高速USB OTG-便攜設(shè)備互連解決方案

電子產(chǎn)品在挑戰(zhàn)尺寸、容量、處理速度與便利性的同時(shí)，也考驗(yàn)著研發(fā)人員的設(shè)計(jì)能力。過去USB接口的單向傳輸方式已很難適應(yīng)現(xiàn)在便攜式電子產(chǎn)品所需要的強(qiáng)大功能，市場需要的是讓便攜設(shè)備直接互連的雙向連接方式。USB OTG的出現(xiàn)解決了這一問題。

　　便攜設(shè)備如何相互溝通

　　隨著便攜設(shè)備的功能和數(shù)據(jù)容量的提升，使用者也開始希望其能與其他便攜式與非便攜設(shè)備共享信息，但是掌上型設(shè)備的數(shù)據(jù)輸入及顯示較為不易。因?yàn)轶w積小，便攜設(shè)備通常沒有實(shí)用的接口，只有一個(gè)小屏幕和有限的按鍵。

　　便攜設(shè)備存在的另一個(gè)問題是“需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量”。以一臺數(shù)碼相機(jī)為例，其存儲容量可高達(dá)數(shù)百兆。此外，數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞揭灿泻芏?，手機(jī)用戶可能會想將手機(jī)連接到PC，下載原先儲存的信息;有時(shí)需要和其他手機(jī)聯(lián)機(jī)，互傳電話號碼;或者需要和數(shù)碼相機(jī)聯(lián)機(jī)，上傳所拍攝的照片;當(dāng)然有時(shí)還必須連接到PDA并使用其無線網(wǎng)絡(luò)功能。

　　無奈手機(jī)等便攜設(shè)備體積太小，沒有空間為各種連機(jī)類型提供專屬的接頭，而且便攜設(shè)備的市場對成本相當(dāng)敏感，想要提供這么多的接頭，會導(dǎo)致成本過高。由此看來，我們需要一種便宜、普及、使用容易、傳輸速率高的聯(lián)機(jī)方式，使各種不同的電子設(shè)備能夠彼此通信并傳輸數(shù)據(jù)。

　　圖1 標(biāo)準(zhǔn)的USB連接架構(gòu)

　　標(biāo)準(zhǔn)的USB連機(jī)需要一個(gè)主端(host)，這個(gè)主端通常是PC。如果想把儲存在某個(gè)外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸?shù)搅硪粋€(gè)外圍設(shè)備，唯一的方法是通過主端來中介傳輸，如圖1所示。例如，想要將數(shù)碼相機(jī)的照片打印出來，必須先將照片上傳到主端，再從主端傳送到打印機(jī)。為什么不在便攜設(shè)備里加入主端功能呢?

　　USB是一種主從架構(gòu)的通信協(xié)議，原先是給一個(gè)主端搭配多個(gè)外圍設(shè)備的應(yīng)用方式設(shè)計(jì)的，因此USB連機(jī)的操控管理，多半是仰賴主端。如果要將整套USB規(guī)格的主端控管邏輯全部建構(gòu)在一個(gè)便攜設(shè)備中，對于著重功能簡便的便攜設(shè)備而言，會造成很大的負(fù)擔(dān)。而且USB傳輸線具有方向性，插入主端的接頭和插入外圍設(shè)備的接頭并不相同。

　　以便攜設(shè)備而言，有時(shí)候必須擔(dān)任主端的角色，例如，數(shù)碼相機(jī)傳送照片給打印機(jī);而有時(shí)候則必須擔(dān)任外圍設(shè)備的角色，例如，數(shù)碼相機(jī)將照片上傳至PC，如圖2所示。雖然USB的專用接頭體積不大，但如果要建構(gòu)于小巧的便攜設(shè)備之中，可能還是過于龐大。USB架構(gòu)認(rèn)定主端具備充足的電源，可為聯(lián)機(jī)的外圍設(shè)備提供電力，有些設(shè)備甚至全部的電力都是來自USB總線的。這樣的供電架構(gòu)，對于一些電力有限的小型便攜設(shè)備而言，會造成難以承受的負(fù)擔(dān)。USB OTG補(bǔ)充規(guī)格中最重要的改變就是擴(kuò)充了原先的USB協(xié)議，提供更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)碾娫垂芾砉δ?，并允許電子設(shè)備擔(dān)任主端角色或外圍角色。

　　圖2 USB OTG的連接架構(gòu)

　　雙重角色設(shè)備

　　“雙重角色設(shè)備(Dual-Role Device)”既可擔(dān)任主端角色、亦可擔(dān)任外圍的電子設(shè)備角色。除了要符合USB 2.0標(biāo)準(zhǔn)的所有要求之外，“雙重角色設(shè)備”還必須提供有限的主端功能，并支持“事務(wù)請求協(xié)議(SRP)”以及“主端協(xié)商協(xié)議(HNP)”，而且應(yīng)具備單一Mini-AB插槽。此外，這種設(shè)備必須能傳送信息給使用者。當(dāng)“雙重角色設(shè)備”處于主端模式運(yùn)作時(shí)，VBUS只需要供應(yīng)8mA的電流，這個(gè)規(guī)格有別于標(biāo)準(zhǔn)USB主端的100mA或500mA要求。

　　主端協(xié)商協(xié)議

　　當(dāng)“雙重角色設(shè)備”連接了一個(gè)Mini-A或Mini-B插頭時(shí)，它相應(yīng)的便以O(shè)TG主機(jī)或外設(shè)的默認(rèn)方式工作。A設(shè)備為默認(rèn)主端，所以由它提供VBUS電源，且在檢測到有設(shè)備接入時(shí)復(fù)位總線、列舉并配置B設(shè)備。

