MAX3301E型USB OTG電路原理及應(yīng)用

1 引言
隨著USB2.0版本的發(fā)布，USB越來越流行，已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)接口?，F(xiàn)在，USB支持三種傳輸速率：低速(1.5 Mb/s)、全速(12 Mb/s)和高速(480 Mb/s)，四種傳輸類型：塊傳輸、同步傳輸、中斷傳輸和控制傳輸。USB應(yīng)用靈活方便，能滿足多種外設(shè)的需要。隨著個(gè)人便攜式電子產(chǎn)品的增長(zhǎng)和嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，USB主機(jī)已不再局限于單純的PC，可以是含有USB主控器的任何設(shè)備，如PDA、MP3播放器等。在USB2.O規(guī)范中也增加了USB嵌入式設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)――On-The-Go(OTG)，它使外設(shè)可以在主機(jī)和設(shè)備之間相互切換，即當(dāng)其連接至PC時(shí)，它是1個(gè)USB設(shè)備，而與其他USB設(shè)備相連接時(shí)，它便作為USB主機(jī)。

2 USB OTG
2.1 USB OTG簡(jiǎn)介
DSB OTG是USB2.O版本的補(bǔ)充，并不是獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)，它保留了USB2.0的所有特點(diǎn)。OTG使2個(gè)USB外設(shè)在脫離PC的情況下可以直接通信。為了實(shí)現(xiàn)這種功能，在OTG中有一個(gè)新的概念――雙功能設(shè)備(DRD：Dual-Role Device)。1個(gè)DRD能滿足下列特征：
●具有一定的USB主機(jī)能力和提供1個(gè)外設(shè)列表；
●作為外設(shè)時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)全速操作(或高速操作)；
●作為主控機(jī)時(shí)能支持全速操作(低速或高速)
●支持主機(jī)協(xié)商協(xié)議(HNP)和會(huì)話請(qǐng)求協(xié)議(SRP)；
●僅有1個(gè)微型AB連接端口；
●能夠向電源總線提供不小于8 mA的電流。
要實(shí)現(xiàn)主機(jī)功能，主機(jī)必須存儲(chǔ)大量的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，并且向電源總線提供一定的電流。對(duì)于嵌入式USB主機(jī)來說，提供大量的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是不現(xiàn)實(shí)的也沒有必要，1個(gè)嵌入式USB主機(jī)只需支持部分特定設(shè)備，這些設(shè)備就是它的外設(shè)列表。
2.2 主機(jī)協(xié)商協(xié)議(HNP)
在USB標(biāo)準(zhǔn)中，主機(jī)采用A型接口，稱為A類設(shè)備(A-Device)；外設(shè)采用B型接口，稱為B類設(shè)備(B-Device)。1個(gè)DRD既可以作為主機(jī),也可以作為外設(shè)。那么，當(dāng)2個(gè)DRD互連時(shí)，哪個(gè)設(shè)備作為主機(jī)，為什么要作為主機(jī)?為了解決這兩個(gè)問題，在OTG中提出了新的協(xié)議――主機(jī)協(xié)商協(xié)議(HNP)。在OTG中還定義了一種新的接口――微型AB插座(mini-AB receptacle)以及微型A插頭(mi-ni-A plug)和微型B插頭(mini-B plug)。在微型AB插座、微型A插頭和微型B插頭中增加了1個(gè)引腳――ID引腳，如圖l所示。

