實(shí)現隔離式USB 2.0 On-The-Go端口

引言

USB 作為工業(yè)系統中用于人機交互、診斷、固件下載、外設連接和數據記錄的接口正變得越來(lái)越流行。鑒于工業(yè)領(lǐng)域存在噪聲和惡劣瞬變，以及為了確保電氣安全，系統設計人員更喜歡對 USB 端口進(jìn)行隔離。擁有一個(gè)可以連接到主機（例如筆記本電腦）或外設（例如 USB 驅動(dòng)器）的 USB 端口，而不是擁有分別用于主機連接和外設連接的端口增加了靈活性并降低了成本。

USB On-The-Go(OTG)提供了這種靈活性，同時(shí)還允許通過(guò)主機協(xié)商協(xié)議(HNP)交換主機和外設角色。不過(guò)，目前沒(méi)有用于隔離USB OTG端口的解決方案。本文介紹了使用HNP實(shí)現隔離式USB OTG端口的主要注意事項和隔離式USB中繼器的相應要求，以及使用TI的ISOUSB211隔離式USB中繼器實(shí)現隔離式USB OTG端口的應用圖和測試結果。

OTG USB應用的現有實(shí)現

提供了實(shí)現隔離式 USB 平臺的現有方法，以及有關(guān)為建立數據鏈路提供專(zhuān)用主機和外設端口的建議，如圖 1 所示。上行（外設）端口通過(guò)一個(gè) 1.5k? 電阻器對 D+ 進(jìn)行上拉（表示全速或高速外設）或對 D- 進(jìn)行上拉（表示低速外設）。下行（主機）器件具有 15k? 下拉電阻器，以符合 USB 2.0 標準。下行端口為 5V VBUS 電源軌供電，不會(huì )從上行端口取電。建立連接后，會(huì )檢測到 VBUS 的存在，之后會(huì )進(jìn)行上拉識別和數據包傳輸。因此，對于端口必須承擔主機或外設角色的隔離式 OTG 實(shí)現，隔離器必須對連接透明。

圖1 獨立的主機和外設實(shí)現

On-The-Go工作原理

OTG端口有一個(gè)額外的第五個(gè)引腳，標記為 ID 引腳。當連接發(fā)生時(shí)，該 ID 引腳上的狀態(tài)控制初始主機和外設角色，如圖 2 所示。連接到電纜 ID 接地短路的一端的端口承擔初始主機（A 器件）角色，連接到電纜 ID 懸空的另一端的器件承擔初始外設角色（B 器件）。OTG 模塊上的 ID 上拉有助于確定連接時(shí) ID 引腳的狀態(tài)。當 B 器件希望接管主機角色時(shí)，OTG 定義了一個(gè) HNP，使器件能夠無(wú)縫地交換角色，而無(wú)需拔出和交換電纜連接。為了使 HNP 無(wú)縫工作，隔離式 USB 中繼器應該能夠動(dòng)態(tài)地將任何一側切換為上行側或下行側。本文不討論通過(guò)產(chǎn)生脈沖 VBUS 來(lái)啟動(dòng) A 器件上的會(huì )話(huà)的會(huì )話(huà)請求協(xié)議。

圖2 由ID引腳確定的初始主機或外設角色

隔離式OTG的實(shí)現

圖 3 顯示隔離式中繼器需要具有靈活性，以便任意一側都能作為主機或外設運行。在運行期間，隔離式中繼器在上電時(shí)引入了一個(gè) 15k? 下拉電阻器。提供外部 1.5k? 上拉電阻器的一側將建立連接。另一側承擔主機角色，在中繼器中引入內部 1.5k? 上拉電阻器以鏡像下行連接。使用 Micro-A 插頭插入的一端承擔初始 A 器件角色，使用 Micro-B 插頭插入的一端承擔初始 B 器件角色。在進(jìn)行初始角色分配之后，HNP 在器件希望交換角色的場(chǎng)景中有一組定義的轉換：初始 A 器件掛起總線(xiàn)，初始 B 器件通過(guò)斷開(kāi) 1.5k? 上拉電阻器并啟用 15k? 下拉電阻器來(lái)轉換至等待連接狀態(tài)。由于線(xiàn)路現在處于 SE0 狀態(tài)，因此 A 器件承擔外設角色并通過(guò)啟用其內部 1.5k? 上拉電阻器來(lái)建立連接?？偩€(xiàn)現在反映了 J 狀態(tài)，初始 B 器件（現在處于主機狀態(tài)）將其檢測為外設連接。無(wú)論 HNP 確定的角色如何，5V VBUS 都由 A 器件提供。

圖3 自供電隔離式On-The-Go模塊的方框圖

采用 ISOUSB211 EVM的OTG演示

圖 4 演示了使用板載元件的隔離式 USB-OTG 實(shí)現。該電路包含 ISOUSB211 隔離式高速 USB 中繼器、SN65055W 推挽變壓器驅動(dòng)器和 ISO6721 雙通道數字隔離器，用于實(shí)現隔離式 USB-OTG 操作。正如上一節中強調的那樣，對于 USB-OTG 應用，隔離式 USB 解決方案必須允許任一側作為上行側或下行側。這種靈活性由 ISOUSB211 來(lái)實(shí)現，該器件具有自動(dòng)角色檢測功能，使任何一側都可以輕松地根據哪一側首先檢測到 1.5k? 上拉電阻器來(lái)承擔上行或下行角色。ISO6721 通過(guò)隔離柵將 ID 信息從連接器傳輸到 OTG 模塊。來(lái)自 ISOUSB211 的 V2OK 信號（指示 VBUS2 是否可用）被饋送到 OTG 模塊的 USB_DET 引腳。USB 2.0 標準規定，除非存在 VBUS，否則器件不應在 DP/DM 線(xiàn)路上引入上拉電阻器。OTG 模塊根據 USB_DET 狀態(tài)控制內部上拉電阻器。次級側低壓降穩壓器 (LDO) 輸出與連接器的 VBUS 之間的電源路徑中用于控制電力輸送的開(kāi)關(guān)取決于連接到模塊的器件類(lèi)型。OTG 模塊驅動(dòng) VBUSON 信號，以防片外電源需要為連接的器件供電。這將控制次級側 LDO 輸出與連接器的 VBUS 之間的開(kāi)關(guān)。

