通用串行總線 (USB) 接口是電子行業(yè)成功的通信標(biāo)準(zhǔn)之一。它已成為許多需要連接到主機(jī)設(shè)備的工業(yè)和消費(fèi)應(yīng)用程序的標(biāo)準(zhǔn)通信接口。USB 的極端易用性和穩(wěn)健性使其成為許多嵌入式應(yīng)用程序的理想接口選擇。然而，對(duì)于嵌入式設(shè)計(jì)人員而言，USB 實(shí)現(xiàn)需要 USB 協(xié)議知識(shí)、耗時(shí)的軟件和固件開發(fā)工作。

大多數(shù)情況下，這些嵌入式應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)人員需要提供極具成本效益的終解決方案。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的簡(jiǎn)單方法是將 USB 功能與其他外圍設(shè)備和存儲(chǔ)器一起集成到微控制器 (MCU) 中。現(xiàn)在許多 MCU 供應(yīng)商都提供基于 USB 的微控制器；但是，它們可能無(wú)法提供應(yīng)用所需的正確外設(shè)集，從而導(dǎo)致需要外部組件并增加設(shè)計(jì)復(fù)雜性。還有一種將 USB 添加到任何嵌入式解決方案的簡(jiǎn)便方法，無(wú)需 USB 知識(shí)或固件開發(fā)，從而使設(shè)計(jì)人員能夠更快地將產(chǎn)品推向市場(chǎng)。

USB 設(shè)計(jì)挑戰(zhàn) 
USB 的易用性和穩(wěn)健性對(duì)于嵌入式設(shè)計(jì)人員而言并不是的。開發(fā)人員通常不得不花費(fèi)大量時(shí)間來(lái)學(xué)習(xí) USB 協(xié)議和開發(fā) USB 堆棧。這需要專門的工具，并且會(huì)增加開發(fā)成本和時(shí)間。有市售的 USB 軟件棧；然而，它們會(huì)導(dǎo)致額外的成本和學(xué)習(xí)努力。

另一個(gè)重要的 USB 設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是終產(chǎn)品必須與多種常見操作系統(tǒng) (OS) 兼容并跟上不斷更新的操作系統(tǒng)。開發(fā)人員還必須將 USB 硬件成本保持在水平，以提供具有成本效益的終產(chǎn)品。許多 USB IC 需要外部元件，例如端接電阻或精密振蕩器來(lái)提供 USB 功能。具有軟件和工具支持的高度集成 USB 解決方案是簡(jiǎn)化 USB 設(shè)計(jì)的基石。

實(shí)用解決方案：交鑰匙 USB 連接解決方案 
交鑰匙 USB 解決方案，例如 Silicon Labs 的 USBXpress 橋接設(shè)備，提供高度集成，無(wú)需復(fù)雜的固件和驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)。具有工具支持的 USB 設(shè)備還可以縮短開發(fā)時(shí)間，進(jìn)一步簡(jiǎn)化 USB 連接。高度集成的 USB 橋接設(shè)備幾乎可以添加到任何基于 MCU 的解決方案中，以消除固件的復(fù)雜性并縮短開發(fā)時(shí)間。這些設(shè)備通過(guò)使用大多數(shù) MCU 上隨時(shí)可用的標(biāo)準(zhǔn) UART、SPI 或 I2C 接口，充當(dāng)通向 USB 世界的橋梁。

當(dāng)開發(fā)人員升級(jí)具有 USB 通信的遺留系統(tǒng)時(shí)，橋接設(shè)備特別有用。大多數(shù)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)都有與主機(jī)系統(tǒng)通信的特定方式，在許多情況下是通過(guò) UART 或 I2C 接口。USB 轉(zhuǎn) UART 或 USB 轉(zhuǎn) I2C 橋接設(shè)備（如圖 1 所示）是這種情況下的選擇。

圖 1. 典型的 USB 轉(zhuǎn) UART 橋（ Labs）

為您的應(yīng)用選擇合適的 USB 橋接器 
嵌入式設(shè)計(jì)人員在選擇 USB 橋接器設(shè)備以確保無(wú)縫 USB 集成時(shí)應(yīng)考慮多種因素。

首先，重要的是盡量減少很容易影響分配預(yù)算的硬件設(shè)計(jì)成本。大多數(shù) USB 橋接器或 MCU 都需要外部組件，例如用于 USB 功能的晶體振蕩器或端接電阻器。選擇高度集成的橋接器件可以消除對(duì)包括晶體、穩(wěn)壓器和存儲(chǔ)器在內(nèi)的外部組件的需求，從而減少硬件設(shè)計(jì)時(shí)間和成本。

