設計具有通用串行總線（USB）通信功能的應用可使系統(tǒng)能夠通過各種USB主機設備進行通信，并通過USB連接提供方便的電源選擇方案。如今的打印機、手機、數(shù)碼相機、媒體播放機、外部硬盤驅(qū)動器和游戲機都采用USB協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。通過一條數(shù)據(jù)線同時提供電源和數(shù)據(jù)通信功能可以給應用帶來方便和靈活性。USB通信可以設計成新系統(tǒng)或者增加到傳統(tǒng)系統(tǒng)中，通過增加固定功能USB通信橋接器或者帶定制USB固件的USB微控制器（MCU）來更新傳統(tǒng)系統(tǒng)。

各種USB開發(fā)選擇方案的主要折衷因素在于數(shù)據(jù)吞吐能力與開發(fā)時間以及是否需要USB專門知識來實現(xiàn)。小型USB MCU和固定功能USB通信橋接器可為在設計中增加USB通信功能提供一種極具成本效益的解決方案。USB通信接口包括四個信號：D+、D-、接地信號和VBUS。D+和D-信號為差分數(shù)據(jù)線路，VBUS信號是由USB主機設備提供的5V線路。VBUS信號用于指示USB端口中的USB數(shù)據(jù)線是否存在，但是它還能通過供電集線器向系統(tǒng)提供高達500mA的電源或者通過非供電集線器向系統(tǒng)提供100mA的電源。

帶5V至3V片上穩(wěn)壓器的MCU或固定功能USB通信橋接器可通過穩(wěn)壓器輸出來給整個應用供電。此規(guī)格還支持各種不同尺寸和形狀的USB連接器，包括標準、迷你和微型連接器。各種USB連接器尺寸給開發(fā)人員提供了諸多在應用中集成USB通信功能的選擇方案。

此外，此USB規(guī)格還支持單個總線連接多達127個設備，并支持各種設備類別，包括人機接口設備（HID）類，這類設備本身就受大多數(shù)操作系統(tǒng)支持，并且不需要安裝驅(qū)動程序。主機在枚舉過程中確定相連的USB設備的類型。將USB設備插入主機后，USB設備將指示設備類型和要加載的驅(qū)動程序的描述符發(fā)送給主機。

開發(fā)人員可以升級傳統(tǒng)系統(tǒng)以增加USB連接，也可以從頭開始設計包含USB的新系統(tǒng)。USB MCU或固定功能USB橋接器可以同時滿足這兩種方案。表1列出了在系統(tǒng)中增加USB通信功能的四種選擇方案以及對開發(fā)人員和終端用戶的要求。

選擇USB通信選擇方案取決于幾個因素，包括開發(fā)人員是升級現(xiàn)有系統(tǒng)還是創(chuàng)建新系統(tǒng)。這里我們首先闡述如何設計具有USB功能的新系統(tǒng)。

開發(fā)人員在創(chuàng)建新系統(tǒng)時可以靈活選擇增加USB通信功能的最佳方法。他們可以USB MCU或固定功能USB通信橋接器為中心進行系統(tǒng)的設計，然后為適合USB解決方案而對系統(tǒng)的各個方面進行更改。例如，最初的印制電路板（PCB）設計將包含USB設備和USB連接器等所有必需的元器件，電路板設計人員可以根據(jù)需要對它們進行重新配置。此外，USB通信與系統(tǒng)的連接方法不受限制，開發(fā)人員可從上表中的四個USB通信選擇方案中任意選擇。

要在新系統(tǒng)中增加USB通信功能，固定功能USB通信橋接器可提供最簡單的解決方案來，但是其靈活性最低。它們可作為HID或非HID固定功能USB通信橋接器提供，如USB轉(zhuǎn)UART虛擬COM端口（VCP）橋接器。使用這些通信橋接器時，由于不需要開發(fā)USB固件和驅(qū)動程序，因此USB專門知識不是必需的。對于非HID類設備而言，制造商為不受支持的操作系統(tǒng)提供必需的驅(qū)動程序。此外，制造商往往還提供動態(tài)鏈接庫（DLL），為開發(fā)USB主機應用提供幫助。無需開發(fā)USB固件、DLL和驅(qū)動程序可以縮短應用的面市時間。借助這種技術，USB接口不直接與目標系統(tǒng)連接，而是另一種橋接設備接口比如UART、串行外設接口（SPI）或內(nèi)置集成電路（I2C），直接與目標應用連接。USB轉(zhuǎn)UART VCP橋接器（圖1）通過UART接口與目標系統(tǒng)通信。