圖4 使用 ISOUSB211和SO6721D的隔離式USB OTG端口實(shí)現

場(chǎng)景A：隔離式OTG模塊連接到USB驅動(dòng)器（總線(xiàn)供電）

連接到隔離式 OTG 模塊（A 器件）的 ID 引腳接地短路。該信息通過(guò) ISO6721 的反向通道發(fā)送，穿過(guò)隔離柵。然后 OTG 模塊向 VBUSON 發(fā)出信號，使其變?yōu)楦唠娖?，進(jìn)而使開(kāi)關(guān)閉合，從而為閃存驅動(dòng)器（B 器件）供電。直到該階段，V2OK 保持低電平，OTG 模塊不啟動(dòng) D+/D- 上拉控制。器件側上電后，V2OK 變?yōu)楦唠娖?，從而?OTG 模塊能夠按照 USB 2.0 標準控制上拉電阻器。

場(chǎng)景B：隔離式OTG模塊連接到筆記本電腦（主機）

連接到隔離式 OTG 模塊（B 器件）的 ID 引腳懸空，通過(guò) ISO6721 的反向通道以高電平進(jìn)行傳輸。OTG 模塊使 VBUSON 的狀態(tài)保持為低電平，這會(huì )在連接的主機自供電時(shí)使開(kāi)關(guān)保持斷開(kāi)狀態(tài)。假設主機是自供電的，并且根據 USB 2.0 標準啟動(dòng)了上拉，V2OK 會(huì )在連接建立后立即變?yōu)楦唠娖健?/p>

演示

以下部分演示了使用 ISOUSB211EVM 評估模塊的 OTG 實(shí)現。

為了演示從 A 型器件到 B 型器件在任一方向的電力輸送，引入了一個(gè)額外的 SN6505EVM。

將手機連接到筆記本電腦

在圖 5 中，支持 OTG 功能的手機（帶有母頭 Micro-B 連接器，雙角色端口）借助 Type-A 公頭轉 Micro-B 公頭連接器通過(guò) ISOUSB211EVM 連接到筆記本電腦（帶有 Type-A 母頭端口）。該實(shí)驗的目標是將文件從手機復制到筆記本電腦中。

圖5 連接到主機的ISOUSB211+U盤(pán)（OTG模塊）

在首次連接期間，連接到手機的電纜端將連接的 ID 設置為高阻態(tài)（B 型器件）。一旦手機識別到 ID 引腳被設置為高阻態(tài)，它就會(huì )承擔 B 型角色。電力通過(guò) ISOUSB211EVM 上的 SN6505 路徑從筆記本電腦傳輸到手機。手機使 DP 線(xiàn)路上的上拉電阻器生效（指示 B 型角色），ISOUSB211 在 1 側引入其內部 1.5k? 上拉電阻器。此后，會(huì )按照 USB 2.0 標準在 A 型器件和 B 型器件之間進(jìn)行通信。

外設能夠進(jìn)行通信，數據傳輸成功完成。

將手機連接到USB驅動(dòng)器

在圖 6 中，支持 OTG 功能的手機（帶有母頭 Micro-B 連接器，雙角色端口）通過(guò) Type-A 母頭轉 Micro-A 公頭連接器連接至閃存驅動(dòng)器（使用 Type-A 端口）（使用 Type-A 母頭轉 Micro-A 公頭連接器連接至 EVM）。該實(shí)驗的目標是將文件從閃存驅動(dòng)器復制到手機中。

圖6 連接到主機的ISOUSB211 + U盤(pán)（OTG 模塊）

在連接過(guò)程中，連接到手機的電纜端的 ID 引腳接地短路（A 型器件）。手機識別 ID 引腳設置為低電平，從而承擔 A 型角色。通過(guò) SN6505 建立的反向電源路徑處于工作狀態(tài)，為閃存驅動(dòng)器上電。閃存驅動(dòng)器使 DP 線(xiàn)路上的上拉電阻器生效（指示 B 型角色），ISOUSB211 在 2 側引入其內部 1.5k? 上拉電阻器。此后，會(huì )按照 USB 2.0 標準在 A 型器件和 B 型器件之間進(jìn)行通信。

外設能夠進(jìn)行通信，數據傳輸成功完成。

總結

使用具有靈活的主機側和外設側的隔離器可以輕松建立隔離式 USB OTG 應用，其中在運行期間根據首先在 DP/DM 線(xiàn)路上從外部在哪一側觀(guān)察到 1.5k? 上拉電阻器來(lái)配置主機側和外設側。此類(lèi)配置可確保實(shí)現更小的尺寸、更少的連接器以及完全可切換的角色，而無(wú)需更改硬件。

本文來(lái)源于德州儀器《模擬設計期刊》?！赌M設計期刊》由德州儀器工程師和專(zhuān)家精心撰寫(xiě)并匯編，覆蓋從基礎知識到先進(jìn)技術(shù)、從數據轉換器到傳感器應用的廣泛主題，為模擬設計新手和資深用戶(hù)提供實(shí)用信息和解決方案。