物聯網電池供電設備設計中的USB連接

在過去十年中，通用串行總線(USB)標準由于具備易用、隨插即用的功能性和可用性，因此被眾多工業和消費性電子產品的設計人員作為連接其他使用的首選接口。USB已實現其緊要目標，即供應消費者簡化控制周邊設備和傳輸數據的辦法。隨著超過三十億個具備USB接口的電子設備進入市場，USB不僅是消費性使用中成長最快的接口，在工業市場也取得了顯著的成長。

然而關于嵌入式處理方案設計人員而言，USB易用、隨插即用的功能性和可用性并非完全不要付出代價，特別是倘若他們正在為物聯網設計功耗敏感、電池供電的連接設備產品時。對小型、便攜式設備來說，新增USB作為通信接口至少要新增一倍的使用電流消耗，并且要比原先預期更大的電池。

從傳統的串行接口通信升級到廣受歡迎的USB接口，通常會由于功耗預算的限制而變得難以實施。一般情況下，設計人員不得不在新增雙倍電池容量和新增設備成本(這使其不再那么具吸引力)、或舍棄急需的差異化功能之間做出選擇。下面讓我們來看看USB標準要怎么樣從為所有PC連接供應標準化的夢想，演化為甚至可使IoT小型電池供電設備與任何其他設備通信的最先進技術。

USB簡史

倘若你曾經研究過1990年代末期加工的桌上型計算機的背面，你或許一眼就能認出為連接不同硬件到計算機而出現的許多標準。這些連接標準蘊含5引腳的DIN、PS/2、串行端口、并行端口、也許也有一兩個SCSI(scuzzy)通信端口，倘若你是一個游戲玩家，你還會在音效卡上有一個游戲連接端口。

USB早期開發人員意識到了這種紛亂的連接狀況，并在1995年開始創造一種機器對機器(M2M)的通用標準，以取代所有其他接口標準。在1990年代末期，當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開始迅速發展，并在經過一系列的更新后，它成為目前最被廣泛采用的M2M接口之一。只要看看你的筆記型計算機和手機就能明白USB標準的成功。你的智能手機可能惟有一個連接接口：USB。倘若你在2010年以后購買了筆記型計算機，便會發現除了顯示器和網絡連接器之外，它可能只具有USB接口。此外，用于現今筆記本電腦和平板電腦的觸控板、鍵盤和其他周邊設備都透過USB與主解決器通信。

USB標準的拓撲連接分為設備(device)和主機(host)。主機是發起通信并供應電源的機器在桌面上，通常就是你的筆記本電腦或臺式PC。設備是連接到主機的下游設備，簡單的回應主機的任何祈求在桌面上，鼠標和鍵盤就是常見的USB設備。

關于USB連接器的神奇之處是它也可以為連接的設備供電，因此不要為你的鼠標或外接硬盤驅動器新增額外的電源。USB標準規定主機至少輸出100mA的電流給設備，并且倘若設備支援的話，它有可能獲得500mA電流。這些供電能力來自最初的USB標準，PC幾乎總是作為主機，并且它們一直都是透過墻壁插座獲得電源。這個USB標準需求限制了USB在低功耗使用上的發展，盡管對PC使用來說，主電源供應并不成問題。

但是當這種成熟的M2M接口要滿足今日電池供電的IoT世界時，會發生什么?當主機也是一個便攜式設備時，又有哪些影響呢?

關于現今USB硬件的影響

在現今的便攜式設備使用中，最常見的術語是功率預算。功率預算決定設備能夠消耗多少能量，并且它是基于電池容量和所要的電池使用壽命計算出的。例如，在一個有250mA電池容量和要支援兩天(48小時)電池使用壽命的使用中，功率預算約莫為5mA。這個功率預算非得分布在開發人員所希望設備做的每一項功能上，蘊含從傳感器擷取和解決到通信和驅動顯示。

在過去的二、三十年間，微控制器(MCU)變得越來越小，并且電池容量也有所提升，因此我們看到便攜式設備的爆發性成長，這些便攜式設備蘊含從手持風速表和示波器以至于數位呼氣酒測器和遙控器。然而隨著擁有四核心GHz級解決器的智能手機的出現，今朝可看到更多便攜式設備以智能手機配件之形式出現，制造商不再擔心解決能力或使用者接口方面的問題。這種市場趨勢正推動低價配件的快速成長，例如獲得Kickstarter眾籌支援、可用于智能手機的Vaavud風速表，以及可插進iPhone中的呼氣酒測器，這兩個使用都使用HiJack接口，這種特殊接口可以工作于低階設備，但并不是最佳接口。

