CES新技术挖宝:运用USB桥接设备简化USB连接

通用串行总线(USB)接口是目前业界中最成功的通信标准之一。它已经成为需要连接到主机设备的许多工业和消费应用的标准通信接口。USB的极端易用性和稳健性使其成为许多嵌入式应用的理想接口选择。芯科科技(Silicon Labs)近期即在CES 2017展会中演示了旗下符合USB最新行业标准的USB桥接解决方案,能够以简易的方法将USB添加到任何嵌入式解决方案中,无需专门的USB知识或固件开发,从而能够为设计师提供更快的上市时间。

USB设计挑战

对于嵌入式设计人员来说,USB的安装需要专门的USB协议知识,以及耗时的软件和固件开发工作。通常,这些嵌入式应用的设计者需要提供高度有效的终端解决方案。实现这一点的最简单的方法是将USB功能与其他外设和存储器一起集成在微控制器(MCU)中。今天,许多MCU供应商提供基于USB的微控制器; 然而,它们可能不提供应用所需的外设,因此需要外部组件,并增加了设计复杂性。

USB的易用性和稳健性对于嵌入式设计人员来说不是没有代价的。开发人员经常不得不花费大量时间学习USB协议并开发USB协议栈。这需要专门的工具,从而增加开发成本和时间。虽然有商用的USB软件堆栈; 然而,它们需要额外的成本和学习。

另一个关于USB设计的艰巨挑战是,最终的产品必须与几个常见的操作系统(OS)兼容,并不断的适应操作系统更新。开发人员还必须将USB硬件成本降至最低,以提供具有成本效益的最终产品。许多USB IC需要外部组件,例如终端电阻或精密振荡器来提供USB功能。具有先进软件和工具支持的高度集成USB解决方案是简化USB设计的基石。

USB连接的统包方案

统包USB解决方案,如Silicon Labs的USBXpress桥接器件,以高集成度去除了对复杂的固件和驱动程序开发的需求。具有高级工具支持的USB设备还可以减少开发时间,进一步简化USB连接。高度集成的USB桥接器件可以添加到几乎任何基于MCU的解决方案,以消除固件复杂性和减少开发时间。这些器件通过使用标准UART,SPI或I2C接口(可在大多数MCU上轻松获得)桥接到USB的世界。

当开发人员使用USB通信升级传统系统时,桥接器件特别有用。大多数传统设计具有与主机系统通信的特定方式,在许多情况下通过UART或I2C接口。在这种情况下,USB到UART或USB到I2C桥接器件是最好的选择。

图说:典型的USB到UART桥接

为你的应用选择正确的USB桥接

嵌入式设计人员在选择USB桥接器件时应考虑多种因素,以确保无缝集成USB。首先,最小化硬件设计成本是很重要的,这可能影响预算的分配。大多数USB桥接器或MCU需要外部组件,例如用于USB功能的晶体振荡器或端接电阻器。选择高度集成的桥接器件可以消除对外部组件的需要,从而减少硬件设计时间和成本。

对于全速功能,USB设备需要48 MHz时钟输入。选择具有可生成48 MHz时钟的内部时钟的USB器件,消除了对外部晶振的需求。另一个重要的特性是时钟恢复电路。 USB规范要求内部时钟高度准确。然而,通常情况下,内部振荡器的频率精度是可以变化的。时钟恢复电路使用输入的USB数据流来调节内部振荡器,并允许内部振荡器满足USB时钟容差的要求。使用这种新颖的时钟恢复系统的器件通过消除对外部晶体振荡器的需要降低了成本。

将USB添加到嵌入式应用程序的一个主要优点是能够为设备供电。当USB设备在连接到主机时由总线供电时,电池供电的设备可以最大限度地延长电池寿命。这需要低压差(LDO)或稳压器将电压从5 V(主机)降至3.3 V。还必须使用带有集成收发器和片内匹配和上拉电阻的USB功能控制器。用于合适的USB线路终端的终端电阻器和用于直接USB连接的5 V稳压器的集成进一步减小了印刷电路板(PCB)的尺寸。

使用集成USB桥接消除了外部晶振,稳压器和内存

图说:使用集成USB桥接消除了外部晶振,稳压器和内存

此外,提供GPIO控制能力和时钟输出功能的USB桥接器增加了设计的灵活性并缩短了开发时间。在桥接器件中需要考虑的另一个有吸引力的特性是支持多种波特率以适应各种应用的灵活性。

