電池供電的IoT世界中的USB連接

作者：Alf Petter Syvertsen 時間：2015-12-17 來源：網(wǎng)絡(luò)

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　　在過去的十年中，通用串行總線(USB)標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計人員作為連接其他應(yīng)用的首選接口。USB已實現(xiàn)其主要目標(biāo)，即提供消費者簡化控制外設(shè)和傳輸數(shù)據(jù)的方法。隨著超過三十億個USB使能的設(shè)備進入市場，USB不僅是消費類應(yīng)用中增長最快的接口，在工業(yè)市場也取得了顯著的增長。

本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/284515.htm

　　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(shè)計人員來說，并非完全不需要付出代價，特別是如果他們正在為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計功耗敏感、電池供電的連接設(shè)備產(chǎn)品時。對于小型、便攜設(shè)備來說，添加USB作為通信接口至少要增加一倍的應(yīng)用電流消耗，并且致使設(shè)備需要比原先預(yù)期更大的電池。

　　從傳統(tǒng)的串行接口通信升級到廣受歡迎的USB接口，通常會由于功耗預(yù)算的限制而變得難以實施。一般情況下，設(shè)計人員不得不在增加雙倍電池容量和增加設(shè)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。下面讓我們來看看USB標(biāo)準(zhǔn)如何從為所有PC連接提供標(biāo)準(zhǔn)化的夢想，演變?yōu)樯踔猎试SIoT小型電池供電設(shè)備與任何其他設(shè)備通信的最先進技術(shù)。

　　USB簡史

　　如果你曾經(jīng)研究過二十世紀九十年代末生產(chǎn)的臺式電腦的背面，你會一眼就能認出為連接不同類型的硬件到計算機而出現(xiàn)的眾多標(biāo)準(zhǔn)。這些連接標(biāo)準(zhǔn)包括5針的DIN、PS/2、串口、并口、也許也有一兩個SCSI(“scuzzy”)端口，如果你是一個游戲玩家，你還會在聲卡上有一個游戲端口。

　　USB的早期開發(fā)人員意識到了這種紛亂的連接狀況，并在1995年開始創(chuàng)造一種機器對機器(M2M)的通用標(biāo)準(zhǔn)，以取代所有其他接口標(biāo)準(zhǔn)。在二十世紀九十年代末，當(dāng)USB第一次被采用時，它只是作為“另一種連接器”加入到PC。然而，在2000年起USB開始迅速發(fā)展，并在經(jīng)過一系列的更新后，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(biāo)準(zhǔn)是多么的成功。你的智能手機只有一個連接器接口：USB。如果你在2010年以后購買了筆記本電腦，便會發(fā)現(xiàn)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(dāng)今筆記本電腦和平板電腦的觸摸板、鍵盤和其他外設(shè)都通過USB與主處理器通信。

　　USB標(biāo)準(zhǔn)的拓撲連接分為設(shè)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(shè)備是連接到主機的下游設(shè)備，簡單的響應(yīng)主機的任何請求;在桌面上，鼠標(biāo)和鍵盤就是常見的USB設(shè)備。

　　關(guān)于USB連接器的獨特之處是它也可以為連接的設(shè)備供電，因此不需要為你的鼠標(biāo)或外接硬盤驅(qū)動器增加額外的電源。USB標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定主機至少輸出100mA的電流給設(shè)備，并且如果設(shè)備支持，它有可能獲得500mA電流。這些供電能力來自最初的USB標(biāo)準(zhǔn)，PC幾乎總是作為主機，并且它們一直都是通過墻壁插座獲得電源。這個USB標(biāo)準(zhǔn)需求，極大的限制了USB在低功耗應(yīng)用上的發(fā)展，盡管對PC應(yīng)用來說，主電源供應(yīng)并不成問題。

　　但是，當(dāng)這種成熟的M2M接口要滿足當(dāng)今的電池供電的IoT世界時，會發(fā)生什么?當(dāng)主機也是一個便攜式設(shè)備時，又有什么影響呢?

