一文詳解電池供電世界中的USB技術(shù)

在過(guò)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(fèi)電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)人員作為連接其他應(yīng)用的首選接口。USB已實(shí)現(xiàn)其主要目標(biāo)，即提供消費(fèi)者簡(jiǎn)化控制外設(shè)和傳輸數(shù)據(jù)的方法。隨著超過(guò)三十億個(gè)USB使能的設(shè)備進(jìn)入市場(chǎng)，USB不僅是消費(fèi)類應(yīng)用中增長(zhǎng)最快的接口，在工業(yè)市場(chǎng)也取得了顯著的增長(zhǎng)。

然而，USB易于使用、即插即用的功能性和可靠性對(duì)于嵌入式解決方案設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)功耗敏感、電池供電的連接設(shè)備產(chǎn)品時(shí)。對(duì)于小型、便攜設(shè)備來(lái)說(shuō)，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(jí)到廣受歡迎的USB接口，通常會(huì)由于功耗預(yù)算的限制而變得難以實(shí)施。一般情況下，設(shè)計(jì)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(lái)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(mèng)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(jìn)技術(shù)。

USB簡(jiǎn)史

如果你曾經(jīng)研究過(guò)二十世紀(jì)九十年代末生產(chǎn)的臺(tái)式電腦的背面，你會(huì)一眼就能認(rèn)出為連接不同類型的硬件到計(jì)算機(jī)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(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(shí)到了這種紛亂的連接狀況，并在1995年開(kāi)始創(chuàng)造一種機(jī)器對(duì)機(jī)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(jì)九十年代末，當(dāng)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(jī)就能明白USB標(biāo)準(zhǔn)是多么的成功。你的智能手機(jī)只有一個(gè)連接器接口：USB。如果你在2010年以后購(gòu)買(mǎi)了筆記本電腦，便會(huì)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(pán)和其他外設(shè)都通過(guò)USB與主處理器通信。

USB標(biāo)準(zhǔn)的拓?fù)溥B接分為設(shè)備（device）和主機(jī)（host）。主機(jī)是發(fā)起通信并提供電源的機(jī)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(jī)的下游設(shè)備，簡(jiǎn)單的響應(yīng)主機(jī)的任何請(qǐng)求;在桌面上，鼠標(biāo)和鍵盤(pán)就是常見(jiàn)的USB設(shè)備。

關(guān)于USB連接器的獨(dú)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(pán)驅(qū)動(dòng)器增加額外的電源。USB標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定主機(jī)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(lái)自最初的USB標(biāo)準(zhǔn)，PC幾乎總是作為主機(jī)，并且它們一直都是通過(guò)墻壁插座獲得電源。這個(gè)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(duì)PC應(yīng)用來(lái)說(shuō)，主電源供應(yīng)并不成問(wèn)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(shí)，會(huì)發(fā)生什么？當(dāng)主機(jī)也是一個(gè)便攜式設(shè)備時(shí)，又有什么影響呢？

對(duì)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(jiàn)的術(shù)語(yǔ)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(jì)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(yīng)用中，功率預(yù)算大約為5mA。這個(gè)功率預(yù)算必須分布在開(kāi)發(fā)人員所希望設(shè)備做的每一項(xiàng)功能上，包括從傳感器采集和處理到通信和驅(qū)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(shè)備的爆發(fā)性增長(zhǎng)，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(cè)醉器和遙控器。然而，隨著擁有四個(gè)千兆赫茲內(nèi)核處理器的智能手機(jī)的出現(xiàn)，我們現(xiàn)在看到更多便攜式設(shè)備以智能手機(jī)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(wèn)題。這種市場(chǎng)趨勢(shì)正推動(dòng)低價(jià)配件的快速增長(zhǎng)，例如獲得Kickstarter募資支持、可用于智能手機(jī)的Vaavud風(fēng)速表，以及可插進(jìn)iPhone中的呼吸測(cè)醉器，這兩個(gè)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(jì)一個(gè)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(jì)產(chǎn)品做到無(wú)主機(jī)限制（host-agnostic），這意味著如果你想讓產(chǎn)品既能支持Mac、Windows手機(jī)又能支持Android平板，這都將不再是問(wèn)題。然而，當(dāng)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(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(wèn)題。你不想僅僅為了與板上外設(shè)通信而浪費(fèi)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(jì)出一個(gè)會(huì)快速耗盡智能手機(jī)電池電量的配件應(yīng)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(shè)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(jī)能夠發(fā)起傳輸。即使沒(méi)有通信，主機(jī)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(huì)響應(yīng)。在這種活動(dòng)模式下，設(shè)備可獲得高達(dá)100mA的能量，并且主機(jī)預(yù)期設(shè)備能夠立即響應(yīng)任何請(qǐng)求。當(dāng)主機(jī)停止發(fā)送這些保持激活消息達(dá)到3ms時(shí)，設(shè)備應(yīng)當(dāng)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(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(shí)現(xiàn)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(yīng)當(dāng)能夠在這種模式下實(shí)現(xiàn)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(dāng)檢測(cè)一個(gè)常規(guī)鍵盤(pán)設(shè)備的USB通信時(shí)，主動(dòng)模式不是十分有效的;大多數(shù)時(shí)候，設(shè)備僅僅等待主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。然而，當(dāng)主機(jī)請(qǐng)求設(shè)備響應(yīng)時(shí)，響應(yīng)必須及時(shí);這是為什么大多數(shù)實(shí)現(xiàn)保持USB外設(shè)一直運(yùn)行在48MHz去允許足夠的響應(yīng)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(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(shí)需要時(shí)鐘、需要多長(zhǎng)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(xiàng)正在申請(qǐng)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(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(xiàn)，如圖1所示。這種創(chuàng)新的方法極大的降低了系統(tǒng)級(jí)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)傳輸總線的有效信號(hào)表明了何時(shí)關(guān)閉耗電的USB接口部件。

當(dāng)然，對(duì)開(kāi)發(fā)人員和終端用戶來(lái)說(shuō)低能耗USB應(yīng)實(shí)現(xiàn)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(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(shí)鐘恢復(fù)）相結(jié)合時(shí)，開(kāi)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。

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(fèi)3-5mA。通過(guò)LEM技術(shù)，收發(fā)器能夠保持在類似掛起的低電流模式。

總結(jié)

USB接口已經(jīng)從一個(gè)減少傳統(tǒng)桌面PC上雜亂線纜連接的簡(jiǎn)單需求，發(fā)展成為消費(fèi)電子設(shè)備接口的標(biāo)準(zhǔn)。USB使能的便攜式設(shè)備的普及已經(jīng)迫使集成的USB外設(shè)提供新的設(shè)計(jì)要求。

新的智能USB硬件使得成本和功耗減少，并延長(zhǎng)了電池使用壽命。當(dāng)與免晶體USB技術(shù)相結(jié)合時(shí)，廣泛使用的USB標(biāo)準(zhǔn)將使得所有可連接設(shè)備變得更加智能、可連接、節(jié)能。