一些现代USB桥接器件还提供高级功能,以进一步节省PCB面积。例如,Silicon Labs的CP2102N器件包括一个集成的电池充电器检测功能,用于检测所连接的充电器的类型以及远程唤醒功能以唤醒挂起的主机。片上包含这样的高级特性不仅增强了嵌入式设计的灵活性,而且节省了整体系统成本。

最后,设计人员必须最小化USB空间,以满足对空间敏感的便携式应用的外形和人体工程学要求。此外,一些传统应用程序可能需要保持相同的物理尺寸,同时升级应用程序以囊括USB连接。选择提供小封装变量的USB桥接器可以减少PCB占用空间,并使设计人员能够将解决方案挤入比RS-232连接器小的空间,从而克服这一限制。

小型PCB中3 mm x 3 mm 的USB桥接IC和完整方案

图说:小型PCB中3 mm x 3 mm 的USB桥接IC和完整方案

以先进的工具加速USB开发

高集成度是决定USB桥接器选择以减少成本和硬件设计时间的关键因素,但同样重要的是在正确的选择桥接方面的软件和工具集。消费者将USB视为完美的即插即用接口。尽管USB看起来像其他串行接口(如UART,SPI或I2C)那么简单,但USB协议并不易于实现。通过使用交钥匙固定功能USB桥接器件可以解决设计人员的USB协议和固件开发的隐藏的复杂性。这些器件允许设计人员开发USB系统,而无需大量的USB专业知识或固件开发。

虽然使用固定功能器件时不需要开发代码,但设计人员仍在寻找多种配置选项以适应其设计或在市场上区分其设计。每个USB桥接器件都具有许多用户可配置的选项,用于确定器件的行为,包括从器件如何显示到主机到专用器件选项,如接口和引脚配置。因此,必须确保所选的USB桥接器件提供高级工具,提供配置选项,并允许轻松定制以区分最终产品。

SiliconLabs的Xpress配置器是一个旨在简化USB配置的工具示例。直观的基于GUI的配置程序允许轻松定制和编程USB固定功能设备。可以使用GUI轻松配置常见的USB属性,如供应商ID(VID),产品ID(PID),设备字符串和USB电源模式。高级功能,如GPIO,接口选项和调制解调器信号的配置也只需点击几下。此外,GUI中的问题/警告视图指导开发人员为每个USB属性的设置,并为USB定制提供风险更低的环境。最终所需的配置可以使用单个按钮进行编程,以使用交钥匙设备,而无需编写任何代码。

最常见的情况是,开发人员没有合适的工具集来为最终配置的数千个PCB和设备进行编程。在这种情况下,选择提供工厂编程的USB设备供应商以节省开发人员的大量开发时间是非常有用的。

用于USB桥接配置的高级工具GUI例子

图说:用于USB桥接配置的高级工具GUI例子

软件驱动

USB设备需要在所有操作系统中无缝工作。为了实现这个目标,开发人员必须创建主机驱动程序,这不是一个简单的任务。 USB驱动程序开发需要专业知识和测试,以实现最佳的运行。必须选择USB设备,为系统中的无缝USB连接提供可靠的认证驱动程序。一些供应商提供虚拟COM端口(VCP)设备驱动程序,允许设备显示为PC的应用软件的COM端口。这在尝试使用USB更新旧式串行设备时特别有用。使用VCP驱动程序,PC软件将设备识别为COM端口,因此现有的COM端口应用程序可用于通过USB传输数据,而不实际修改应用程序。

为了为设计人员进一步简化和增强即插即用功能,一些USB设备供应商提供创新的完全兼容的USB-HID桥接器。这些设备支持大多数操作系统本地支持的USB-HID类,从而无需安装或开发驱动程序。 HID-USB设备的最常见的示例是计算机键盘和鼠标,并且HID-USB类也足够灵活,以适应许多不同种类的USB设计。

虚拟COM端口在设备管理器中USB桥被识别为COM端口

图说:虚拟COM端口在设备管理器中USB桥被识别为COM端口

结论

USB桥接器和交钥匙USB解决方案提供了一种简单而经济的方法来为新的或现有的非USB系统添加USB连接。它们的高集成度降低了PCB尺寸和BOM成本,使其成为空间受限和成本敏感型应用的理想选择。它们的简单性和交钥匙性质消除了对USB专业知识或固件开发的需求,使设计人员能够更快地将其最终产品推向市场。高级USB配置工具和强大的认证驱动程序包允许开发人员区分其应用程序,并提供与大多数操作系统的无缝兼容性。必须使USB不仅对于消费者而且对于设计人员都很容易,并且选择正确的USB桥接设备将避免为您的下一个嵌入式设计带来麻烦。

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