高速USB OTG——便攜設(shè)備絕佳的互連解決方案

電子產(chǎn)品在挑戰(zhàn)尺寸、容量、處理速度與便利性的同時(shí)，也考驗(yàn)著研發(fā)人員的設(shè)計(jì)能力。過(guò)去USB接口的單向傳輸方式已很難適應(yīng)現(xiàn)在便攜式電子產(chǎn)品所需要的強(qiáng)大功能，市場(chǎng)需要的是讓便攜設(shè)備直接互連的雙向連接方式。USB OTG的出現(xiàn)解決了這一問(wèn)題。

便攜設(shè)備如何相互溝通

隨著便攜設(shè)備的功能和數(shù)據(jù)容量的提升，使用者也開始希望其能與其他便攜式與非便攜設(shè)備共享信息，但是掌上型設(shè)備的數(shù)據(jù)輸入及顯示較為不易。因?yàn)轶w積小，便攜設(shè)備通常沒(méi)有實(shí)用的接口，只有一個(gè)小屏幕和有限的按鍵。

便攜設(shè)備存在的另一個(gè)問(wèn)題是“需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量”。以一臺(tái)數(shù)碼相機(jī)為例，其存儲(chǔ)容量可高達(dá)數(shù)百兆。此外，數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞揭灿泻芏?，手機(jī)用戶可能會(huì)想將手機(jī)連接到PC，下載原先儲(chǔ)存的信息；有時(shí)需要和其他手機(jī)聯(lián)機(jī)，互傳電話號(hào)碼；或者需要和數(shù)碼相機(jī)聯(lián)機(jī)，上傳所拍攝的照片；當(dāng)然有時(shí)還必須連接到PDA并使用其無(wú)線網(wǎng)絡(luò)功能。

無(wú)奈手機(jī)等便攜設(shè)備體積太小，沒(méi)有空間為各種連機(jī)類型提供專屬的接頭，而且便攜設(shè)備的市場(chǎng)對(duì)成本相當(dāng)敏感，想要提供這么多的接頭，會(huì)導(dǎo)致成本過(guò)高。由此看來(lái)，我們需要一種便宜、普及、使用容易、傳輸速率高的

圖1  標(biāo)準(zhǔn)的USB連接架構(gòu)

標(biāo)準(zhǔn)的USB連機(jī)需要一個(gè)主端（host），這個(gè)主端通常是PC。如果想把儲(chǔ)存在某個(gè)外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸?shù)搅硪粋€(gè)外圍設(shè)備，唯一的方法是通過(guò)主端來(lái)中介傳輸，如圖1所示。例如，想要將數(shù)碼相機(jī)的照片打印出來(lái)，必須先將照片上傳到主端，再?gòu)闹鞫藗魉偷酱蛴C(jī)。為什么不在便攜設(shè)備里加入主端功能呢？USB是一種主從架構(gòu)的通信協(xié)議，原先是給一個(gè)主端搭配多個(gè)外圍設(shè)備的應(yīng)用方式設(shè)計(jì)的，因此USB連機(jī)的操控管理，多半是仰賴主端。如果要將整套USB規(guī)格的主端控管邏輯全部建構(gòu)在一個(gè)便攜設(shè)備中，對(duì)于著重功能簡(jiǎn)便的便攜設(shè)備而言，會(huì)造成很大的負(fù)擔(dān)。而且USB傳輸線具有方向性，插入主端的接頭和插入外圍設(shè)備的接頭并不相同。

以便攜設(shè)備而言，有時(shí)候必須擔(dān)任主端的角色，例如，數(shù)碼相機(jī)傳送照片給打印機(jī)；而有時(shí)候則必須擔(dān)任外圍設(shè)備的角色，例如，數(shù)碼相機(jī)將照片上傳至PC，如圖2所示。雖然USB的專用接頭體積不大，但如果要建構(gòu)于小巧的便攜設(shè)備之中，可能還是過(guò)于龐大。USB架構(gòu)認(rèn)定主端具備充足的電源，可為聯(lián)機(jī)的外圍設(shè)備提供電力，有些設(shè)備甚至全部的電力都是來(lái)自USB總線的。這樣的供電架構(gòu)，對(duì)于一些電力有限的小型便攜設(shè)備而言，會(huì)造成難以承受的負(fù)擔(dān)。USB OTG補(bǔ)充規(guī)格中最重要的改變就是擴(kuò)充了原先的USB協(xié)議，提供更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)碾娫垂芾砉δ?，并允許電子設(shè)備擔(dān)任主端角色或外圍角色。

圖2  USB OTG的連接架構(gòu)

雙重角色設(shè)備

“雙重角色設(shè)備（Dual-Role Device）”既可擔(dān)任主端角色、亦可擔(dān)任外圍的電子設(shè)備角色。除了要符合USB 2.0標(biāo)準(zhǔn)的所有要求之外，“雙重角色設(shè)備”還必須提供有限的主端功能，并支持“事務(wù)請(qǐng)求協(xié)議（SRP）”以及“主端協(xié)商協(xié)議（HNP）”，而且應(yīng)具備單一Mini-AB插槽。此外，這種設(shè)備必須能傳送信息給使用者。當(dāng)“雙重角色設(shè)備”處于主端模式運(yùn)作時(shí)，VBUS只需要供應(yīng)8mA的電流，這個(gè)規(guī)格有別于標(biāo)準(zhǔn)USB主端的100mA或500mA要求。

主端協(xié)商協(xié)議

當(dāng)“雙重角色設(shè)備”連接了一個(gè)Mini-A或Mini-B插頭時(shí)，它相應(yīng)的便以O(shè)TG主機(jī)或外設(shè)的默認(rèn)方式工作。A設(shè)備為默認(rèn)主端，所以由它提供VBUS電源，且在檢測(cè)到有設(shè)備接入時(shí)復(fù)位總線、列舉并配置B設(shè)備。

A設(shè)備在完成對(duì)B設(shè)備的使用后，可以通過(guò)查詢B設(shè)備的OTG性能描述符來(lái)判斷是否支持HNP（即是否為“雙重角色設(shè)備”）。如支持HNP，B設(shè)備將返回有效的OTG性能描述符，A設(shè)備則產(chǎn)生一個(gè)Set_feature命令（即HNP_Enable）來(lái)通知B設(shè)備可以在總線掛起的時(shí)候以主端方式工作，隨后A設(shè)備掛起總線。

B設(shè)備通過(guò)上拉電阻（全速時(shí)）或者下拉電阻（高速時(shí)）拉低D+（數(shù)據(jù)線上拉電阻）以示連接斷開。隨后，作為對(duì)B設(shè)備斷開的響應(yīng)，A設(shè)備使能它的數(shù)據(jù)線并開始以從端方式工作。完成這些轉(zhuǎn)換后，B設(shè)備和A設(shè)備便各自以主機(jī)角色和外設(shè)角色使用總線。如果該B設(shè)備屬于“雙重角色設(shè)備”且A設(shè)備不再使用它了，A設(shè)備便重發(fā)Set_feature命令并掛起總線。若B設(shè)備申請(qǐng)角色轉(zhuǎn)換時(shí)出錯(cuò)，A設(shè)備則拉低VBUS以結(jié)束該事務(wù)。當(dāng)B設(shè)備正常結(jié)束傳輸事務(wù)時(shí)便掛起VBUS使能其上拉電阻，重新以從端方式運(yùn)行。A設(shè)備檢測(cè)到總線掛起后，發(fā)出一個(gè)連接斷開信號(hào)并重新以主機(jī)方式工作。