在微型A插頭中，ID引腳接地，在微型B插頭中，ID引腳懸空。在OTG中，如果設(shè)備的ID引腳接地(即mini-A插頭連接的設(shè)備，如圖l右側(cè)的設(shè)備)，則此設(shè)備默認(rèn)為主機(jī)，否則為外設(shè)。同時(shí)，在設(shè)備連接使用過程中，通過主機(jī)協(xié)商協(xié)議，允許主機(jī)和外設(shè)功能互換。例如，假設(shè)圖1左邊的B-Device為1個(gè)手持PDA，右邊的A-Device為1個(gè)打印機(jī)。由于連接線的關(guān)系，打印機(jī)初始化為主機(jī)。但是打印機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序存在PDA中，這時(shí)需要PDA作為主機(jī)，打印機(jī)作為外設(shè)。通過HNP可以方便實(shí)現(xiàn)此功能，而不必拔下連接線調(diào)換插頭方向，重新連接打印機(jī)和PDA。
2.3 會(huì)話請(qǐng)求協(xié)議(SRP)
OTG收發(fā)器一般用在嵌入式設(shè)備中，這類設(shè)備普遍采用電池供電，對(duì)功耗要求很嚴(yán)。為了節(jié)省電源，在OTG標(biāo)準(zhǔn)中，當(dāng)電源總線沒有使用時(shí)，允許A類設(shè)備掛起電源總線。當(dāng)1個(gè)B類設(shè)備要工作時(shí)，它必須通過某種方法通知A類設(shè)備向電源總線供電。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，在OTG中提出了會(huì)話請(qǐng)求協(xié)議(SRP)。在OTG中，1個(gè)會(huì)話定義為A類設(shè)備向電源總線VBUS有效供電的時(shí)間。需要注意的是，在OTG中電源一直都是由A類設(shè)備(連接mini-Aplug的DRD)提供的。由于主機(jī)協(xié)商協(xié)議，A類設(shè)備也可能作為外設(shè)使用，此時(shí)，電源也必須由A類設(shè)備提供。當(dāng)A類設(shè)備掛起VBUS后，B類設(shè)備進(jìn)入休眠狀態(tài)。當(dāng)B類設(shè)備需要再次工作時(shí)，它可以通過向數(shù)據(jù)線發(fā)送1個(gè)脈沖信號(hào)(Data-line Pulsing)或向電源總線發(fā)送一個(gè)脈沖信號(hào)(VBUS Pulsing)來請(qǐng)求A類設(shè)備向電源總線供電。OTG要求無論是DRD設(shè)備還是普通的B類設(shè)備，都必須具有發(fā)送會(huì)話請(qǐng)求的功能；同時(shí)，普通的A類設(shè)備或者DRD設(shè)備都必須能夠響應(yīng)1個(gè)會(huì)話請(qǐng)求。

3 MAX330lE的特點(diǎn)及工作原理
3.1 MAX3301E的特點(diǎn)
目前，很多公司都推出了各自的OTG電路，如Cypress公司的SL8llHS、Philips公司的ISPll61、ISPl362等。下面主要介紹Maxim公司生產(chǎn)的MAX3301E。
MAX3301E是完全集成的USB On-The-Go(0TG)收發(fā)器與電荷泵，不需要PC主機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)設(shè)備(如PDA、蜂窩電話與數(shù)碼相機(jī)等)之間及與USB外設(shè)的連接。使用MAX3301E的嵌入U(xiǎn)SB主機(jī)可以直接與打印機(jī)或外部硬件驅(qū)動(dòng)器等設(shè)備連接。
MAX3301E集成了USB OTG收發(fā)器、VBUS電荷泵、線性穩(wěn)壓器及與I2C總線兼容的2線串行接口。內(nèi)部電平轉(zhuǎn)換器使MAX3301E可以與+1.65 V~+3.6V邏輯接口。MAX3301E中OTG兼容的電荷泵可以在+3 V~+4.5 V輸入電壓下工作，輸出電流大于8mA時(shí)，可以在VBUS上提供OTG兼容的輸出。
MAX3301E使那些無法提供或容許USB OTG要求的+5 V VBUS電平的高集成度數(shù)字設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)USB OTG通信。利用內(nèi)部比較器控制、測(cè)量VBUS，MAX3301E支持USB 0TG會(huì)話請(qǐng)求協(xié)議(SRP)和主機(jī)協(xié)商協(xié)議(HNP)。
MAX3301E內(nèi)部為VBUS、ID_IN、D+和D-引腳提供了15 kV靜電放電(ESD)保護(hù)。MAX3301E采用5 mmx5 mm芯片級(jí)(UCSP)和32引腳薄型QFN封裝(5 mmx5 mmx0.8 mm)，工作溫度范圍為-40℃~+85℃。
3.2 MAX3301E的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理
圖2示出MAX3301E的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖，主要由下列模塊組成：ID檢測(cè)器、電荷泵、VBUS比較器、線性穩(wěn)壓器、上拉/下拉電阻器、CAR KIT中斷檢測(cè)器、收發(fā)器、串行控制模塊和電源模塊。

