引言

USB 作為工業(yè)系統(tǒng)中用于人機(jī)交互、診斷、固件下載、外設(shè)連接和數(shù)據(jù)記錄的接口正變得越來(lái)越流行。鑒于工業(yè)領(lǐng)域存在噪聲和惡劣瞬變，以及為了確保電氣安全，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員更喜歡對(duì) USB 端口進(jìn)行隔離。擁有一個(gè)可以連接到主機(jī)（例如筆記本電腦）或外設(shè)（例如 USB 驅(qū)動(dòng)器）的 USB 端口，而不是擁有分別用于主機(jī)連接和外設(shè)連接的端口增加了靈活性并降低了成本。

USB On-The-Go(OTG)提供了這種靈活性，同時(shí)還允許通過主機(jī)協(xié)商協(xié)議(HNP)交換主機(jī)和外設(shè)角色。不過，目前沒有用于隔離USB OTG端口的解決方案。本文介紹了使用HNP實(shí)現(xiàn)隔離式USB OTG端口的主要注意事項(xiàng)和隔離式USB中繼器的相應(yīng)要求，以及使用TI的ISOUSB211隔離式USB中繼器實(shí)現(xiàn)隔離式USB OTG端口的應(yīng)用圖和測(cè)試結(jié)果。

OTG USB應(yīng)用的現(xiàn)有實(shí)現(xiàn)

提供了實(shí)現(xiàn)隔離式 USB 平臺(tái)的現(xiàn)有方法，以及有關(guān)為建立數(shù)據(jù)鏈路提供專用主機(jī)和外設(shè)端口的建議，如圖 1 所示。上行（外設(shè)）端口通過一個(gè) 1.5k? 電阻器對(duì) D+ 進(jìn)行上拉（表示全速或高速外設(shè)）或?qū)?D- 進(jìn)行上拉（表示低速外設(shè)）。下行（主機(jī)）器件具有 15k? 下拉電阻器，以符合 USB 2.0 標(biāo)準(zhǔn)。下行端口為 5V VBUS 電源軌供電，不會(huì)從上行端口取電。建立連接后，會(huì)檢測(cè)到 VBUS 的存在，之后會(huì)進(jìn)行上拉識(shí)別和數(shù)據(jù)包傳輸。因此，對(duì)于端口必須承擔(dān)主機(jī)或外設(shè)角色的隔離式 OTG 實(shí)現(xiàn)，隔離器必須對(duì)連接透明。

圖1 獨(dú)立的主機(jī)和外設(shè)實(shí)現(xiàn)

On-The-Go工作原理

OTG端口有一個(gè)額外的第五個(gè)引腳，標(biāo)記為 ID 引腳。當(dāng)連接發(fā)生時(shí)，該 ID 引腳上的狀態(tài)控制初始主機(jī)和外設(shè)角色，如圖 2 所示。連接到電纜 ID 接地短路的一端的端口承擔(dān)初始主機(jī)（A 器件）角色，連接到電纜 ID 懸空的另一端的器件承擔(dān)初始外設(shè)角色（B 器件）。OTG 模塊上的 ID 上拉有助于確定連接時(shí) ID 引腳的狀態(tài)。當(dāng) B 器件希望接管主機(jī)角色時(shí)，OTG 定義了一個(gè) HNP，使器件能夠無(wú)縫地交換角色，而無(wú)需拔出和交換電纜連接。為了使 HNP 無(wú)縫工作，隔離式 USB 中繼器應(yīng)該能夠動(dòng)態(tài)地將任何一側(cè)切換為上行側(cè)或下行側(cè)。本文不討論通過產(chǎn)生脈沖 VBUS 來(lái)啟動(dòng) A 器件上的會(huì)話的會(huì)話請(qǐng)求協(xié)議。

圖2 由ID引腳確定的初始主機(jī)或外設(shè)角色

隔離式OTG的實(shí)現(xiàn)