　　對于當(dāng)今USB硬件的影響

　　在當(dāng)今的便攜式設(shè)備應(yīng)用中，最常見的術(shù)語是“功率預(yù)算”。功率預(yù)算決定設(shè)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，在一個有250mA電池容量和需要支持兩天(48小時)電池使用壽命的應(yīng)用中，功率預(yù)算大約為5mA。這個功率預(yù)算必須分布在開發(fā)人員所希望設(shè)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(qū)動顯示。

　　在過去的二、三十年間，微控制器(MCU)變得越來越小，并且電池容量也得到提高，因此我們看到便攜式設(shè)備的爆發(fā)性增長，這些便攜式設(shè)備包括從手持風(fēng)速表和示波器到數(shù)字呼吸測醉器和遙控器。然而，隨著擁有四個千兆赫茲內(nèi)核處理器的智能手機的出現(xiàn)，我們現(xiàn)在看到更多便攜式設(shè)備以智能手機配件的形式出現(xiàn)，制造商不再擔(dān)心處理能力或用戶界面方面的問題。這種市場趨勢正推動低價配件的快速增長，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iPhone中的呼吸測醉器，這兩個應(yīng)用都使用HiJack接口，這種特殊接口可以工作在低端設(shè)備，但并不是最佳接口。

　　為了設(shè)計一個真正通用并好用的便攜式設(shè)備，你應(yīng)當(dāng)選擇最合適的M2M接口，例如USB。選擇USB也允許你的設(shè)計產(chǎn)品做到無主機限制(host-agnostic)，這意味著如果你想讓產(chǎn)品既能支持Mac、Windows手機又能支持Android平板，這都將不再是問題。然而，當(dāng)你想通過USB連接這些小配件到你的電池供電的日常用品時，你在原始USB標(biāo)準(zhǔn)中從不關(guān)心的“功耗”突然成為了選擇USB解決方案的優(yōu)先考慮問題。你不想僅僅為了與板上外設(shè)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(shè)計出一個會快速耗盡智能手機電池電量的配件應(yīng)用產(chǎn)品。

　　通過選擇正確的USB使能的硬件，你將能夠開發(fā)出消耗能量極少的設(shè)備，同時通用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的通信過程。一般情況下，僅有主機能夠發(fā)起傳輸。即使沒有通信，主機也要每毫秒發(fā)送保持激活消息給設(shè)備。如果設(shè)備有可用數(shù)據(jù)，它會響應(yīng)。在這種活動模式下，設(shè)備可獲得高達100mA的能量，并且主機預(yù)期設(shè)備能夠立即響應(yīng)任何請求。當(dāng)主機停止發(fā)送這些保持激活消息達到3ms時，設(shè)備應(yīng)當(dāng)進入掛起狀態(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(shè)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(xiàn)代的MCU能夠輕松實現(xiàn)3mA的掛起電流，我們也沒有理由保持在那么高的狀態(tài)。帶有良好能源模式的MCU應(yīng)當(dāng)能夠在這種模式下實現(xiàn)小于3μA的電流消耗，包括PHY的電流消耗。

　　然而，在活動模式中，當(dāng)檢測一個常規(guī)鍵盤設(shè)備的USB通信時，主動模式不是十分有效的;大多數(shù)時候，設(shè)備僅僅等待主機發(fā)送數(shù)據(jù)。然而，當(dāng)主機請求設(shè)備響應(yīng)時，響應(yīng)必須及時;這是為什么大多數(shù)實現(xiàn)保持USB外設(shè)一直運行在48MHz去允許足夠的響應(yīng)時間。在這個特別的例子中，97%的時間是空閑的，即使我們進行了枚舉和激活。

　　一個為電池供電應(yīng)用而優(yōu)化的USB應(yīng)用把這些功耗管理因素考慮在內(nèi)，并且十分確定何時需要時鐘、需要多長時間、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利技術(shù)，并獲得制造商和客戶反饋，使得USB接口在當(dāng)今電池供電IoT設(shè)備中真正有用武之地。即使在活動模式，高能效的通信也能夠通過使用免晶體USB振蕩器和關(guān)閉包通信之間的耗電USB連接部件而實現(xiàn)，如圖1所示。這種創(chuàng)新的方法極大的降低了系統(tǒng)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)鍵盤傳輸總線的有效信號表明了何時關(guān)閉耗電的USB接口部件。

　　當(dāng)然，對開發(fā)人員和終端用戶來說低能耗USB應(yīng)實現(xiàn)于無形之中。通過低能耗模式(LEM)，降低功耗是十分明顯的，如圖2所示。當(dāng)這種技術(shù)與其他空間和成本節(jié)省特性(例如免晶體USB應(yīng)用和時鐘恢復(fù))相結(jié)合時，開發(fā)人員能夠?qū)崿F(xiàn)真正的超低功耗通用M2M接口，并且不需要額外器件。