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對(duì)于全速功能，USB 設(shè)備需要 48 MHz 時(shí)鐘輸入。選擇帶有內(nèi)部時(shí)鐘的 USB 設(shè)備可以生成準(zhǔn)確的 48 MHz 時(shí)鐘，從而無(wú)需外部晶振。另一個(gè)需要尋找的重要特性是時(shí)鐘恢復(fù)電路。USB 規(guī)范要求內(nèi)部時(shí)鐘高度準(zhǔn)確。但是，大多數(shù)情況下，內(nèi)部振蕩器的頻率精度可能會(huì)有所不同。時(shí)鐘恢復(fù)電路使用輸入的 USB 數(shù)據(jù)流來(lái)調(diào)整內(nèi)部振蕩器，它允許內(nèi)部振蕩器滿足 USB 時(shí)鐘容限的要求。使用這種新型時(shí)鐘恢復(fù)系統(tǒng)的設(shè)備無(wú)需外部晶體振蕩器，從而降低了成本。

將 USB 添加到嵌入式應(yīng)用程序的主要優(yōu)勢(shì)之一是能夠?yàn)樵O(shè)備供電。當(dāng) USB 設(shè)備在連接到主機(jī)時(shí)由總線供電時(shí)，電池供電設(shè)備可以限度地延長(zhǎng)電池壽命。這需要一個(gè)低壓差 (LDO) 或穩(wěn)壓器將電壓從 5 V（主機(jī)）降至 3.3 V。使用帶有集成收發(fā)器和片上匹配和上拉的 USB 功能控制器也很重要電阻器。用于正確 USB 線路端接的端接電阻器和用于直接 USB 連接的 5 V 穩(wěn)壓器的集成進(jìn)一步減小了印刷電路板 (PCB) 的尺寸。

此外，提供 GPIO 控制功能和時(shí)鐘輸出功能的 USB 橋接器增加了設(shè)計(jì)的靈活性并縮短了開發(fā)時(shí)間。橋接設(shè)備中另一個(gè)需要考慮的吸引人的特性是支持多種波特率以適應(yīng)廣泛應(yīng)用的靈活性。

一些現(xiàn)代 USB 橋接設(shè)備還提供功能以進(jìn)一步節(jié)省 PCB 面積（圖 2）。例如，Silicon Labs 的 CP2102N 設(shè)備包括一個(gè)集成的電池充電器檢測(cè)功能，可檢測(cè)連接的充電器類型，以及一個(gè)遠(yuǎn)程喚醒功能，可喚醒掛起的主機(jī)。在片上包含此類功能不僅增強(qiáng)了嵌入式設(shè)計(jì)的靈活性，而且還節(jié)省了總體系統(tǒng)成本。

圖 2. 小型 PCB 中的 3 mm x 3 mm USB 橋接器 IC 和完整解決方案示例。（）

，設(shè)計(jì)人員必須盡量減少 USB 空間，以滿足對(duì)空間敏感的便攜式應(yīng)用的外形尺寸和人體工程學(xué)要求。此外，一些遺留應(yīng)用程序可能需要在升級(jí)應(yīng)用程序以包括 USB 連接時(shí)保持相同的物理尺寸。選擇提供小型封裝變體的 USB 橋接器有助于通過(guò)減少 PCB 占用空間并使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)⒔鉀Q方案壓縮到比 RS-232 連接器更小的空間中來(lái)克服這一限制。

使用工具加速 USB 開發(fā) 
高度集成是決定選擇 USB 橋接器以降低成本和硬件設(shè)計(jì)時(shí)間的關(guān)鍵因素，但在做出正確的橋接器選擇方面軟件和工具集也同樣重要。消費(fèi)者將 USB 視為完美的即插即用接口。雖然 USB 看起來(lái)確實(shí)像 UART、SPI 或 I2C 等其他串行接口一樣簡(jiǎn)單，但 USB 協(xié)議的實(shí)現(xiàn)并不簡(jiǎn)單。USB 協(xié)議和固件開發(fā)的隱藏復(fù)雜性可以通過(guò)使用交鑰匙固定功能 USB 橋接設(shè)備來(lái)解決。這些設(shè)備允許設(shè)計(jì)人員開發(fā) USB 系統(tǒng)，而無(wú)需廣泛的 USB 知識(shí)或固件開發(fā)。

雖然使用固定功能設(shè)備時(shí)不需要代碼開發(fā)，但設(shè)計(jì)人員仍在尋找多種配置選項(xiàng)來(lái)適合他們的設(shè)計(jì)或使他們的設(shè)計(jì)在市場(chǎng)上脫穎而出。每個(gè) USB 橋接設(shè)備都有許多用戶可配置的選項(xiàng)，這些選項(xiàng)決定了設(shè)備的行為，從設(shè)備在主機(jī)上的顯示方式到接口和引腳配置等專用設(shè)備選項(xiàng)。因此，必須確保所選 USB 橋接器設(shè)備提供工具，這些工具可提供配置選項(xiàng)并允許輕松定制以使終產(chǎn)品脫穎而出。