眾所周知，在普通的USB外設(shè)電路中，通過1個(gè)連接在D+或者D-的上拉電阻器(通常為15 kΩ)來告知主機(jī)1個(gè)外設(shè)的接入和指示需要的操作速度――如果上拉電阻器連接在D+上，表示全速操作；連接在D-上，則表示低速操作。在USB主控電路或集線器電路中，通過連接在D+和D-上的下拉電阻器(通常為15 kΩ)表示該電路為USB主控電路或集線器電路。從圖3中可以看到，在MAX3301E數(shù)據(jù)線D+和D-上都設(shè)計(jì)了上拉和下拉電阻器轉(zhuǎn)換開關(guān)，這樣就可實(shí)現(xiàn)外設(shè)和主機(jī)功能之間的轉(zhuǎn)換，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)全速或低速操作選擇。
如圖4所示，當(dāng)MAX3301E作為A-Device時(shí)，電荷泵向3.3 V穩(wěn)壓器和VBUS提供電源(5 V，8mA)；當(dāng)MAX3301E作為B-Device時(shí)，穩(wěn)壓器的電源也可以設(shè)置為由VBUS提供。VBUS比較器負(fù)責(zé)監(jiān)控VBUS上的電壓，右邊的電阻器轉(zhuǎn)換開關(guān)VBUS提供脈沖信號(hào)。

4 典型應(yīng)用電路
圖5所示是MAX3301E的典型應(yīng)用電路。

圖中，VCC是MAX3301E的工作電壓，范圍為+3.3 V~+4.5 V。VL是系統(tǒng)側(cè)邏輯電源輸入，連接到系統(tǒng)的邏輯電平，范圍為+1.65 V～+3.6 V。此電平設(shè)置邏輯輸出的最大電平和邏輯輸入的門限。
VBUS、D+、D-、ID_IN、GND組成USB OTG的連接口，需要注意的是，根據(jù)USBOTG的規(guī)定，VBUS總線上所有的濾波電容之和必須限定在1μF~6.5μF。
SPD是速度選擇器輸入。將SPD連接至GND選擇低數(shù)據(jù)速率(1.5 Mb/s)。將SPD連接至VL則選擇全速數(shù)據(jù)速率(12 Mb/s)。同時(shí)也可以修改MAX3301E內(nèi)部的寄存器，關(guān)閉SPD的功能。SPD被關(guān)閉后，DAT_VP/SE0_VM的速率將由相應(yīng)的寄存器值給定。
OE/INT控制DAT_VP/SE0_VM和D+/D-的輸入或輸出狀態(tài)。當(dāng)OE/INT為邏輯O時(shí)，設(shè)備為發(fā)送模式，待發(fā)送的數(shù)據(jù)由DAT_VP/SE0_VM進(jìn)入MAX3301E,然后通過D+/D-發(fā)送出去。當(dāng)OE/INT為邏輯1時(shí),設(shè)備處于接收模式，MAX3301E從D+/D-接收數(shù)據(jù)，然后再通過DAT_VP/SEO_VM傳送給控制器。在掛起模式下(SUS=“1”)，可以控制OE/INT使其成為中斷輸出，它檢測(cè)的中斷源與INT相同。

5 結(jié)束語
隨著USB的發(fā)展，USB接口已經(jīng)成為各種電子產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)接口。傳統(tǒng)的PC到外設(shè)的USB通信方式已經(jīng)不能滿足人們的需要，迫切需要脫離PC的控制，直接實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的USB連接。由于這種需要，OTG標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運(yùn)而產(chǎn)生。隨著各大器件和設(shè)備制造商對(duì)OTG的支持，目前各種具有OTG功能的收發(fā)器和電子產(chǎn)品已經(jīng)走向市場(chǎng)。比如PDA可以通過USB接口連接手機(jī)實(shí)現(xiàn)無線上網(wǎng)。數(shù)碼相機(jī)或數(shù)碼伴侶可以通過USB接口直接控制打印機(jī)打印照片。如果在野外拍攝，數(shù)碼相機(jī)也可以通過USB接口連接手機(jī)實(shí)現(xiàn)無線上網(wǎng)，把照片發(fā)進(jìn)到電腦或者其他服務(wù)器上。