詳解USB連接在物聯(lián)網(wǎng)供電設計中的應用

在過(guò)去十年中，通用串行總線(xiàn)(USB)標準由于具備易用、隨插即用的功能性和可用性，因此被眾多工業(yè)和消費性電子產(chǎn)品的設計人員作為連接其他應用的首選接口。USB已實(shí)現其主要目標，即提供消費者簡(jiǎn)化控制周邊設備和傳輸數據的方法。隨著(zhù)超過(guò)三十億個(gè)具備USB接口的電子設備進(jìn)入市場(chǎng)，USB不僅是消費性應用中成長(cháng)最快的接口，在工業(yè)市場(chǎng)也取得了顯著(zhù)的成長(cháng)。

然而對于嵌入式解決方案設計人員而言，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)設計功耗敏感、電池供電的連接設備產(chǎn)品時(shí)。對小型、便攜式設備來(lái)說(shuō)，增加USB作為通信接口至少要增加一倍的應用電流消耗，并且需要比原先預期更大的電池。

從傳統的串行接口通信升級到廣受歡迎的USB接口，通常會(huì )由于功耗預算的限制而變得難以實(shí)行。一般情況下，設計人員不得不在增加雙倍電池容量和增加設備成本(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(lái)看看USB標準如何從為所有PC連接提供標準化的夢(mèng)想，演變?yōu)樯踔量墒笽oT小型電池供電設備與任何其他設備通信的最先進(jìn)技術(shù)。

USB簡(jiǎn)史

如果你曾經(jīng)研究過(guò)1990年代末期生產(chǎn)的桌上型計算機的背面，你或許一眼就能認出為連接不同硬件到計算機而出現的許多標準。這些連接標準包含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(huì )在音效卡上有一個(gè)游戲連接端口。

USB早期開(kāi)發(fā)人員意識到了這種紛亂的連接狀況，并在1995年開(kāi)始創(chuàng )造一種機器對機器(M2M)的通用標準，以取代所有其他接口標準。在1990年代末期，當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(kāi)始迅速發(fā)展，并在經(jīng)過(guò)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算機和手機就能明白USB標準的成功。你的智能手機可能只有一個(gè)連接接口：USB。如果你在2010年以后購買(mǎi)了筆記型計算機，便會(huì )發(fā)現除了顯示器和網(wǎng)絡(luò )連接器之外，它可能只具有USB接口。此外，用于現今筆記本電腦和平板電腦的觸控板、鍵盤(pán)和其他周邊設備都透過(guò)USB與主處理器通信。

USB標準的拓撲連接分為設備(device)和主機(host)。主機是發(fā)起通信并提供電源的機器;在桌面上，通常就是你的筆記本電腦或臺式PC。設備是連接到主機的下游設備，簡(jiǎn)單的回應主機的任何請求;在桌面上，鼠標和鍵盤(pán)就是常見(jiàn)的USB設備。

關(guān)于USB連接器的獨特之處是它也可以為連接的設備供電，因此不需要為你的鼠標或外接硬盤(pán)驅動(dòng)器增加額外的電源。USB標準規定主機至少輸出100mA的電流給設備，并且如果設備支援的話(huà)，它有可能獲得500mA電流。這些供電能力來(lái)自最初的USB標準，PC幾乎總是作為主機，并且它們一直都是透過(guò)墻壁插座獲得電源。這個(gè)USB標準需求限制了USB在低功耗應用上的發(fā)展，盡管對PC應用來(lái)說(shuō)，主電源供應并不成問(wèn)題。

但是當這種成熟的M2M接口要滿(mǎn)足今日電池供電的IoT世界時(shí)，會(huì )發(fā)生什么?當主機也是一個(gè)便攜式設備時(shí)，又有什么影響呢?

