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以電池供電之IoT世界中的USB連接

2015年06月26日  | Alf Petter Syvertsen

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在過去十年中,通用序列匯流排(USB)標準由於具備易用、隨插即用的功能性和可用性,因此被眾多工業和消費性電子產品的設計人員作為連接其他應用的首選介面。USB已實現其主要目標,即提供消費者簡化控制周邊裝置和傳輸資料的方法。隨著超過三十億個具備USB介面的電子裝置進入市場,USB不僅是消費性應用中成長最快的介面,在工業市場也取得了顯著的成長。


然而對於嵌入式解決方案設計人員而言,USB易用、隨插即用的功能性和可用性並非完全不需要付出代價,特別是如果他們正在為物聯網設計功耗敏感、電池供電的連接裝置產品時。對小型、可攜式裝置來說,增加USB作為通訊介面至少要增加一倍的應用電流消耗,並且需要比原先預期更大的電池。


從傳統的序列介面通訊升級到廣受歡迎的USB介面,通常會由於功耗預算的限制而變得難以實行。一般情況下,設計人員不得不在增加雙倍電池容量和增加裝置成本(這使其不再那麼具吸引力)、或捨棄急需的差異化功能之間做出選擇。下面讓我們來看看USB標準如何從為所有PC連接提供標準化的夢想,演變為甚至可使IoT小型電池供電裝置與任何其他裝置通訊的最先進技術。


USB簡史

如果你曾經研究過1990年代末期生產的桌上型電腦的背面,你或許一眼就能認出為連接不同硬體到電腦而出現的許多標準。這些連接標準包含5引腳的DIN、PS/2、序列埠、並列埠、也許也有一兩個SCSI(「scuzzy」)通訊埠,如果你是一個遊戲玩家,你還會在音效卡上有一個遊戲連接埠。


USB早期開發人員意識到了這種紛亂的連接狀況,並在1995年開始創造一種機器對機器(M2M)的通用標準,以取代所有其他介面標準。在1990年代末期,當USB第一次被採用時,它只是作為“另一種連接器”加入到PC。然而在2000年起USB開始迅速發展,並在經過一系列的更新後,它成為目前最被廣泛採用的M2M介面之一。只要看看你的筆記型電腦和手機就能明白USB標準的成功。你的智慧型手機可能只有一個連接介面:USB。如果你在2010年以後購買了筆記型電腦,便會發現除了顯示器和網路連接器之外,它可能只具有USB介面。此外,用於現今筆記型電腦和平板電腦的觸控板、鍵盤和其他周邊裝置都透過USB與主處理器通訊。


USB標準的拓撲連接分為裝置(device)和主機(host)。主機是發起通訊並提供電源的機器;在桌面上,通常就是你的筆記型電腦或桌上型PC。裝置是連接到主機的下游裝置,簡單的回應主機的任何請求;在桌面上,滑鼠和鍵盤就是常見的USB裝置。


關於USB連接器的獨特之處是它也可以為連接的裝置供電,因此不需要為你的滑鼠或外接硬碟驅動器增加額外的電源。USB標準規定主機至少輸出100mA的電流給裝置,並且如果裝置支援的話,它有可能獲得500mA電流。這些供電能力來自最初的USB標準,PC幾乎總是作為主機,並且它們一直都是透過牆壁插座獲得電源。這個USB標準需求限制了USB在低功耗應用上的發展,儘管對PC應用來說,主電源供應並不成問題。


但是當這種成熟的M2M介面要滿足今日電池供電的IoT世界時,會發生什麼?當主機也是一個可攜式裝置時,又有什麼影響呢?


對於現今USB硬體的影響

在現今的可攜式裝置應用中,最常見的術語是「功率預算」。功率預算決定裝置能夠消耗多少能量,並且它是基於電池容量和所需要的電池使用壽命計算出的。例如,在一個有250mA電池容量和需要支援兩天(48小時)電池使用壽命的應用中,功率預算大約為5mA。這個功率預算必須分佈在開發人員所希望裝置做的每一項功能上,包含從感測器擷取和處理到通訊和驅動顯示。


在過去的二、三十年間,微控制器(MCU)變得越來越小,並且電池容量也有所提昇,因此我們看到可攜式裝置的爆發性成長,這些可攜式裝置包含從手持風速表和示波器以至於數位呼氣酒測器和遙控器。然而隨著擁有四核心 GHz級處理器的智慧型手機的出現,現在可看到更多可攜式裝置以智慧型手機配件之形式出現,製造商不再擔心處理能力或使用者介面方面的問題。這種市場趨勢正推動低價配件的快速成長,例如獲得Kickstarter募資支援、可用於智慧型手機的Vaavud風速表,以及可插進iPhone中的呼氣酒測器,這兩個應用都使用HiJack介面,這種特殊介面可以工作於低階裝置,但並不是最佳介面。


