù)與其他空間和成本節(jié)省特性(例如無晶振USB應(yīng)用和時(shí)脈恢復(fù))相互結(jié)合時(shí)，開發(fā)人員能夠?qū)崿F(xiàn)真正的超低能耗通用M2M接口，并且不需要額外元件。

USB連接如何在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)中大展身手

圖2：一個(gè)典型的USB收發(fā)器在空閑時(shí)處于“接收”模式，浪費(fèi)3-5mA。透過LEM技術(shù)，收發(fā)器能夠保持在類似暫停的低電流模式。

結(jié)論

USB接口已經(jīng)從一個(gè)減少傳統(tǒng)桌上型PC雜亂線纜連接的簡單需求，發(fā)展成為消費(fèi)性電子設(shè)備接口的標(biāo)準(zhǔn)。具備USB功能的便攜式設(shè)備日益普及，促使整合的USB周邊設(shè)備提供新的設(shè)計(jì)要求。

新的智能USB硬件使得成本和功耗得以減少，并延長了電池使用壽命。當(dāng)與無晶振USB技術(shù)相結(jié)合時(shí)，廣泛使用的USB標(biāo)準(zhǔn)將使得所有可連接設(shè)備變得更加智能、可連接的、節(jié)能。