usb连接在物联网供电设计中的应用场景_USB连接在物联网供电设计中的应用

在过去的十年中，通用串行总线(USB)标准由于其易于使用、即插即用的功能和可用性，已经被许多工业和消费电子产品的设计者用作连接其他应用的优选接口。USB实现了它的主要目标，那就是为消费者提供一种控制外围设备和传输数据的简化方式。随着超过30亿个具有USB接口的电子设备进入市场，USB不仅是消费应用中增长最快的接口，而且在工业市场上也取得了显著的增长。

然而，对于嵌入式解决方案设计师来说，USB易于使用、即插即用的功能和可用性并不是完全免费的，尤其是如果他们正在为物联网设计功率敏感和电池供电的连接设备。对于小型和便携式设备，添加USB作为通信接口将至少使应用电流消耗增加一倍，并需要比最初预期更大的电池。

由于功率预算的限制，从传统的串行接口通信升级到流行的USB接口通常难以实现。一般来说，设计师不得不在电池容量翻倍和增加设备成本(这使其吸引力下降)之间做出选择，或者放弃急需的差异化功能。让我们看看USB标准是如何从为所有PC连接提供标准化的梦想发展到最先进的技术，甚至可以使物联网小型电池供电设备与任何其他设备通信。

USB简史

如果你曾经研究过20世纪90年代后期生产的台式计算机的背面，你可能一眼就能认出连接不同硬件到计算机的许多标准。这些连接标准包括5针DIN、PS/2、串行端口、并行端口，可能还有一个或两个SCSI(“Scuzzy”)通信端口。如果你是游戏玩家，你也会在声卡上有一个游戏连接端口。

早期的USB开发者意识到了这种混乱的连接情况，并于1995年开始创建通用的机器对机器(M2M)标准，以取代所有其他接口标准。90年代末，USB刚被采用的时候，只是作为“另一个连接器”加到PC上。然而，自2000年以来，USB发展迅速，经过一系列的更新，它已经成为最广泛使用的M2M接口之一。只要看看你的笔记本电脑和手机就明白USB标准的成功了。你的智能手机可能只有一个连接接口：USB。如果你买的是2010年以后的笔记本电脑，你会发现它除了显示器和网络接口之外，可能只有一个USB接口。此外，现在的笔记本电脑和平板电脑中使用的触摸板、键盘和其他外围设备通过USB与主处理器通信。

USB标准的拓扑连接分为设备和主机。主机是发起通信并提供电源的机器；在台式机上，通常是您的笔记本电脑或台式机。设备是连接到主机的下游设备，并且简单地响应来自主机的任何请求；在桌面上，鼠标和键盘是常见的USB设备。

USB连接器的独特之处在于，它还可以为连接的设备供电，因此无需为您的鼠标或外部硬盘增加额外的电源。USB标准规定主机至少要输出100mA的电流给设备，设备支持的话可能会得到500mA的电流。这些供电能力来自于最初的USB标准，PC几乎都是作为主机使用，都是通过墙上的插座获取电源。USB标准的这一要求限制了USB在低功耗应用中的发展，虽然对于PC应用来说主电源不是问题。

但是，当这个成熟的M2M接口遇到今天的电池供电的物联网世界时，会发生什么呢？当主机也是便携设备时会有什么影响？

对当今USB硬件的影响

在当今的便携式设备应用中，最常见的术语是“功率预算”。功率预算决定了设备可以消耗多少能量，它是根据电池容量和所需的电池使用寿命计算的。例如，在电池容量为250mA、电池寿命为两天(48小时)的应用中，功率预算约为5mA。这个功耗预算必须分配到开发人员希望设备完成的每个功能上，包括传感器采集和处理、通信和驱动显示。