圖 3 顯示隔離式中繼器需要具有靈活性，以便任意一側(cè)都能作為主機(jī)或外設(shè)運(yùn)行。在運(yùn)行期間，隔離式中繼器在上電時(shí)引入了一個(gè) 15k? 下拉電阻器。提供外部 1.5k? 上拉電阻器的一側(cè)將建立連接。另一側(cè)承擔(dān)主機(jī)角色，在中繼器中引入內(nèi)部 1.5k? 上拉電阻器以鏡像下行連接。使用 Micro-A 插頭插入的一端承擔(dān)初始 A 器件角色，使用 Micro-B 插頭插入的一端承擔(dān)初始 B 器件角色。在進(jìn)行初始角色分配之后，HNP 在器件希望交換角色的場(chǎng)景中有一組定義的轉(zhuǎn)換：初始 A 器件掛起總線，初始 B 器件通過斷開 1.5k? 上拉電阻器并啟用 15k? 下拉電阻器來(lái)轉(zhuǎn)換至等待連接狀態(tài)。由于線路現(xiàn)在處于 SE0 狀態(tài)，因此 A 器件承擔(dān)外設(shè)角色并通過啟用其內(nèi)部 1.5k? 上拉電阻器來(lái)建立連接?？偩€現(xiàn)在反映了 J 狀態(tài)，初始 B 器件（現(xiàn)在處于主機(jī)狀態(tài)）將其檢測(cè)為外設(shè)連接。無(wú)論 HNP 確定的角色如何，5V VBUS 都由 A 器件提供。

圖3 自供電隔離式On-The-Go模塊的方框圖

采用 ISOUSB211 EVM的OTG演示

圖 4 演示了使用板載元件的隔離式 USB-OTG 實(shí)現(xiàn)。該電路包含 ISOUSB211 隔離式高速 USB 中繼器、SN65055W 推挽變壓器驅(qū)動(dòng)器和 ISO6721 雙通道數(shù)字隔離器，用于實(shí)現(xiàn)隔離式 USB-OTG 操作。正如上一節(jié)中強(qiáng)調(diào)的那樣，對(duì)于 USB-OTG 應(yīng)用，隔離式 USB 解決方案必須允許任一側(cè)作為上行側(cè)或下行側(cè)。這種靈活性由 ISOUSB211 來(lái)實(shí)現(xiàn)，該器件具有自動(dòng)角色檢測(cè)功能，使任何一側(cè)都可以輕松地根據(jù)哪一側(cè)首先檢測(cè)到 1.5k? 上拉電阻器來(lái)承擔(dān)上行或下行角色。ISO6721 通過隔離柵將 ID 信息從連接器傳輸?shù)?OTG 模塊。來(lái)自 ISOUSB211 的 V2OK 信號(hào)（指示 VBUS2 是否可用）被饋送到 OTG 模塊的 USB_DET 引腳。USB 2.0 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，除非存在 VBUS，否則器件不應(yīng)在 DP/DM 線路上引入上拉電阻器。OTG 模塊根據(jù) USB_DET 狀態(tài)控制內(nèi)部上拉電阻器。次級(jí)側(cè)低壓降穩(wěn)壓器 (LDO) 輸出與連接器的 VBUS 之間的電源路徑中用于控制電力輸送的開關(guān)取決于連接到模塊的器件類型。OTG 模塊驅(qū)動(dòng) VBUSON 信號(hào)，以防片外電源需要為連接的器件供電。這將控制次級(jí)側(cè) LDO 輸出與連接器的 VBUS 之間的開關(guān)。

圖4 使用 ISOUSB211和SO6721D的隔離式USB OTG端口實(shí)現(xiàn)

場(chǎng)景A：隔離式OTG模塊連接到USB驅(qū)動(dòng)器（總線供電）

連接到隔離式 OTG 模塊（A 器件）的 ID 引腳接地短路。該信息通過 ISO6721 的反向通道發(fā)送，穿過隔離柵。然后 OTG 模塊向 VBUSON 發(fā)出信號(hào)，使其變?yōu)楦唠娖?，進(jìn)而使開關(guān)閉合，從而為閃存驅(qū)動(dòng)器（B 器件）供電。直到該階段，V2OK 保持低電平，OTG 模塊不啟動(dòng) D+/D- 上拉控制。器件側(cè)上電后，V2OK 變?yōu)楦唠娖?，從而?OTG 模塊能夠按照 USB 2.0 標(biāo)準(zhǔn)控制上拉電阻器。

