USB OTG：便携式消费类电子产品需要的唯一有线接口！

USB OTG：便携式消费类电子产品需要的唯一有线接口！

作者：Dan，德州仪器 (TI) 连接解决方​​案产品部 USB 产品营销经理

概括

当我们审视当今的一些小型便携式设备时，我们实际上谈论的是小型 PC。 通常，这些小型便携式设备具有数千兆字节的存储容量，用于存储丰富的内容。 它们的功能是通过多个处理器和协处理器来实现的，并且大多数具有多个无线接口。 这些小型便携式设备还具有数码摄影和视频功能，其中大多数是多媒体播放器，包括音乐和视频播放器。 这些小型便携式设备使用功能齐全的操作系统以及类似桌面的应用程序，例如电子表格、文档、PDF、电子邮件等。 因此，当我们看待这些设备时，我们不能仅仅将它们视为手机、MP3播放器或数码相机。 正如 PC 很大程度上采用 USB 作为标准接口一样，这些便携式设备也是如此！ 然而，标准 USB 并不具备这些设备在给定使用环境中所需的一切。 另一方面，USB on the Go (USB-OTG) 是一种理想的有线接口，可通过单个小插孔实现所有这些用例，从而无需任何其他有线接口。

什么是移动USB？

要了解什么是USB OTG，我们首先要了解标准USB的一些基本原理。 要了解USB的基本原理，我们必须回到20世纪90年代初期，即USB 1.0规范发布之前，看看当时的PC是什么样子的：

2003年7月，USB-OTG作为USB 2.0规范的补充标准发布，定义了一类新的设备。 此类设备旨在扩展外围产品的功能以包括有限的主机功能。 顾名思义，该规范最初针对的是一些消费类便携式设备，即最终用户在计算机不可用时可能希望与其共享数据的设备。 应用示例包括在两个 PDA 或移动电话之间共享联系信息、在两个 DSC 或照相手机之间共享照片、或者直接从 DSC 或 PDA 进行打印。 与标准 USB 一样，OTG 是点对点中央主机控制器总线，不应用作点对点网络连接。 当连接到标准 USB 主机（例如：PC）时，OTG 产品必须充当标准外设。 OTG 补充标准重点关注设备在主机模式下必须如何运行。

就像标准 USB 主机端口一样，必须为 OTG 主机提供电源。 然而，所需的电源电流限制为 8mA。 这不是最大值； 事实上，可以提供的上限是没有的。 然而，由于大多数支持 OTG 的产品都是电池供电的，因此在延长电池寿命和为总线供电的 USB 外设提供足够的电力之间始终需要取得平衡。 如果OTG产品提供大于8mA的最小电流，显然有两种高供电电流选择。 一是 100mA，这是为所有低功耗 USB 总线供电外设指定的最大电流。 它将使 OTG 设备能够为大多数闪存驱动器以及许多其他低功耗外围设备（例如键盘或鼠标）提供服务。 另一种是选择500mA的标准USB主机端口。 它允许 OTG 设备满足任何总线供电的 USB 外设的电源需求。

标准 USB 主机和 OTG 产品之间的第二个重要区别是 OTG 设备可能没有一种简单的方法来为“无法识别”的设备添加驱动程序。 这可能有两个原因。 首先，可能无法将新软件加载到 OTG 设备上，特别是当 OTG 端口连接了“新”外设时。 换句话说，一些OTG设备可能具有无线功能来实现网络连接，以便为无法识别的设备下载驱动程序，这需要非常复杂的操作系统来实现。 第二个潜在限制是 OTG 设备的内存。 这些设备向操作系统分配固定的存储容量。 由于缺乏开放内存，可能无法向该存储空间添加额外的驱动程序。 因此，OTG 设备必须提供所谓的“目标外设列表 (TPL)”，该列表允许设备制造商准确指定其支持的外设。 USB 规范使用所谓的“USB 标头”信息来识别每个 USB 设备。 任何设备标头中的“前”两个栏是“供应商标识号 (VID)”和“产品标识号 (PID)”。 TPL 是 OTG 主机可识别的 VID 和 PID 列表，并且可以自动包含支持它的驱动程序。 该列表以属于操作系统一部分的文件结尾。 除了嵌入设备中的此文件之外，OTG 产品还必须与文本版本的 TPL 一起出售，以供最终用户参考。