30年来二、年，微控制器(MCU)越来越小，电池容量也有所提升，所以我们看到了便携设备的爆发式增长，从手持风速计、示波器到数字呼吸酒精检测仪、遥控器。然而，随着采用四核GHz处理器的智能手机的出现，现在可以看到更多的便携式设备以智能手机配件的形式出现，制造商不再担心处理能力或用户界面。这种市场趋势正在推动低成本配件的快速增长，例如Kickstarter的众筹支持，智能手机的Vaavud风速计，以及可以插入iPhone的呼吸酒精检测仪。两个应用都使用劫持接口，可以在低端设备上工作，但不是最好的接口。

为了设计一款真正通用且易于使用的便携设备，你应该选择最合适的M2M接口，比如USB。选择USB还可以让你的设计产品与主机无关，这意味着如果你希望你的产品同时支持Mac和Windows手机以及Android平板电脑，这将不再是一个问题。然而，当你想通过USB将这些小工具连接到电池供电的日常用品时，你在最初的USB标准中从未关心过的“功耗”突然成为选择USB解决方案的优先考虑因素。你不希望仅仅为了与外围设备通信而浪费平板电脑或笔记本电脑宝贵的电池寿命，也不希望设计一个会快速耗尽智能手机电池电量的附属应用产品。

通过正确选择具有USB功能的硬件，我们可以开发出功耗很小的设备，同时，通用的M2M接口可以消除几乎所有的外部元件。

USB技术在电池供电领域的应用

为了理解USB技术如何在保持易用性和即插即用功能的同时改善功耗，我们首先需要快速浏览USB的通信过程。一般来说，只有主机可以发起传输。即使没有通信，主机也会每毫秒向设备发送一次保活信息。如果设备有可用数据，它会做出响应。在这种工作模式下，设备可以获得高达100mA的能量，主机期望设备能够立即响应任何请求。当主机停止发送这些连接信息达3毫秒时，设备应进入暂停状态，并立即将其电流消耗降至3mA以下。

在暂停状态下，大多数设备都可以关闭，通常我们可以关闭最耗能的PHY。就算今天的MCU可以轻松做到3mA的暂停电流，我们也没有理由一直保持这么高的状态。具有良好能量模式的MCU应该能够在该模式下实现小于3A的电流消耗，包括PHY的电流消耗。

但在工作模式下，检测正常键盘设备的USB通信时，主动模式不是很有效；大多数时候，设备只是等待主机发送数据。但是，当主机请求设备响应时，响应必须及时；这就是为什么大多数实现保持USB外设运行在48MHz，以允许足够的响应时间。在这种特殊情况下，百分之九十七的时间是空闲的，即使我们枚举和开始。

针对电池供电应用优化的USB应用需要考虑这些电源管理因素，并确定何时需要时钟以及需要多长时间，以及可以关闭哪些其他USB组件。Silicon Labs目前有两项专利技术正在申请中，并已收到制造商和客户的反馈，使USB接口在当今电池供电的物联网设备中真正有用。即使在工作模式下，也可以通过使用无晶体)USB振荡器并关闭包通信之间的功耗USB连接元件来实现节能通信，如图1所示。这种创新方法大大降低了系统级功耗，并建立了一个真正通用的M2M接口，可以提供出色的能效。

图1:带LEM(低能耗模式)的键盘传输总线有效信号表示何时关闭耗电的USB接口元件。

当然，对于开发者和终端用户来说，低能耗的USB要在无形中实现。通过低能耗模式(LEM)，降低能耗非常明显，如图2所示。当这项技术与其他节省空间和成本的功能(如无晶体USB应用和时钟恢复)相结合时，开发人员可以实现真正的超低功耗通用M2M接口，而无需额外的组件。

图2:典型的USB收发器在空闲时处于“接收”模式，消耗3-5mA。利用LEM技术，收发器可以保持类似暂停的低电流模式。

结论

USB接口已经从简单的要求减少传统台式PC杂乱的线缆连接发展成为消费类电子设备的接口标准。随着具有USB功能的便携式设备的日益普及，集成USB外围设备提出了新的设计要求。

新的智能USB硬件降低了成本和功耗，并延长了电池的使用寿命。当与无晶体USB技术相结合时，广泛使用的USB标准将使所有可连接的设备更加智能、可连接和节能。