USB OTG設計

隨著(zhù)PDA、移動(dòng)電話(huà)、數碼相機、打印機等消費類(lèi)產(chǎn)品的普及，用于這些設備與電腦，或設備與設備之間的高速數據傳輸技術(shù)越來(lái)越受到人們的關(guān)注，IEEE1394和USB是用于此類(lèi)傳輸的兩個(gè)主要標準。這兩個(gè)標準都提供即插即用和熱插拔功能，都可以向外提供電源，也都支持多個(gè)設備的連接。其中IEE1394支持較高的數據傳輸速度，但相對比較復雜、價(jià)格較高，主要用于需要高速通信的AV產(chǎn)品；而最初的USB標準主要面向低速數據傳輸的應用，其中USB1.1支持1.5Mbps和12Mbps的傳輸速率，被廣泛用于傳輸速率要求不高的PC機外設，如：鍵盤(pán)、鼠標等。USB2.0標準的推出使USB的傳輸速度達到480Mbps。而USB OTG技術(shù)的推出則可實(shí)現沒(méi)有主機時(shí)設備與設備之間的數據傳輸。例如：數碼相機可以直接與打印機連接并打印照片，從而拓展了USB技術(shù)的應用范圍。圖1是USB技術(shù)的典型應用示意圖。

1 主機通信協(xié)議與對話(huà)請求協(xié)議

USB OTG標準在完全兼容USB2.0標準的基礎上，增添了電源管理（節省功耗）功能，它允許設備既可作為主機，也可作為外設操作（兩用OTG）。OTG兩用設備完全符合USB2.0標準，并可提供一定的主機檢測能力，支持主機通令協(xié)議（HNP）和對話(huà)請求協(xié)議（SRP）。在OTG中，初始主機設備稱(chēng)為A設備，外設稱(chēng)為B設備?？捎秒娎|的連接方式來(lái)決定初始角色。圖2所示是用第5個(gè)ID腳確定默認主機的示意圖，兩用設備使用新型mini-AB插座，從而使mini-A插頭、mini-B插頭和mini-AB插座增添了第五個(gè)引腳（ID），以用于識別不同的電纜端點(diǎn)。mini-A插頭中的ID引腳接地，mini-B插頭中的ID引腳浮空。當OTG設備檢測到接地的ID引腳時(shí)，表示默認的是A設備（主機），而檢測到ID引腳浮這的設備則認為是B設備（外設）。系統一旦連接后，OTG的角色還可以更換。主機與外設采用新的HNP，A設備作為默認主機半提供VBUS電源，并在檢測到有設備連接時(shí)復位總線(xiàn)、枚舉并配置B設備。OTG標準為USB增添的第二個(gè)新協(xié)議稱(chēng)為對話(huà)請求協(xié)議（SRP）。SRP允許B設備請求A設備打開(kāi)VBUS電源并啟動(dòng)一次對話(huà)。一次OTG對話(huà)可通過(guò)A設備提供VBUS電源的時(shí)間來(lái)確定（注：A設備總是為VBUS供電，即使作為外設）。也可通過(guò)A設備關(guān)閉VBUS電源來(lái)結束一閃會(huì )話(huà)以節省功耗，這在電池供電產(chǎn)品中是非常重要的。例如，在兩臺蜂窩電話(huà)通過(guò)連接互相交換信息時(shí)，一臺連接在電費的mini-A端，是A設備，默認為主機。另一臺是B設備，默認為外設。當在不需要USB通信時(shí)，A設備可以關(guān)閉VBUS線(xiàn)，此時(shí)B設備就會(huì )檢測到該狀態(tài)并進(jìn)入功低耗模式。

2 OTG功能的構建

圖3所示電路給出了構建OTG功能時(shí)需要在基礎USB外設上添加的電路，電路中的通用串行總線(xiàn)控制器可以是一個(gè)微處理器和USB SIE（串口引擎），也可以是集成的μP/USB芯片或與USB收發(fā)器相連的ASIC。為總線(xiàn)提供電源的外部設備需要一路3.3V穩壓輸出供電電壓，以便為邏輯電路和連接在D+、D-引腳的1500Ω電阻提供電源。通過(guò)D+、D-引腳上的上拉電阻可向主機發(fā)出設備已連接的信號，并指示設備的工作速度。電阻上拉至D+表示全速運行，電阻上拉至D-表示低速運行。其它端點(diǎn)（包括D+和D-的15kΩ下拉電阻）用于檢測上拉電阻的狀態(tài)。由于USB設計需要提供熱插拔功能。因此，其ESD保護電路主要用于為D+、D-和VBUS引腳提供保護。

為了增加OTG的兩用功能，必須擴充收發(fā)器功能來(lái)使OTG設備既可作為主機使用，也可以作為外設使用。而要實(shí)現上述功能，就需要在圖3所示電路中添加D+和D-端的15kΩ下拉電阻并為VBUS提供供電電源。此外，收發(fā)器還需要具備以下三個(gè)條件：

（1）可切換D+/D-線(xiàn)上的上拉和下拉電阻，以提供外設和主機功能。

（2）作為A設備時(shí)，需要具有VBUS監視和供電電路；作為B設備初始化SRP時(shí)，需要監視和觸發(fā)VBUS。

（3）具有ID輸入引腳。

作為兩用OTG設備，ASIC、DSP或其它與收發(fā)器連接的電路必須具備充當外設和主機的功能，并應按照HNP協(xié)議轉換其角色。

收發(fā)器所需添加的大多數電路用于VBUS引腳的管理。作為主機，它必須能夠提供5V、輸出電流可達8mA的電源。圖3中的模擬開(kāi)關(guān)用于配置收發(fā)器的各種功能。

ASIC和控制器還必須包含USB主機邏輯控制功能，包括發(fā)送SOF（幀啟動(dòng)）包、發(fā)送配置u36755輸入u36755輸出數據包，在USB 1 msec幀內確定傳輸進(jìn)程、發(fā)送USB復位信號、提供USB電源管理等。

3 Maxim要提供的USB OTG方案

MAX3301E是Maxim公司研制的一款USB OTG收發(fā)器，該器件集成有電荷泵，可將PDA、蜂窩電話(huà)和數碼相機等移動(dòng)設備與USB外設直接連接而無(wú)需PC機的參與。采用MAX3301E和一個(gè)嵌入式USB主機，就可直接將諸如打印機或外部硬盤(pán)驅動(dòng)器這樣的外設連接。MAX3301E內部包括USB OTG收發(fā)器、UBUS電荷泵、線(xiàn)性穩壓器和I2C 2線(xiàn)串行接口。內部電平轉換器使MAX3301E能夠與采用+1.65至+3.6V邏輯電源電壓的器件連接。MAX3301E中的電荷泵工作在+3V至+4.5V輸入電源下，可產(chǎn)生符合OTG要求的VBUS輸出，且輸出電流大于8mA。該器件可利用內部比較器控制并測量VBUS，同時(shí)支持USB OTG SRP和HNP，其典型應用電路如圖4所示。