從樹莓派4 USB-C設(shè)計(jì)失誤 看嵌入式系統(tǒng)的接口升級(jí)

近日，樹莓派4 Model B（樹莓派4B）正式發(fā)布，從處理能力，通信方式，對(duì)外接口都進(jìn)行了全方位的升級(jí)，為嵌入式開發(fā)者帶來了福音。收到貨后，不少開發(fā)者懷著激動(dòng)的心情開始嘗試使用，結(jié)果卻發(fā)現(xiàn)USB-C接口在設(shè)計(jì)規(guī)范性上出現(xiàn)了嚴(yán)重的問題。

帶USB-C接口的樹莓派4

經(jīng)過實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)，樹莓派4上面的這個(gè)USB-C接口，其CC1和CC2是連接在一起的，并共用了一顆5.1k的電阻下拉到地。

這個(gè)設(shè)計(jì)看似非常巧妙，USB-C接口的控制做到了極致簡單，只需要一顆5.1k下拉電阻。當(dāng)外接的USB-C 數(shù)據(jù)線是不帶Emark芯片的情況下，一起都可以正常工作。

因?yàn)檫@類USB-C數(shù)據(jù)線的CC2是懸空的，只有CC1有連接到對(duì)端，所以，這種數(shù)據(jù)線跟樹莓派4B的USB-C接口母座一連起來，就非常好的符合了Sink端的設(shè)計(jì)規(guī)范，即CC1上，有一個(gè)5.1k的電阻下拉到地。

樹莓派4B在使用不帶Emark 芯片的連接線時(shí)的連接情況

但是，USB TYPE-C規(guī)范里面，還規(guī)定了一種帶Emark 芯片的數(shù)據(jù)線(Cable)，這種數(shù)據(jù)線的CC2上，有一個(gè)1K的下拉電阻，用來告知DFP端的CC識(shí)別芯片，需要往CC2上提供VCONN Source。

一旦跟這樣的數(shù)據(jù)線連接起來，樹莓派4 Model B就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重問題，因?yàn)镃C1和CC2連接起來后，會(huì)跟數(shù)據(jù)線上的1K到地電阻并聯(lián)，形成一個(gè)比1k電阻還小的阻抗，從而滿足了USB-C規(guī)范中Audio Adapter Accessory Mode的連接規(guī)范，被電源端誤認(rèn)為是一個(gè)模擬耳機(jī)設(shè)備，從而拒絕供電。

樹莓派4B在使用帶Emark 芯片的連接線時(shí)的連接情況

通過上圖我們可以看到，Emark連接線上的1k電阻會(huì)導(dǎo)致，CC1建立失敗，1k電阻和5.1k電阻的并聯(lián)，會(huì)導(dǎo)致樹莓派4B被認(rèn)為是一個(gè)Audio Adapter Accessory Mode。

解決這個(gè)問題的方法也很簡單，只需要在CC1和CC2上各接一個(gè)5.1K電阻到地，互相獨(dú)立就行了。

樹莓派4B在USB-C接口上的設(shè)計(jì)，其實(shí)屬于入門級(jí)設(shè)計(jì)，因?yàn)檫@個(gè)接口僅僅用來進(jìn)行5V供電和一個(gè)USB2.0通信而已，并無復(fù)雜的音視頻及USB 3.0功能。

在實(shí)際的嵌入式開發(fā)中，一個(gè)USB-C接口的功能，可能遠(yuǎn)不止于此。下面我們就大功率供電供電、高速信號(hào)傳輸、雙C口DRP控制三點(diǎn)進(jìn)行闡述。

第一， 需要使用USB-C接口來獲得9V/12V/15V/20V的供電電壓。

很多嵌入式系統(tǒng)具有非常復(fù)雜的功能，僅僅5V的供電，是無法滿足要求的。那么這個(gè)時(shí)候，只是通過在CC1和CC2上單獨(dú)設(shè)置5.1k下拉電阻，就不夠了，而是必須使用USB PD控制芯片，最好是能夠靈活配置各種電壓的USB PD控制芯片，例如LDR6015和LDR6021就可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。

某些系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，甚至希望USB PD控制芯片自動(dòng)去判斷適配器的最高功率檔，讓電源適配器直接供應(yīng)最高功率給嵌入式系統(tǒng)，這個(gè)時(shí)候，就可以使用LDR6015Max，可以不需要任何的控制，直接獲得最高功率。

第二， 需要使用USB-C接口進(jìn)行高速視頻信號(hào)傳輸?shù)膽?yīng)用開發(fā)。

USB-C接口，可以同時(shí)支持10G/b的USB 3.1Gen2數(shù)據(jù)傳輸和4K高清視頻傳輸。但是要讓Sink端進(jìn)入DP ALT mode，這個(gè)是吧必須使用一顆USB PD Controller，例如LDR6282等。

這類USB PD控制芯片，充當(dāng)?shù)氖且粋€(gè)交通管理員的角色，通過USB PD通信，對(duì)USB-C數(shù)據(jù)線內(nèi)的高速差分對(duì)通路進(jìn)行配置，讓數(shù)據(jù)信號(hào)和視頻信號(hào)適配到合適的差分對(duì)上。

第三， 雙C口DRP功能控制。

很多嵌入式應(yīng)用不僅僅使用單個(gè)USB-C口，還可能會(huì)有兩個(gè)USB-C口，其中一個(gè)C口用于供電，另外一個(gè)C口用于進(jìn)行高速數(shù)據(jù)及視頻信號(hào)傳輸。

但用戶使用過程中，并不確定兩個(gè)中的哪一個(gè)口會(huì)插上電源，或者多媒體設(shè)備，因此需要滿足雙C口盲插識(shí)別和控制，最典型的應(yīng)用是USB-C接口的顯示屏和投影儀。

這就屬于比較復(fù)雜的USB PD控制功能了。目前市面上僅僅有LDR6282可以滿足這個(gè)需求。

用于雙C口DRP控制的USB PD芯片LDR6282

綜上所述，我們可以看出，對(duì)于USB-C接口僅僅用于供電和Debug功能的嵌入式系統(tǒng)，USB-C接口并不需要使用任何芯片控制，通過CC1和CC2各自獨(dú)立下拉一個(gè)5.1k電阻到地即可。對(duì)于需要用到大功率供電或者高清視頻傳輸功能的嵌入式設(shè)計(jì)，則必須要使用USB PD控制芯片。