對于現今USB硬件的影響

在現今的便攜式設備應用中，最常見(jiàn)的術(shù)語(yǔ)是“功率預算”。功率預算決定設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))電池使用壽命的應用中，功率預算大約為5mA。這個(gè)功率預算必須分布在開(kāi)發(fā)人員所希望設備做的每一項功能上，包含從傳感器擷取和處理到通信和驅動(dòng)顯示。

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

為了設計一個(gè)真正通用并好用的便攜式設備，你應當選擇最合適的M2M接口，例如USB。選擇USB也能夠使你的設計產(chǎn)品做到無(wú)主機限制(host-agnostic)，這表示如果你想讓產(chǎn)品既能支援Mac、Windows手機又能支援Android平板，這都將不再是問(wèn)題。然而當你想透過(guò)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標準中從不關(guān)心的“功耗”突然成為了選擇USB解決方案的優(yōu)先考慮問(wèn)題。你不想僅僅為了與周邊設備通信而浪費平板計算機或筆記型計算機的寶貴電池壽命，并且你也不想設計出一個(gè)會(huì )快速耗盡智能手機電池電量的配件應用產(chǎn)品。

通過(guò)正確選擇具備USB功能的硬件，將能夠開(kāi)發(fā)出耗電極少的設備，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(guò)程。一般情況下，僅有主機能夠發(fā)起傳輸。即使沒(méi)有通信，主機也要每毫秒發(fā)送連線(xiàn)(keep-alive)信息給設備。如果設備有可用數據，它會(huì )回應。在這種工作模式下，設備可獲得高達100mA的能量，并且主機預期設備能夠立即回應任何請求。當主機停止發(fā)送這些連線(xiàn)信息達到3ms時(shí)，設備應進(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，大部分設備能被關(guān)閉，通常我們能夠關(guān)閉最耗能的PHY。即使現今的MCU能夠輕松實(shí)現3mA的暫停電流，我們也沒(méi)有理由保持在那么高的狀態(tài)。具備良好能源模式的MCU應能在這種模式下實(shí)現小于3μA的電流消耗，包含PHY的電流消耗。

然而在工作模式中，當檢測一個(gè)正常鍵盤(pán)設備的USB通信時(shí)，主動(dòng)模式不是十分有效的;大多數時(shí)候，設備僅僅等待主機發(fā)送數據。然而當主機請求設備回應時(shí)，回應必須及時(shí);這是為什么大多數實(shí)作上會(huì )保持USB周邊設備一直運行在48MHz以允許足夠的回應時(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(dòng)。

為電池供電應用而最佳化的USB應用需要把這些功耗管理因素考慮在內，并且十分確定何時(shí)需要時(shí)脈、需要多長(cháng)時(shí)間、哪些其他USB元件能夠關(guān)閉。SiliconLabs目前擁有兩項正在申請中的專(zhuān)利技術(shù)，并已獲得制造商和客戶(hù)反饋，使得USB接口在現今電池供電IoT設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(guò)使用無(wú)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，如圖1所示。這種創(chuàng )新的方法大幅降低了系統級功耗，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)設計中大展身手

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

理所當然，對開(kāi)發(fā)人員和終端使用者來(lái)說(shuō)，低能耗USB應實(shí)現于無(wú)形之中。透過(guò)低能耗模式(LEM)，降低能耗是十分明顯的，如圖2所示。當這種技術(shù)與其他空間和成本節省特性(例如無(wú)晶振USB應用和時(shí)脈恢復)相互結合時(shí)，開(kāi)發(fā)人員能夠實(shí)現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)設計中大展身手

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3-5mA。透過(guò)LEM技術(shù)，收發(fā)器能夠保持在類(lèi)似暫停的低電流模式。

結論

USB接口已經(jīng)從一個(gè)減少傳統桌上型PC雜亂線(xiàn)纜連接的簡(jiǎn)單需求，發(fā)展成為消費性電子設備接口的標準。具備USB功能的便攜式設備日益普及，促使整合的USB周邊設備提供新的設計要求。

新的智能USB硬件使得成本和功耗得以減少，并延長(cháng)了電池使用壽命。當與無(wú)晶振USB技術(shù)相結合時(shí)，廣泛使用的USB標準將使得所有可連接設備變得更加智能、可連接的、節能。