場(chǎng)景B：隔離式OTG模塊連接到筆記本電腦（主機(jī)）

連接到隔離式 OTG 模塊（B 器件）的 ID 引腳懸空，通過 ISO6721 的反向通道以高電平進(jìn)行傳輸。OTG 模塊使 VBUSON 的狀態(tài)保持為低電平，這會(huì)在連接的主機(jī)自供電時(shí)使開關(guān)保持?jǐn)嚅_狀態(tài)。假設(shè)主機(jī)是自供電的，并且根據(jù) USB 2.0 標(biāo)準(zhǔn)啟動(dòng)了上拉，V2OK 會(huì)在連接建立后立即變?yōu)楦唠娖健?/p>

演示

以下部分演示了使用 ISOUSB211EVM 評(píng)估模塊的 OTG 實(shí)現(xiàn)。

為了演示從 A 型器件到 B 型器件在任一方向的電力輸送，引入了一個(gè)額外的 SN6505EVM。

將手機(jī)連接到筆記本電腦

在圖 5 中，支持 OTG 功能的手機(jī)（帶有母頭 Micro-B 連接器，雙角色端口）借助 Type-A 公頭轉(zhuǎn) Micro-B 公頭連接器通過 ISOUSB211EVM 連接到筆記本電腦（帶有 Type-A 母頭端口）。該實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)是將文件從手機(jī)復(fù)制到筆記本電腦中。

圖5 連接到主機(jī)的ISOUSB211+U盤（OTG模塊）

在首次連接期間，連接到手機(jī)的電纜端將連接的 ID 設(shè)置為高阻態(tài)（B 型器件）。一旦手機(jī)識(shí)別到 ID 引腳被設(shè)置為高阻態(tài)，它就會(huì)承擔(dān) B 型角色。電力通過 ISOUSB211EVM 上的 SN6505 路徑從筆記本電腦傳輸?shù)绞謾C(jī)。手機(jī)使 DP 線路上的上拉電阻器生效（指示 B 型角色），ISOUSB211 在 1 側(cè)引入其內(nèi)部 1.5k? 上拉電阻器。此后，會(huì)按照 USB 2.0 標(biāo)準(zhǔn)在 A 型器件和 B 型器件之間進(jìn)行通信。

外設(shè)能夠進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)傳輸成功完成。

將手機(jī)連接到USB驅(qū)動(dòng)器

在圖 6 中，支持 OTG 功能的手機(jī)（帶有母頭 Micro-B 連接器，雙角色端口）通過 Type-A 母頭轉(zhuǎn) Micro-A 公頭連接器連接至閃存驅(qū)動(dòng)器（使用 Type-A 端口）（使用 Type-A 母頭轉(zhuǎn) Micro-A 公頭連接器連接至 EVM）。該實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)是將文件從閃存驅(qū)動(dòng)器復(fù)制到手機(jī)中。

圖6 連接到主機(jī)的ISOUSB211 + U盤（OTG 模塊）

在連接過程中，連接到手機(jī)的電纜端的 ID 引腳接地短路（A 型器件）。手機(jī)識(shí)別 ID 引腳設(shè)置為低電平，從而承擔(dān) A 型角色。通過 SN6505 建立的反向電源路徑處于工作狀態(tài)，為閃存驅(qū)動(dòng)器上電。閃存驅(qū)動(dòng)器使 DP 線路上的上拉電阻器生效（指示 B 型角色），ISOUSB211 在 2 側(cè)引入其內(nèi)部 1.5k? 上拉電阻器。此后，會(huì)按照 USB 2.0 標(biāo)準(zhǔn)在 A 型器件和 B 型器件之間進(jìn)行通信。

外設(shè)能夠進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)傳輸成功完成。

總結(jié)

使用具有靈活的主機(jī)側(cè)和外設(shè)側(cè)的隔離器可以輕松建立隔離式 USB OTG 應(yīng)用，其中在運(yùn)行期間根據(jù)首先在 DP/DM 線路上從外部在哪一側(cè)觀察到 1.5k? 上拉電阻器來(lái)配置主機(jī)側(cè)和外設(shè)側(cè)。此類配置可確保實(shí)現(xiàn)更小的尺寸、更少的連接器以及完全可切換的角色，而無(wú)需更改硬件。

本文來(lái)源于德州儀器《模擬設(shè)計(jì)期刊》?！赌M設(shè)計(jì)期刊》由德州儀器工程師和專家精心撰寫并匯編，覆蓋從基礎(chǔ)知識(shí)到先進(jìn)技術(shù)、從數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器到傳感器應(yīng)用的廣泛主題，為模擬設(shè)計(jì)新手和資深用戶提供實(shí)用信息和解決方案。