設計具有通用串行總線(xiàn)(USB)通信功能的應用可使系統能夠通過(guò)各種USB主機設備進(jìn)行通信，并通過(guò)USB連接提供方便的電源選擇方案。如今的打印機、手機、數碼相機、媒體播放機、外部硬盤(pán)驅動(dòng)器和游戲機都采用USB協(xié)議傳輸數據。通過(guò)一條數據線(xiàn)同時(shí)提供電源和數據通信功能可以給應用帶來(lái)方便和靈活性。USB通信可以設計成新系統或者增加到傳統系統中，通過(guò)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(lái)更新傳統系統。 

各種USB開(kāi)發(fā)選擇方案的主要折衷因素在于數據吞吐能力與開(kāi)發(fā)時(shí)間以及是否需要USB專(zhuān)門(mén)知識來(lái)實(shí)現。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(gè)信號：D+、D-、接地信號和VBUS。D+和D-信號為差分數據線(xiàn)路，VBUS信號是由USB主機設備提供的5V線(xiàn)路。VBUS信號用于指示USB端口中的USB數據線(xiàn)是否存在，但是它還能通過(guò)供電集線(xiàn)器向系統提供高達500mA的電源或者通過(guò)非供電集線(xiàn)器向系統提供100mA的電源。 

帶5V至3V片上穩壓器的MCU或固定功能USB通信橋接器可通過(guò)穩壓器輸出來(lái)給整個(gè)應用供電。此規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(kāi)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規格還支持單個(gè)總線(xiàn)連接多達127個(gè)設備，并支持各種設備類(lèi)別，包括人機接口設備(HID)類(lèi)，這類(lèi)設備本身就受大多數操作系統支持，并且不需要安裝驅動(dòng)程序。主機在枚舉過(guò)程中確定相連的USB設備的類(lèi)型。將USB設備插入主機后，USB設備將指示設備類(lèi)型和要加載的驅動(dòng)程序的描述符發(fā)送給主機。 

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

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

開(kāi)發(fā)人員在創(chuàng )建新系統時(shí)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(jìn)行系統的設計，然后為適合USB解決方案而對系統的各個(gè)方面進(jìn)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需要對它們進(jìn)行重新配置。此外，USB通信與系統的連接方法不受限制，開(kāi)發(fā)人員可從上表中的四個(gè)USB通信選擇方案中任意選擇。 

要在新系統中增加USB通信功能，固定功能USB通信橋接器可提供最簡(jiǎn)單的解決方案來(lái)，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UART虛擬COM端口(VCP)橋接器。使用這些通信橋接器時(shí)，由于不需要開(kāi)發(fā)USB固件和驅動(dòng)程序，因此USB專(zhuān)門(mén)知識不是必需的。對于非HID類(lèi)設備而言，制造商為不受支持的操作系統提供必需的驅動(dòng)程序。此外，制造商往往還提供動(dòng)態(tài)鏈接庫(DLL)，為開(kāi)發(fā)USB主機應用提供幫助。無(wú)需開(kāi)發(fā)USB固件、DLL和驅動(dòng)程序可以縮短應用的面市時(shí)間。借助這種技術(shù)，USB接口不直接與目標系統連接，而是另一種橋接設備接口比如UART、串行外設接口(SPI)或內置集成電路(I2C)，直接與目標應用連接。USB轉UART VCP橋接器(圖1)通過(guò)UART接口與目標系統通信。 

開(kāi)發(fā)人員采用這種選擇方案為系統增加USB通信功能時(shí)必須確保目標系統能夠通過(guò)UART接口進(jìn)行通信，同時(shí)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(kāi)發(fā)人員需向終端用戶(hù)提供驅動(dòng)程序和驅動(dòng)程序安裝包。終端用戶(hù)需安裝驅動(dòng)程序才能使用該設備。在這個(gè)實(shí)例中，橋接設備作為USB主機系統的COM端口。需要固定功能USB通信橋接器(無(wú)需安裝主機端驅動(dòng)程序)的開(kāi)發(fā)人員應考慮HID通信橋接器。 

由于HID設備類(lèi)具有靈活性和總吞吐能力，且無(wú)需安裝驅動(dòng)程序，因此這類(lèi)設備正作為嵌入式系統的常規連接選擇方案而獲得業(yè)界認可。由于HID設備類(lèi)本身受多數操作系統支持，因此無(wú)需開(kāi)發(fā)驅動(dòng)程序。終端用戶(hù)直接將其插入設備中即可開(kāi)始使用，而無(wú)需安裝驅動(dòng)程序。在上述USB轉UART VCP實(shí)例中，橋接設備可用HID USB轉UART設備替代(圖2)。 

HID橋接器的大多數設計考慮因素都與上述VCP橋接器實(shí)例相同，但是HID與VCP USB轉UART橋接器實(shí)例在設計上略有不同。通過(guò)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(lèi)設備。HID固定功能通信橋接器可為希望在向系統增加USB通信功能時(shí)最大程度地縮短總USB開(kāi)發(fā)時(shí)間的開(kāi)發(fā)人員提供直接替代方案。如果對于一個(gè)應用而言，固定功能USB通信橋接器的吞吐能力或常規功能不夠用，開(kāi)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(kāi)發(fā)人員必須構建所有的USB固件，如果創(chuàng )建了非HID類(lèi)設備，開(kāi)發(fā)人員必須編寫(xiě)設備驅動(dòng)程序。這需要一些USB方面的經(jīng)驗，因為編寫(xiě)USB固件和設備驅動(dòng)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(shí)執行額外的任務(wù)。這提供了通信橋接器無(wú)法實(shí)現的更高靈活性。例如，如果USB MCU具有模數轉換器(ADC)，開(kāi)發(fā)人員可增加固件來(lái)配置ADC并在需要時(shí)進(jìn)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(guò)程中通過(guò)從設備接收的描述符來(lái)確定設備是HID設備還是非HID設備。 