　　A設(shè)備在完成對B設(shè)備的使用后，可以通過查詢B設(shè)備的OTG性能描述符來判斷是否支持HNP(即是否為“雙重角色設(shè)備”)。如支持HNP，B設(shè)備將返回有效的OTG性能描述符，A設(shè)備則產(chǎn)生一個(gè)Set_feature命令(即HNP_Enable)來通知B設(shè)備可以在總線掛起的時(shí)候以主端方式工作，隨后A設(shè)備掛起總線。

　　B設(shè)備通過上拉電阻(全速時(shí))或者下拉電阻(高速時(shí))拉低D+(數(shù)據(jù)線上拉電阻)以示連接斷開。隨后，作為對B設(shè)備斷開的響應(yīng)，A設(shè)備使能它的數(shù)據(jù)線并開始以從端方式工作。完成這些轉(zhuǎn)換后，B設(shè)備和A設(shè)備便各自以主機(jī)角色和外設(shè)角色使用總線。如果該B設(shè)備屬于“雙重角色設(shè)備”且A設(shè)備不再使用它了，A設(shè)備便重發(fā)Set_feature命令并掛起總線。若B設(shè)備申請角色轉(zhuǎn)換時(shí)出錯(cuò)，A設(shè)備則拉低VBUS以結(jié)束該事務(wù)。當(dāng)B設(shè)備正常結(jié)束傳輸事務(wù)時(shí)便掛起VBUS使能其上拉電阻，重新以從端方式運(yùn)行。A設(shè)備檢測到總線掛起后，發(fā)出一個(gè)連接斷開信號并重新以主機(jī)方式工作。

　　事務(wù)請求協(xié)議

　　在以往的USB系統(tǒng)運(yùn)行過程中,主機(jī)提供5V的電源和不低于100mA的總線電流。當(dāng)OTG主機(jī)(指以主機(jī)方式工作的兩用OTG設(shè)備,又稱A設(shè)備)連接到有線電源時(shí)這種方法是適用的，但像手機(jī)這樣的自供電移動(dòng)設(shè)備則不能承受如此大的電能浪費(fèi)。為了節(jié)約電源延長電池的使用壽命,當(dāng)總線上沒有活動(dòng)時(shí)，OTG主機(jī)將掛起總線電源VBUS。SRP可使OTG從端(指外設(shè)式設(shè)備或者以外設(shè)方式工作的“雙重角色設(shè)備”，又稱B設(shè)備)請求設(shè)備重新使能VBUS，而后A設(shè)備使用HNP交換兩個(gè)設(shè)備的工作方式，這兩步完成后由新的OTG主機(jī)開始事務(wù)傳輸。B設(shè)備可在前一事務(wù)結(jié)束2ms后的任意時(shí)間開始SRP。

　　B設(shè)備將先后執(zhí)行數(shù)據(jù)線脈沖調(diào)制和VBUS脈沖調(diào)制，分別通過使能數(shù)據(jù)線上拉電阻(全速和高速設(shè)備為D+,低速設(shè)備為D-)5～10ms和驅(qū)動(dòng)VBUS實(shí)現(xiàn)。VBUS必須要有足夠長的時(shí)間對其電容充電,這個(gè)時(shí)間應(yīng)能保證不大于13μF的電容充電至2.1V(OTG設(shè)備的電容是6.5μF或更小),從而不會對標(biāo)準(zhǔn)主機(jī)的96μF或更大的電容充電至2.0V。該限制保證了從B設(shè)備引來的VBUS電流不會破壞標(biāo)準(zhǔn)主機(jī)的端口。

　　A設(shè)備檢測到數(shù)據(jù)線脈沖調(diào)制或者VBUS脈沖調(diào)制后，首先復(fù)位總線,然后發(fā)送Set_feature命令而先不進(jìn)行設(shè)備的枚舉,此時(shí)B設(shè)備尚處在默認(rèn)的從端狀態(tài)。如果Set_feature命令成功執(zhí)行,說明B設(shè)備為兩用OTG設(shè)備,A設(shè)備(使用HNP協(xié)議)掛起VBUS準(zhǔn)備讓B設(shè)備交換為主機(jī)方式接管總線。如果Set_feature命令執(zhí)行失敗，說明B設(shè)備為外設(shè)式OTG設(shè)備，于是A設(shè)備使能VBUS準(zhǔn)備開始一個(gè)傳輸事務(wù)(此時(shí)，A設(shè)備只是被喚醒，并未改變工作方式)。當(dāng)A設(shè)備認(rèn)為總線上沒有傳輸需要時(shí)，掛起VBUS以結(jié)束該事務(wù)。這種A設(shè)備自動(dòng)檢測B設(shè)備是否支持HNP的特征稱為“No Silent Failure”。

　　USB得以成功的其中一項(xiàng)秘訣在于完善的認(rèn)證測試程序。這道程序能檢測設(shè)備是否符合規(guī)范且能否與其他USB設(shè)備共同運(yùn)作，唯有通過認(rèn)證測試的設(shè)備才能貼上USB的認(rèn)可標(biāo)簽。目前，認(rèn)證測試有兩種途徑，可通過USB Compliance Workshop(Plugfests)或個(gè)別的測試實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測試。以上兩種方式都能將通過檢測的設(shè)備列入符合規(guī)范USB設(shè)備的整合廠商名單中。