為了設計一個真正通用並好用的可攜式裝置,你應當選擇最合適的M2M介面,例如USB。選擇USB也能夠使你的設計產品做到無主機限制(host-agnostic),這表示如果你想讓產品既能支援Mac、Windows手機又能支援Android平板,這都將不再是問題。然而當你想透過USB連接這些小配件到電池供電的日常用品時,你在原本USB標準中從不關心的「功耗」突然成為了選擇USB解決方案的優先考慮問題。你不想僅僅為了與周邊裝置通訊而浪費平板電腦或筆記型電腦的寶貴電池壽命,並且你也不想設計出一個會快速耗盡智慧型手機電池電量的配件應用產品。


透過正確選擇具備USB功能的硬體,你將能夠開發出耗電極少的裝置,同時通用M2M介面也得以消除幾乎所有的外部元件。


用於電池供電世界中的USB技術

為了解USB技術如何改善功耗又保持易用和隨插即用的功能性,我們首先需要快速瀏覽一下USB的通訊過程。一般情況下,僅有主機能夠發起傳輸。即使沒有通訊,主機也要每毫秒發送連線(keep-alive)訊息給裝置。如果裝置有可用資料,它會回應。在這種工作模式下,裝置可獲得高達100mA的能量,並且主機預期裝置能夠立即回應任何請求。當主機停止發送這些連線訊息達到3ms時,裝置應進入暫停狀態並且立即消減它的電流消耗到3mA以下。


在暫停狀態下,大部分裝置能被關閉,通常我們能夠關閉最耗能的PHY。即使現今的MCU能夠輕鬆實現3mA的暫停電流,我們也沒有理由保持在那麼高的狀態。具備良好能源模式的MCU應能在這種模式下實現小於3μA的電流消耗,包含PHY的電流消耗。


然而在工作模式中,當檢測一個正常鍵盤裝置的USB通訊時,主動模式不是十分有效的;大多數時候,裝置僅僅等待主機發送資料。然而當主機請求裝置回應時,回應必須及時;這是為什麼大多數實作上會保持USB周邊裝置一直運行在48MHz以允許足夠的回應時間。在這個特別的實例中,97%的時間是空閒的,即使我們進行了列舉(enumerated)和啟動。


為電池供電應用而最佳化的USB應用需要把這些功耗管理因素考慮在內,並且十分確定何時需要時脈、需要多長時間、哪些其他USB元件能夠關閉。Silicon Labs目前擁有兩項正在申請中的專利技術,並已獲得製造商和客戶回饋,使得USB介面在現今電池供電IoT裝置中具真正用武之地。即使在工作模式,高能效的通訊也能夠透過使用crystal-less USB振盪器和關閉封包通訊之間的耗電USB連接元件而實現,如圖1所示。這種創新的方法大幅降低了系統級功耗,並且建立出真正通用的、可提供優異能效的M2M介面。


圖1:具備低能耗模式(LEM,low-energy mode)鍵盤傳輸匯流排的有效訊號表明了何時關閉耗電的USB介面元件
圖1:具備低能耗模式(LEM,low-energy mode)鍵盤傳輸匯流排的有效訊號表明了何時關閉耗電的USB介面元件。

理所當然,對開發人員和終端使用者來說,低能耗USB應實現於無形之中。透過低能耗模式(LEM),降低能耗是十分明顯的,如圖2所示。當這種技術與其他空間和成本節省特性(例如crystal-less USB應用和時脈恢復)相互結合時,開發人員能夠實現真正的超低能耗通用M2M介面,並且不需要額外元件。


圖2:一個典型的USB收發器在空閒時處於「接收」模式,浪費3-5mA。透過LEM技術,收發器能夠保持在類似暫停的低電流模式。
圖2:一個典型的USB收發器在空閒時處於「接收」模式,浪費3-5mA。透過LEM技術,收發器能夠保持在類似暫停的低電流模式。

結論

USB介面已經從一個減少傳統桌上型PC雜亂線纜連接的簡單需求,發展成為消費性電子裝置介面的標準。具備USB功能的可攜式裝置日益普及,促使整合的USB周邊裝置提供新的設計要求。


新的智慧型USB硬體使得成本和功耗得以減少,並延長了電池使用壽命。當與crystal-less USB技術相結合時,廣泛使用的USB標準將使得所有可連接裝置變得更加智慧、可連接的、節能。





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