Silicon Labs 的 Xpress 配置器（如圖 3 所示）是旨在簡(jiǎn)化 USB 配置的工具示例。直觀的基于 GUI 的配置器允許輕松定制和編程 USB 固定功能設(shè)備。供應(yīng)商 ID (VID)、產(chǎn)品 ID (PID)、設(shè)備字符串和 USB 電源模式等常見 USB 屬性可以使用 GUI 輕松配置。只需點(diǎn)擊幾下，即可配置 GPIO、接口選項(xiàng)和調(diào)制解調(diào)器信號(hào)等功能。此外，GUI 中的問(wèn)題/警告視圖可引導(dǎo)開發(fā)人員針對(duì)每個(gè) USB 屬性進(jìn)行設(shè)置，并為 USB 定制提供更無(wú)風(fēng)險(xiǎn)的環(huán)境。終所需的配置可以使用單個(gè)按鈕進(jìn)行編程，以使用交鑰匙設(shè)備而無(wú)需編寫任何代碼。

圖 3. USB 橋接器配置的工具 GUI 示例。（）

大多數(shù)情況下，開發(fā)人員沒有合適的工具集來(lái)對(duì)具有終配置的數(shù)千個(gè) PCB 和設(shè)備進(jìn)行編程。在這種情況下，選擇提供工廠編程以節(jié)省大量編程時(shí)間的 USB 設(shè)備供應(yīng)商非常有用。

軟件驅(qū)動(dòng)程序的重要性 
USB 設(shè)備有望在所有操作系統(tǒng)上無(wú)縫運(yùn)行。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，開發(fā)人員必須創(chuàng)建主機(jī)驅(qū)動(dòng)程序，這并非易事。USB 驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)需要知識(shí)和重要測(cè)試才能實(shí)現(xiàn)操作。必須選擇能夠提供經(jīng)過(guò)的強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)程序的 USB 設(shè)備，以便在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)無(wú)縫 USB 連接。一些供應(yīng)商提供虛擬 COM 端口 (VCP) 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序（參見圖 4），允許設(shè)備作為 PC 應(yīng)用軟件的 COM 端口出現(xiàn)。這在嘗試使用 USB 更新舊式串行設(shè)備時(shí)特別有用。使用 VCP 驅(qū)動(dòng)程序，PC 軟件將設(shè)備識(shí)別為 COM 端口，因此現(xiàn)有的 COM 端口應(yīng)用程序可用于通過(guò) USB 傳輸數(shù)據(jù)，而無(wú)需實(shí)際修改應(yīng)用程序。

圖 4. 虛擬 COM 端口 USB 橋在設(shè)備管理器中被識(shí)別為 COM 端口。（）

為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化和增強(qiáng)設(shè)計(jì)人員的即插即用功能，一些 USB 設(shè)備供應(yīng)商提供了創(chuàng)新的、完全兼容的 USB-HID 橋接器。這些設(shè)備支持大多數(shù)操作系統(tǒng)原生支持的 USB-HID 類，因此無(wú)需安裝或開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序。HID-USB 設(shè)備常見的示例是計(jì)算機(jī)鍵盤和鼠標(biāo)，并且 HID-USB 類也足夠靈活以適應(yīng)許多不同類型的 USB 設(shè)計(jì)。

結(jié)論 
USB 橋接器和交鑰匙 USB 解決方案提供了一種簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)的方法來(lái)將 USB 連接添加到新的或現(xiàn)有的非 USB 系統(tǒng)。它們的高集成度降低了 PCB 尺寸和 BOM 成本，使其成為空間受限和成本敏感型應(yīng)用的理想選擇。它們的簡(jiǎn)單性和交鑰匙性質(zhì)消除了對(duì) USB 知識(shí)或固件開發(fā)的需求，使設(shè)計(jì)人員能夠更快地將他們的終產(chǎn)品推向市場(chǎng)。先進(jìn)的 USB 配置工具和強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)程序包使開發(fā)人員能夠區(qū)分他們的應(yīng)用程序并提供與大多數(shù)操作系統(tǒng)的無(wú)縫兼容性。使 USB 不僅對(duì)消費(fèi)者而且對(duì)設(shè)計(jì)人員都變得簡(jiǎn)單至關(guān)重要，選擇正確的 USB 橋接設(shè)備將消除為您的下一個(gè)嵌入式設(shè)計(jì)添加 USB 連接的麻煩。