開發(fā)人員采用這種選擇方案為系統(tǒng)增加USB通信功能時必須確保目標系統(tǒng)能夠通過UART接口進行通信，同時考慮橋接設備的吞吐能力，該能力往往受UART通信速度限制。此外，開發(fā)人員需向終端用戶提供驅(qū)動程序和驅(qū)動程序安裝包。終端用戶需安裝驅(qū)動程序才能使用該設備。在這個實例中，橋接設備作為USB主機系統(tǒng)的COM端口。需要固定功能USB通信橋接器（無需安裝主機端驅(qū)動程序）的開發(fā)人員應考慮HID通信橋接器。

由于HID設備類具有靈活性和總吞吐能力，且無需安裝驅(qū)動程序，因此這類設備正作為嵌入式系統(tǒng)的常規(guī)連接選擇方案而獲得業(yè)界認可。由于HID設備類本身受多數(shù)操作系統(tǒng)支持，因此無需開發(fā)驅(qū)動程序。終端用戶直接將其插入設備中即可開始使用，而無需安裝驅(qū)動程序。在上述USB轉(zhuǎn)UART VCP實例中，橋接設備可用HID USB轉(zhuǎn)UART設備替代（圖2）。

HID橋接器的大多數(shù)設計考慮因素都與上述VCP橋接器實例相同，但是HID與VCP USB轉(zhuǎn)UART橋接器實例在設計上略有不同。通過HID配置，橋接設備的吞吐能力限制為最大HID吞吐能力，即64KBps。此外，此設備不作為USB主機的COM端口，而是作為HID類設備。HID固定功能通信橋接器可為希望在向系統(tǒng)增加USB通信功能時最大程度地縮短總USB開發(fā)時間的開發(fā)人員提供直接替代方案。如果對于一個應用而言，固定功能USB通信橋接器的吞吐能力或常規(guī)功能不夠用，開發(fā)人員應考慮增加USB MCU。

USB?MCU可提供USB通信接口的最大靈活性和控制，但需要大量設計工作。開發(fā)人員必須構建所有的USB固件，如果創(chuàng)建了非HID類設備，開發(fā)人員必須編寫設備驅(qū)動程序。這需要一些USB方面的經(jīng)驗，因為編寫USB固件和設備驅(qū)動程序并非小事一樁。由于所有MCU固件都可定制，因此USB MCU可在需要時執(zhí)行額外的任務。這提供了通信橋接器無法實現(xiàn)的更高靈活性。例如，如果USB MCU具有模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），開發(fā)人員可增加固件來配置ADC并在需要時進行測量。USB描述符在固件中也是可以完全定制的。USB主機在枚舉過程中通過從設備接收的描述符來確定設備是HID設備還是非HID設備。

使用USB MCU時，USB通信可提供與目標系統(tǒng)的直接連接，系統(tǒng)可以基于USB MCU來構建（圖3）。除了更長的開發(fā)時間之外，開發(fā)人員還需考慮所需的吞吐能力。HID類設備的吞吐能力限制是64KBps（即512Kbps）。非HID類設備的吞吐能力限制為12Mbps（即12，000Kbps）。與HID設備相比，非HID類設備可以實現(xiàn)更高的吞吐能力，但是也需要開發(fā)定制驅(qū)動程序，終端用戶則需要安裝驅(qū)動程序。這就增加了應用的總開發(fā)時間。使用配置HID的USB MCU可以避免開發(fā)和安裝驅(qū)動程序，但是前提是HID的吞吐能力能夠滿足應用的要求。

創(chuàng)建包含USB MCU的系統(tǒng)可以靈活地更改設計的各個方面，從而根據(jù)要求組合最佳的USB解決方案。例如，開發(fā)人員在設計通過USB通信向主機發(fā)送測量數(shù)據(jù)的醫(yī)療設備時可以更改USB MCU數(shù)據(jù)傳遞類型，以滿足所需的USB MCU解決方案的吞吐能力限制，或者實現(xiàn)多接口設備，比如帶同步HID接口的設備。設計新的USB應用時，開發(fā)人員可對每個USB選擇方案的要求進行分析，然后選擇最適合的方案。