為了設計一個真正通用并好用的便攜式設備，你應該選擇最適宜的M2M接口，例如USB。選擇USB也能夠使你的設計產品做到無主機限制(host-agnostic)，這表示倘若你想讓產品既能支援Mac、Windows手機又能支援Android平板，這都將不再是問題。然而當你想透過USB連接這些小配件到電池供電的日常用品時，你在原本USB標準中從不關心的功耗猛然成為了選擇USB處理方案的優先考慮問題。你不想僅僅為了與周邊設備通信而浪費平板計算機或筆記型計算機的珍貴電池壽命，并且你也不想設計出一個會快速耗盡智能手機電池電量的配件使用產品。

通過正確選擇具備USB功能的硬件，將能夠開發出耗電極少的設備，同時通用M2M接口也得以消除幾乎所有的外部元件。

用于電池供電范疇中的USB技術

為知道USB技術要怎么樣改善功耗又保持易用和隨插即用的功能性，我們首先要快速瀏覽一下USB的通信過程。一般情況下，僅有主機能夠發起傳輸。即使沒有通信，主機也要每毫秒發送連線(keep-alive)信息給設備。倘若設備有可用數據，它會回應。在這種工作模式下，設備可獲得高達100mA的能量，并且主機預期設備能夠立即回應任何祈求。當主機停止發送這些連線信息達到3ms時，設備應進入暫停狀態并且立即消減它的電流消耗到3mA以下。

在暫停狀態下，大部分設備能被封閉，通常我們能夠封閉最耗能的PHY。即使現今的MCU能夠輕松實現3mA的暫停電流，我們也沒有理由保持在那么高的狀態。具備良好能源模式的MCU應能在這種模式下實現小于3A的電流消耗，蘊含PHY的電流消耗。

然而在工作模式中，當測試一個正常鍵盤設備的USB通信時，主動模式不是十分有效的大多數時候，設備僅僅等待主機發送數據。然而當主機祈求設備回應時，回應非得及時這是為甚么大多數實作上會保持USB周邊設備一直運行在48MHz以準許足夠的回應時間。在這個特別的實例中，97%的時間是空閑的，即使我們進行了列舉(enumerated)和啟動。

為電池供電使用而最佳化的USB使用要把這些功耗管理因素考慮在內，并且十分確定何時要時脈、要多長時間、哪些其他USB元件能夠封閉。SiliconLabs目前擁有兩項正在申請中的專利技術，并已獲得制造商和客戶反饋，使得USB接口在現今電池供電IoT設備中具真正用武之地。即使在工作模式，高能效的通信也能夠透過使用無晶振(Crystal-less)USB振蕩器和封閉封包通信之間的耗電USB連接元件而實現，如圖1所示。這種創新的辦法大幅降低了系統級功耗，并且建立出真正通用的、可供應優異能效的M2M接口。

圖1：具備低能耗模式(LEM，low-energymode)鍵盤傳輸總線的有效信號聲明了何時封閉耗電的USB接口元件。

理所當然，對開發人員和終端使用者來說，低能耗USB應實現于無形之中。透過低能耗模式(LEM)，降低能耗是十明顯顯的，如圖2所示。當這種技術與其他空間和成本節省特性(例如無晶振USB使用和時脈恢復)相互結合時，開發人員能夠實現真正的超低能耗通用M2M接口，并且不要額外元件。

圖2：一個典型的USB收發器在空閑時處于接收模式，浪費3-5mA。透過LEM技術，收發器能夠保持在類似暫停的低電流模式。

結論

USB接口已經從一個減少傳統桌上型PC混亂線纜連接的簡單需求，發展成為消費性電子設備接口的標準。具備USB功能的便攜式設備日益普及，促使整合的USB周邊設備供應新的設計要求。

新的智能USB硬件使得成本和功耗得以減少，并延長了電池使用壽命。當與無晶振USB技術相結合時，廣泛使用的USB標準將使得所有可連接設備變得更加智能、可連接的、節能。

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