使用USB MCU時(shí)，USB通信可提供與目標系統的直接連接，系統可以基于USB MCU來(lái)構建(圖3)。除了更長(cháng)的開(kāi)發(fā)時(shí)間之外，開(kāi)發(fā)人員還需考慮所需的吞吐能力。HID類(lèi)設備的吞吐能力限制是64KBps(即512Kbps)。非HID類(lèi)設備的吞吐能力限制為12Mbps(即12,000Kbps)。與HID設備相比，非HID類(lèi)設備可以實(shí)現更高的吞吐能力，但是也需要開(kāi)發(fā)定制驅動(dòng)程序，終端用戶(hù)則需要安裝驅動(dòng)程序。這就增加了應用的總開(kāi)發(fā)時(shí)間。使用配置HID的USB MCU可以避免開(kāi)發(fā)和安裝驅動(dòng)程序，但是前提是HID的吞吐能力能夠滿(mǎn)足應用的要求。  

創(chuàng )建包含USB MCU的系統可以靈活地更改設計的各個(gè)方面，從而根據要求組合最佳的USB解決方案。例如，開(kāi)發(fā)人員在設計通過(guò)USB通信向主機發(fā)送測量數據的醫療設備時(shí)可以更改USB MCU數據傳遞類(lèi)型，以滿(mǎn)足所需的USB MCU解決方案的吞吐能力限制，或者實(shí)現多接口設備，比如帶同步HID接口的設備。設計新的USB應用時(shí)，開(kāi)發(fā)人員可對每個(gè)USB選擇方案的要求進(jìn)行分析，然后選擇最適合的方案。我們接下來(lái)探討如何通過(guò)USB通信升級傳統設計。 

開(kāi)發(fā)人員通過(guò) USB 通信升級傳統系統時(shí)可在為新設計提供的四個(gè)方案中任選一個(gè)，但是必須選擇適合現有應用的USB解決方案，而不是設計一個(gè)適合USB解決方案的應用。此時(shí)，開(kāi)發(fā)人員需考慮當前的通信方法、所需的USB數據吞吐能力和可供附加元器件使用的PCB空間。傳統設計擁有成熟的與主機系統的通信方法。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設計。 

從硬件層面看，現有的PCB需進(jìn)行重新設計，以使USB設備和USB連接器適合現有的電路板。從軟件層面看，USB轉UART設備的制造商一般會(huì )為開(kāi)發(fā)人員提供VCP驅動(dòng)程序，因此無(wú)需開(kāi)發(fā)驅動(dòng)程序。在這個(gè)實(shí)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(wèn)題。設備將仍作為USB主機的COM端口，這樣傳統主機應用不需要進(jìn)行修改即可正常工作。傳統設計與升級的設計之間的主要區別在于通過(guò)USB提供與主機的接口以及需要終端用戶(hù)安裝驅動(dòng)程序。 

如果需要無(wú)驅動(dòng)程序的選擇方案，HID固定功能USB通信橋接器就是一個(gè)可能的解決方案。選擇此方案時(shí)，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。在上述傳統設計升級的實(shí)例中，開(kāi)發(fā)人員可以使用HID USB轉UART橋接器，但是設備不作為主機系統的COM端口，而是作為HID。這樣，傳統主機應用如不進(jìn)行修改將無(wú)法正常工作。盡管此解決方案無(wú)需安裝驅動(dòng)程序，但是現有的主機應用需進(jìn)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A(yíng)PI通信。固定功能USB通信橋接器是大多數傳統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(jiǎn)單的解決方案，且無(wú)需USB專(zhuān)門(mén)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(kāi)發(fā)人員必須編寫(xiě)所有的USB固件，因此該選擇方案需要一定的USB專(zhuān)門(mén)知識。VCP USB設備還需開(kāi)發(fā)和安裝驅動(dòng)程序。USB MCU必須具有通過(guò)GPIO引腳或系統管理總線(xiàn)(SMBus)或SPI等外設接口與現有傳統應用進(jìn)行通信的途徑(圖5)。 

此外，需通過(guò)增加額外元器件對現有PCB進(jìn)行重新設計。若開(kāi)發(fā)人員所需的吞吐能力比橋接設備所能實(shí)現的吞吐能力高或者使用橋接設備無(wú)法實(shí)現的通信方法，使用USB MCU升級傳統應用是最佳選擇。 

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(kāi)發(fā)人員的USB經(jīng)驗和開(kāi)發(fā)時(shí)間。使用USB MCU可提供最高的靈活性，但也需要USB專(zhuān)門(mén)知識，并且可能需要開(kāi)發(fā)驅動(dòng)程序。選擇固定功能USB通信橋接器無(wú)需任何USB固件，也不需要開(kāi)發(fā)驅動(dòng)程序，這樣就縮短了總開(kāi)發(fā)時(shí)間。這是在系統中增加USB只進(jìn)行極少的重新設計的最簡(jiǎn)單方法。  

在系統中增加USB功能可以實(shí)現與各種USB主機設備的通信，同時(shí)能以一根數據線(xiàn)增加500mA的電源方案，因此可為應用帶來(lái)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系統中增加USB通信功能提供極具成本效益的方案。