開發(fā)人員通過USB通信升級傳統(tǒng)系統(tǒng)時可在為新設計提供的四個方案中任選一個，但是必須選擇適合現(xiàn)有應用的USB解決方案，而不是設計一個適合USB解決方案的應用。此時，開發(fā)人員需考慮當前的通信方法、所需的USB數(shù)據(jù)吞吐能力和可供附加元器件使用的PCB空間。傳統(tǒng)設計擁有成熟的與主機系統(tǒng)的通信方法。如果橋接設備中提供用于與主機通信的接口，那么增加固定功能USB通信橋接器是唯一的選擇方案。在多數(shù)應用中，這種接口為UART接口。對于這些應用，可在設計中增加USB轉(zhuǎn)UART通信橋接芯片。圖4顯示了如何使增加的橋接設備適合傳統(tǒng)設計。

從硬件層面看，現(xiàn)有的PCB需進行重新設計，以使USB設備和USB連接器適合現(xiàn)有的電路板。從軟件層面看，USB轉(zhuǎn)UART設備的制造商一般會為開發(fā)人員提供VCP驅(qū)動程序，因此無需開發(fā)驅(qū)動程序。在這個實例中，橋接設備的吞吐能力限制是UART接口的波特率。只要橋接設備能夠支持應用所需的波特率，吞吐能力就不存在問題。設備將仍作為USB主機的COM端口，這樣傳統(tǒng)主機應用不需要進行修改即可正常工作。傳統(tǒng)設計與升級的設計之間的主要區(qū)別在于通過USB提供與主機的接口以及需要終端用戶安裝驅(qū)動程序。

如果需要無驅(qū)動程序的選擇方案，HID固定功能USB通信橋接器就是一個可能的解決方案。選擇此方案時，其設計考慮因素與VCP固定功能通信橋接器的考慮因素相同，但是此橋接器的吞吐能力限定為64KBps，這是最高HID吞吐能力。在上述傳統(tǒng)設計升級的實例中，開發(fā)人員可以使用HID USB轉(zhuǎn)UART橋接器，但是設備不作為主機系統(tǒng)的COM端口，而是作為HID。這樣，傳統(tǒng)主機應用如不進行修改將無法正常工作。盡管此解決方案無需安裝驅(qū)動程序，但是現(xiàn)有的主機應用需進行修改后才能與HID OS 應用程序編程接口（API）通信，而不是與COM端口API通信。固定功能USB通信橋接器是大多數(shù)傳統(tǒng)設計升級的理想選擇，因為它們可以為在設計中增加USB通信提供最簡單的解決方案，且無需USB專門知識。

對于需要更高吞吐能力、額外功能或定制USB固件的傳統(tǒng)設計，USB MCU是最佳選擇。新設計方案的許多設計考慮因素都適用于此方案。由于開發(fā)人員必須編寫所有的USB固件，因此該選擇方案需要一定的USB專門知識。VCP USB設備還需開發(fā)和安裝驅(qū)動程序。USB MCU必須具有通過GPIO引腳或系統(tǒng)管理總線（SMBus）或SPI等外設接口與現(xiàn)有傳統(tǒng)應用進行通信的途徑（圖5）。

此外，需通過增加額外元器件對現(xiàn)有PCB進行重新設計。若開發(fā)人員所需的吞吐能力比橋接設備所能實現(xiàn)的吞吐能力高或者使用橋接設備無法實現(xiàn)的通信方法，使用USB MCU升級傳統(tǒng)應用是最佳選擇。

選擇在設計中增加固定功能通信橋還是增加USB MCU，取決于目標應用、開發(fā)人員的USB經(jīng)驗和開發(fā)時間。使用USB MCU可提供最高的靈活性，但也需要USB專門知識，并且可能需要開發(fā)驅(qū)動程序。選擇固定功能USB通信橋接器無需任何USB固件，也不需要開發(fā)驅(qū)動程序，這樣就縮短了總開發(fā)時間。這是在系統(tǒng)中增加USB只進行極少的重新設計的最簡單方法。

在系統(tǒng)中增加USB功能可以實現(xiàn)與各種USB主機設備的通信，同時能以一根數(shù)據(jù)線增加500mA的電源方案，因此可為應用帶來方便和靈活性。小型USB MCU和固定功能USB通信橋接器可為在新設計或傳統(tǒng)系統(tǒng)中增加USB通信功能提供極具成本效益的方案。
來源；電子工程網(wǎng)