電池供電的IoT世界中的USB連接

　　在過(guò)去的十年中，通用串行總線(xiàn)(USB)標準由于具備易于使用、即插即用的功能性和可靠性，因此被眾多工業(yè)和消費電子產(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)化控制外設和傳輸數據的方法。隨著(zhù)超過(guò)三十億個(gè)USB使能的設備進(jìn)入市場(chǎng)，USB不僅是消費類(lèi)應用中增長(cháng)最快的接口，在工業(yè)市場(chǎng)也取得了顯著(zhù)的增長(cháng)。

　　然而，USB易于使用、即插即用的功能性和可靠性對于嵌入式解決方案設計人員來(lái)說(shuō)，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)。對于小型、便攜設備來(lái)說(shuō)，添加USB作為通信接口至少要增加一倍的應用電流消耗，并且致使設備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)施。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(這使得它不再那么具有吸引力)、或者消減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)樯踔猎试SIoT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)二十世紀九十年代末生產(chǎn)的臺式電腦的背面，你會(huì )一眼就能認出為連接不同類(lèi)型的硬件到計算機而出現的眾多標準。這些連接標準包括5針的DIN、PS/2、串口、并口、也許也有一兩個(gè)SCSI(“scuzzy”)端口，如果你是一個(gè)游戲玩家，你還會(huì )在聲卡上有一個(gè)游戲端口。

　　USB的早期開(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。在二十世紀九十年代末，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。只要看看你的筆記本電腦和手機就能明白USB標準是多么的成功。你的智能手機只有一個(gè)連接器接口：USB。如果你在2010年以后購買(mǎi)了筆記本電腦，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，用于當今筆記本電腦和平板電腦的觸摸板、鍵盤(pán)和其他外設都通過(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者桌面PC。設備是連接到主機的下游設備，簡(jiǎn)單的響應主機的任何請求;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，并且如果設備支持，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，并且它們一直都是通過(guò)墻壁插座獲得電源。這個(gè)USB標準需求，極大的限制了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)足當今的電池供電的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?

　　對于當今USB硬件的影響

　　在當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電池容量和需要支持兩天(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，包括從傳感器采集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，并且電池容量也得到提高，因此我們看到便攜式設備的爆發(fā)性增長(cháng)，這些便攜式設備包括從手持風(fēng)速表和示波器到數字呼吸測醉器和遙控器。然而，隨著(zhù)擁有四個(gè)千兆赫茲內核處理器的智能手機的出現，我們現在看到更多便攜式設備以智能手機配件的形式出現，制造商不再擔心處理能力或用戶(hù)界面方面的問(wèn)題。這種市場(chǎng)趨勢正推動(dòng)低價(jià)配件的快速增長(cháng)，例如獲得Kickstarter募資支持、可用于智能手機的Vaavud風(fēng)速表，以及可插進(jìn)iPhone中的呼吸測醉器，這兩個(gè)應用都使用HiJack接口，這種特殊接口可以工作在低端設備，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也允許你的設計產(chǎn)品做到無(wú)主機限制(host-agnostic)，這意味著(zhù)如果你想讓產(chǎn)品既能支持Mac、Windows手機又能支持Android平板，這都將不再是問(wèn)題。然而，當你想通過(guò)USB連接這些小配件到你的電池供電的日常用品時(shí)，你在原始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。你不想僅僅為了與板上外設通信而浪費平板電腦或筆記本電腦的寶貴電池壽命，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)選擇正確的USB使能的硬件，你將能夠開(kāi)發(fā)出消耗能量極少的設備，同時(shí)通用M2M接口也得以消除幾乎所有的外部器件。

　用于電池供電世界中的USB技術(shù)

　　為了解USB技術(shù)如何改善功耗又保持易于使用和即插即用的功能性，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)送保持激活消息給設備。如果設備有可用數據，它會(huì )響應。在這種活動(dòng)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響應任何請求。當主機停止發(fā)送這些保持激活消息達到3ms時(shí)，設備應當進(jìn)入掛起狀態(tài)并且立即消減它的電流消耗到3mA以下。

　　在掛起狀態(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部件。即使現代的MCU能夠輕松實(shí)現3mA的掛起電流，我們也沒(méi)有理由保持在那么高的狀態(tài)。帶有良好能源模式的MCU應當能夠在這種模式下實(shí)現小于3μA的電流消耗，包括PHY的電流消耗。

　　然而，在活動(dòng)模式中，當檢測一個(gè)常規鍵盤(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，當主機請求設備響應時(shí)，響應必須及時(shí);這是為什么大多數實(shí)現保持USB外設一直運行在48MHz去允許足夠的響應時(shí)間。在這個(gè)特別的例子中，97%的時(shí)間是空閑的，即使我們進(jìn)行了枚舉和激活。

　　一個(gè)為電池供電應用而優(yōu)化的USB應用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)鐘、需要多長(cháng)時(shí)間、哪些其他USB部件能夠關(guān)閉。Silicon Labs公司目前擁有兩項正在申請中的專(zhuān)利技術(shù)，并獲得制造商和客戶(hù)反饋，使得USB接口在當今電池供電IoT設備中真正有用武之地。即使在活動(dòng)模式，高能效的通信也能夠通過(guò)使用免晶體USB振蕩器和關(guān)閉包通信之間的耗電USB連接部件而實(shí)現，如圖1所示。這種創(chuàng )新的方法極大的降低了系統級能耗，并且創(chuàng )建出真正通用的、可提供優(yōu)異能效的M2M接口。

　　圖1：帶有低能耗模式(LEM，low-energy mode)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接口部件。

　　當然，對開(kāi)發(fā)人員和終端用戶(hù)來(lái)說(shuō)低能耗USB應實(shí)現于無(wú)形之中。通過(guò)低能耗模式(LEM)，降低功耗是十分明顯的，如圖2所示。當這種技術(shù)與其他空間和成本節省特性(例如免晶體USB應用和時(shí)鐘恢復)相結合時(shí)，開(kāi)發(fā)人員能夠實(shí)現真正的超低功耗通用M2M接口，并且不需要額外器件。

　　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。通過(guò)LEM技術(shù)，收發(fā)器能夠保持在類(lèi)似掛起的低電流模式。

　　總結

　　USB接口已經(jīng)從一個(gè)減少傳統桌面PC上雜亂線(xiàn)纜連接的簡(jiǎn)單需求，發(fā)展成為消費電子設備接口的標準。USB使能的便攜式設備的普及已經(jīng)迫使集成的USB外設提供新的設計要求。

　　新的智能USB硬件使得成本和功耗減少，并延長(cháng)了電池使用壽命。當與免晶體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、節能。

　　作者：Silicon Labs公司32位MCU產(chǎn)品經(jīng)理Alf Petter Syvertsen