引言

USB 作為工業(yè)系統(tǒng)中用于人機交互、診斷、固件下載、外設連接和數(shù)據(jù)記錄的接口正變得越來越流行。鑒于工業(yè)領域存在噪聲和惡劣瞬變，以及為了確保電氣安全，系統(tǒng)設計人員更喜歡對 USB 端口進行隔離。擁有一個可以連接到主機（例如筆記本電腦）或外設（例如 USB 驅(qū)動器）的 USB 端口，而不是擁有分別用于主機連接和外設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，同時還允許通過主機協(xié)商協(xié)議 (HNP) 交換主機和外設角色。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 實現(xiàn)隔離式 USB OTG 端口的主要注意事項和隔離式 USB 中繼器的相應要求，以及使用 TI 的 ISOUSB211 隔離式 USB 中繼器實現(xiàn)隔離式 USB OTG 端口的應用圖和測試結(jié)果。

OTG USB 應用的現(xiàn)有實現(xiàn)

提供了實現(xiàn)隔離式 USB 平臺的現(xiàn)有方法，以及有關為建立數(shù)據(jù)鏈路提供專用主機和外設端口的建議，如圖 1 所示。上行（外設）端口通過一個 1.5k? 電阻器對 D+ 進行上拉（表示全速或高速外設）或?qū)?D- 進行上拉（表示低速外設）。下行（主機）器件具有 15k? 下拉電阻器，以符合 USB 2.0 標準。下行端口為 5V VBUS 電源軌供電，不會從上行端口取電。建立連接后，會檢測到 VBUS 的存在，之后會進行上拉識別和數(shù)據(jù)包傳輸。因此，對于端口必須承擔主機或外設角色的隔離式 OTG 實現(xiàn)，隔離器必須對連接透明。

圖 1. 獨立的主機和外設實現(xiàn)

On-The-Go 工作原理

OTG 端口有一個額外的第五個引腳，標記為 ID 引腳。當連接發(fā)生時，該 ID 引腳上的狀態(tài)控制初始主機和外設角色，如圖 2 所示。連接到電纜 ID 接地短路的一端的端口承擔初始主機（A 器件）角色，連接到電纜 ID 懸空的另一端的器件承擔初始外設角色（B 器件）。OTG 模塊上的 ID 上拉有助于確定連接時 ID 引腳的狀態(tài)。當 B 器件希望接管主機角色時，OTG 定義了一個 HNP，使器件能夠無縫地交換角色，而無需拔出和交換電纜連接。為了使 HNP 無縫工作，隔離式 USB 中繼器應該能夠動態(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 來啟動 A 器件上的會話的會話請求協(xié)議。

圖 2. 由 ID 引腳確定的初始主機或外設角色

隔離式 OTG 的實現(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)都能作為主機或外設運行。在運行期間，隔離式中繼器在上電時引入了一個 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)承擔主機角色，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初始 A 器件角色，使用 Micro-B 插頭插入的一端承擔初始 B 器件角色。在進行初始角色分配之后，HNP 在器件希望交換角色的場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 器件承擔外設角色并通過啟用其內(nèi)部 1.5k? 上拉電阻器來建立連接?？偩€現(xiàn)在反映了 J 狀態(tài)，初始 B 器件（現(xiàn)在處于主機狀態(tài)）將其檢測為外設連接。無論 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)動器和 ISO6721 雙通道數(shù)字隔離器，用于實現(xiàn)隔離式 USB-OTG 操作。正如上一節(jié)中強調(diào)的那樣，對于 USB-OTG 應用，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 來實現(xiàn)，該器件具有自動角色檢測功能，使任何一側(cè)都可以輕松地根據(jù)哪一側(cè)首先檢測到 1.5k? 上拉電阻器來承擔上行或下行角色。ISO6721 通過隔離柵將 ID 信息從連接器傳輸?shù)?OTG 模塊。來自 ISOUSB211 的 V2OK 信號（指示 VBUS2 是否可用）被饋送到 OTG 模塊的 USB_DET 引腳。USB 2.0 標準規(guī)定，除非存在 VBUS，否則器件不應在 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取決于連接到模塊的器件類型。OTG 模塊驅(qū)動 VBUSON 信號，以防片外電源需要為連接的器件供電。這將控制次級側(cè) LDO 輸出與連接器的 VBUS 之間的開關。

圖 4. 使用 ISOUSB211 和 ISO6721D 的隔離式 USB OTG 端口實現(xiàn)

場景 A：隔離式 OTG 模塊連接到 USB 驅(qū)動器（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，使其變?yōu)楦唠娖?，進而使開關閉合，從而為閃存驅(qū)動器（B 器件）供電。直到該階段，V2OK 保持低電平，OTG 模塊不啟動 D+/D- 上拉控制。器件側(cè)上電后，V2OK 變?yōu)楦唠娖剑瑥亩?OTG 模塊能夠按照 USB 2.0 標準控制上拉電阻器。

場景 B：隔離式 OTG 模塊連接到筆記本電腦（主機）

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行傳輸。OTG 模塊使 VBUSON 的狀態(tài)保持為低電平，這會在連接的主機自供電時使開關保持斷開狀態(tài)。假設主機是自供電的，并且根據(jù) USB 2.0 標準啟動了上拉，V2OK 會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 評估模塊的 OTG 實現(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，引入了一個額外的 SN6505EVM。

將手機連接到筆記本電腦

在圖 5 中，支持 OTG 功能的手機（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）。該實驗的目標是將文件從手機復制到筆記本電腦中。

圖 5. 連接到主機的 ISOUSB211 + U 盤（OTG 模塊） 

在首次連接期間，連接到手機的電纜端將連接的 ID 設置為高阻態(tài)（B 型器件）。一旦手機識別到 ID 引腳被設置為高阻態(tài)，它就會承擔 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。手機使 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，會按照 USB 2.0 標準在 A 型器件和 B 型器件之間進行通信。

外設能夠進行通信，數(shù)據(jù)傳輸成功完成。

將手機連接到 USB 驅(qū)動器

在圖 6 中，支持 OTG 功能的手機（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）。該實驗的目標是將文件從閃存驅(qū)動器復制到手機中。

圖 6. 連接到主機的 ISOUSB211 + U 盤（OTG 模塊）

在連接過程中，連接到手機的電纜端的 ID 引腳接地短路（A 型器件）。手機識別 ID 引腳設置為低電平，從而承擔 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)動器上電。閃存驅(qū)動器使 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，會按照 USB 2.0 標準在 A 型器件和 B 型器件之間進行通信。

外設能夠進行通信，數(shù)據(jù)傳輸成功完成。

總結(jié)

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

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

關于德州儀器

德州儀器（TI）（納斯達克股票代碼：TXN）是一家全球性的半導體公司，從事設計、制造和銷售模擬和嵌入式處理芯片，用于工業(yè)、汽車、個人電子產(chǎn)品、企業(yè)系統(tǒng)和通信設備等市場。我們致力于通過半導體技術讓電子產(chǎn)品更經(jīng)濟實用，讓世界更美好。如今，每一代創(chuàng)新都建立在上一代創(chuàng)新的基礎上，使我們的技術變得更可靠、更經(jīng)濟、更節(jié)能，從而實現(xiàn)半導體在電子產(chǎn)品領域的廣泛應用。登陸 TI.com.cn 了解更多詳情。

商標

所有注冊商標和其他商標歸各自所有者所有。