由于可能无法在 OTG 设备上添加对新设备的支持，因此不需要“静默”故障。 换句话说，如果最终用户插入不受支持的设备（不在 TPL 中），则会提示用户一条错误消息。 首选方法是在 OTG 设备的 LCD 或屏幕上显示图形或文本消息。 如果 OTG 设备没有文本/图形显示器，则必须提供另一种显示消息的方法。 例如，点亮特定的 LED、以特定的模式闪烁 LED、更改 LED 的颜色等。无论选择哪种消息传递系统，都必须向最终用户通知消息。

在标准USB中，主机上的插孔称为“A”连接器，外围设备上的插孔称为“B”连接器。 由于目标终端设备主要是小型移动消费电子产品，标准“A”插孔对于这些产品来说太大。 在 OTG 规范的原始版本中，这些新连接器被称为“迷你”连接器。 随后，该规范进行了修改，强制要求 OTG 设备使用“微型”连接器。 特别是，OTG 设备必须实现微型 AB 插孔。 此 AB 名称表示“A”和“B”插孔一起安装在单个设备中。 微型 AB 插孔可接受微型 B 插头或微型 A 插头。 问题似乎很清楚：如果插入 micro-A 插头，则该设备是主机；如果插入 micro-A 插头，则该设备是主机；如果插入 micro-A 插头，该设备就是主机； 如果你插入 micro-B 插头，它就是一个外围设备。 但基于微型 AB 的产品如何知道插入的是什么？ OTG 规范在标准 USB 系统的四个触点的基础上添加了另一个触点，称为 ID。 由于 ID 引脚不是标准 USB 连接的一部分，因此规范保留了这一点，并将 ID 引脚上的无连接定义为初始外设。 相反，如果 ID 引脚接地，则该器件将承担初始主机的角色，如图 1 所示。

图 1 电缆方向决定初始主机/目标角色

如上所述，电缆的方向决定了两个 OTG 设备在连接时所扮演的设备角色。 主机通信协议（HNP）定义了一种在主机和设备角色之间动态切换的方法。 为什么要转换角色？ 如果我们查看图 2 并认为每个 OTG 设备都必须包含 TPL，我们就能理解这一要求。 左侧的设备在其 TPL 上有一台打印机，但它不在打印机的 TPL“上”。 如果用户“颠倒”插入电缆（如图 2 所示），则在不颠倒角色的情况下，两个设备之间无法进行通信。 可以通过从两个设备上拔下电缆，然后通过颠倒电缆末端来重新连接电缆来实现通信。 协议中内置了 OTG 规范来自动处理这种情况。 HNP 允许静默和自动角色反转，从而实现通信。 与强迫用户断开电缆并将其倒置相比，这可以改善最终用户的体验。 因此，请务必注意主机通常（但并非总是）A 设备。

图2 主机通信协议示例

会话请求协议（SRP）实现了一种根据“主机”设备的需要打开/关闭总线电源的方法，以在不需要通信时节省电力。 许多 OTG 目标终端设备都是电池供电的设备。 延长电池寿命对于制造商和最终用户来说都是最重要的事情。 考虑到这一点，OTG 连接中的 A 设备（由电缆方向指示）可以关闭总线电源并进入睡眠模式，以延长电池寿命。 如果需要，它还允许 B 设备进入睡眠模式。 然而，最终用户可能希望再次发起通信，并在B设备上发起请求。 SRP允许设备B请求设备A打开VBUS电源并发起会话。 OTG 会话定义为 A 设备持续提供 VBUS 电源的时间。 为了唤醒 A 设备，B 设备首先向 D+ 线施加脉冲，然后向 VBUS 线施加脉冲以唤醒 A 设备。 设备 A 检测到此脉冲（设备 A 可以响应任何脉冲行为），导致其打开 VBUS 并启动会话。 SRP 协议比这个简单的示例更复杂。 它还必须能够区分电缆另一端的普通 PC 和 OTG 设备。 可以通过向 VBUS 线路提供测量的电流量并记录产生的电压来做出此决定。 请注意，在图 2 所示的示例中，必须提供电源的 A 设备是打印机，它实际上是会话内的外围设备。

为什么要在便携式设备上实现移动USB？

如前所述，USB OTG 规范已经发布五年多了，而采用却慢慢滞后。 因此，很多人都会提出以下问题：

首先，让我们看看最初的目标设备——便携式消费电子产品：手机、PDA、数码相机、MP3 播放器等。这些设备几乎 100% 使用 USB 作为连接当今 PC 和共享数据的方法。 所有这些当前设备还具有其他接口 - 电池充电电源、音频输入/输出、视频输出、与非 PC 设备通信的能力等等。 然而，随着外形尺寸变得越来越小，消除/减少对外部插孔空间的这种要求的能力变得极其重要。

USB 设计论坛（USB-IF，USB 行业协会）已经制定或正在制定计划，以满足这些便携式设备超出原始 USB 规范的原始功能/范围的许多需求。 它包括三个关键方面：使用 USB 连接进行电池充电、更小的微型连接器和电话音频。 当您将这些规划措施与 USB OTG 规范结合起来时，您只需一个小插孔即可实现所有这些功能，满足便携式设备的所有有线连接需求。

首先，让我们看一下电池充电方面正在进行的一些工作。 最初的 USB 规范不包括正常使用过程中的电池充电。 然而，通过定义外设如何使用 5V/500mA 电源，设备就没有理由不能使用该电源充电。 该设备必须满足所有标准 USB 电源规格，并且运行期间电流消耗不得超过 500mA，未配置时小于 100mA，PC 处于待机模式时小于 500μA。

中国政府已将此上升到法律层面，要求在中国销售的所有新手持终端必须使用 USB 端口充电。 通过标准 USB 端口连接或专用 USB 充电器即可满足此要求。 USB 充电器是一种连接到交流电源但输出端有 USB 插头的电源。 数据线保持开路，因此设备不会尝试通信。 显然，电池限制不一样，因为它不再是 USB 主机提供电源。 他们为这些充电器制定了规范，以便它们可以用于所有手持终端。 这样，每次购买新设备时，手持终端制造商就不需要提供新的充电器，这意味着任何充电器都可以用于所有USB设备。 此外，USB-IF 最近也取得了一些进展，它定义了一种电池供电设备（无论是支持 OTG 还是标准外设）检测连接是标准 USB 主机连接还是专用 USB 充电器的方法。 这样做的目的是为了保证USB设备不会被不同厂家开发的充电器损坏。 关键问题之一是 OTG 产品在电池耗尽时如何管理 VBUS 电流输出。 一般来说，首次连接时，对耗尽的电池进行充电需要大电流尖峰，以使电池达到某个基本阈值以管理设备平衡。 然而，如果通过标准 USB 主机连接进行充电，则无法满足 USB 规范。 因此，终端设备制造商必须在电源管理设计阶段处理电池耗尽的问题。

如上所述，最初发布的OTG规范定义了迷你连接器。 尽管mini-B已成为许多小型外围设备的标准连接器，但人们发现这种mini-AB不足以满足这些设备的所有要求。 对于许多空间敏感的应用来说它还不够小。 其中，比较重要的就是这个接口的健壮性。 令人担忧的是，插拔生命周期对于这些便携式设备可能承受的使用量来说不够长。 最后的改进是增加了锁定机构，以防止电缆意外脱落。 该接口取代了便携式设备中的所有其他有线接口，节省了空间和成本。

一个重要的新进展是计划定义USB-OTG手持终端和USB手持终端之间的标准接口。 这是一种新的设备类型，将定义一个标准接口，允许所有 OTG 型电话/MP3 播放器/视频播放器添加电话支持的功能，作为数字 USB 手持主机进行播放和麦克风输入。 由于手持设备将连接到电池供电的设备并且很可能从该设备接收所有电力，因此对于该手持终端设备而言，关注功耗至关重要。 它使此类音频中心产品的制造商能够从其​​产品中删除 2.5mm 音频接口，并使用现有的 USB 接口。

当我们研究当今的一些便携式消费电子设备时，我们发现它们实际上是小型 PC，具有许多与 PC 相同的功能，包括存储容量、多个处理器、多个无线（以及有线）接口和多媒体功能。 ，一个全功能的操作系统和许多类似桌面的应用程序。 如果 PC 用户已经从 USB 中获得了真正的好处，那么便携式设备也可以将这些好处扩展到其用户，这才有意义！

参考