使用 USB 桥接设备简化通用串行总线连接

通用串行总线 (USB) 接口是电子行业成功的通信标准之一。它已成为许多需要连接到主机设备的工业和消费应用程序的标准通信接口。USB 的极端易用性和稳健性使其成为许多嵌入式应用程序的理想接口选择。然而，对于嵌入式设计人员而言，USB 实现需要 USB 协议知识、耗时的软件和固件开发工作。

大多数情况下，这些嵌入式应用程序的设计人员需要提供极具成本效益的终解决方案。实现这一点的简单方法是将 USB 功能与其他外围设备和存储器一起集成到微控制器 (MCU) 中。现在许多 MCU 供应商都提供基于 USB 的微控制器；但是，它们可能无法提供应用所需的正确外设集，从而导致需要外部组件并增加设计复杂性。还有一种将 USB 添加到任何嵌入式解决方案的简便方法，无需 USB 知识或固件开发，从而使设计人员能够更快地将产品推向市场。

USB 设计挑战 
USB 的易用性和稳健性对于嵌入式设计人员而言并不是的。开发人员通常不得不花费大量时间来学习 USB 协议和开发 USB 堆栈。这需要专门的工具，并且会增加开发成本和时间。有市售的 USB 软件栈；然而，它们会导致额外的成本和学习努力。

另一个重要的 USB 设计挑战是终产品必须与多种常见操作系统 (OS) 兼容并跟上不断更新的操作系统。开发人员还必须将 USB 硬件成本保持在水平，以提供具有成本效益的终产品。许多 USB IC 需要外部元件，例如端接电阻或精密振荡器来提供 USB 功能。具有软件和工具支持的高度集成 USB 解决方案是简化 USB 设计的基石。

实用解决方案：交钥匙 USB 连接解决方案 
交钥匙 USB 解决方案，例如 Silicon Labs 的 USBXpress 桥接设备，提供高度集成，无需复杂的固件和驱动程序开发。具有工具支持的 USB 设备还可以缩短开发时间，进一步简化 USB 连接。高度集成的 USB 桥接设备几乎可以添加到任何基于 MCU 的解决方案中，以消除固件的复杂性并缩短开发时间。这些设备通过使用大多数 MCU 上随时可用的标准 UART、SPI 或 I2C 接口，充当通向 USB 世界的桥梁。

当开发人员升级具有 USB 通信的遗留系统时，桥接设备特别有用。大多数传统设计都有与主机系统通信的特定方式，在许多情况下是通过 UART 或 I2C 接口。USB 转 UART 或 USB 转 I2C 桥接设备（如图 1 所示）是这种情况下的选择。

图 1. 典型的 USB 转 UART 桥（ Labs）

为您的应用选择合适的 USB 桥接器 
嵌入式设计人员在选择 USB 桥接器设备以确保无缝 USB 集成时应考虑多种因素。

首先，重要的是尽量减少很容易影响分配预算的硬件设计成本。大多数 USB 桥接器或 MCU 都需要外部组件，例如用于 USB 功能的晶体振荡器或端接电阻器。选择高度集成的桥接器件可以消除对包括晶体、稳压器和存储器在内的外部组件的需求，从而减少硬件设计时间和成本。

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对于全速功能，USB 设备需要 48 MHz 时钟输入。选择带有内部时钟的 USB 设备可以生成准确的 48 MHz 时钟，从而无需外部晶振。另一个需要寻找的重要特性是时钟恢复电路。USB 规范要求内部时钟高度准确。但是，大多数情况下，内部振荡器的频率精度可能会有所不同。时钟恢复电路使用输入的 USB 数据流来调整内部振荡器，它允许内部振荡器满足 USB 时钟容限的要求。使用这种新型时钟恢复系统的设备无需外部晶体振荡器，从而降低了成本。

将 USB 添加到嵌入式应用程序的主要优势之一是能够为设备供电。当 USB 设备在连接到主机时由总线供电时，电池供电设备可以限度地延长电池寿命。这需要一个低压差 (LDO) 或稳压器将电压从 5 V（主机）降至 3.3 V。使用带有集成收发器和片上匹配和上拉的 USB 功能控制器也很重要电阻器。用于正确 USB 线路端接的端接电阻器和用于直接 USB 连接的 5 V 稳压器的集成进一步减小了印刷电路板 (PCB) 的尺寸。

此外，提供 GPIO 控制功能和时钟输出功能的 USB 桥接器增加了设计的灵活性并缩短了开发时间。桥接设备中另一个需要考虑的吸引人的特性是支持多种波特率以适应广泛应用的灵活性。

一些现代 USB 桥接设备还提供功能以进一步节省 PCB 面积（图 2）。例如，Silicon Labs 的 CP2102N 设备包括一个集成的电池充电器检测功能，可检测连接的充电器类型，以及一个远程唤醒功能，可唤醒挂起的主机。在片上包含此类功能不仅增强了嵌入式设计的灵活性，而且还节省了总体系统成本。

图 2. 小型 PCB 中的 3 mm x 3 mm USB 桥接器 IC 和完整解决方案示例。（）

，设计人员必须尽量减少 USB 空间，以满足对空间敏感的便携式应用的外形尺寸和人体工程学要求。此外，一些遗留应用程序可能需要在升级应用程序以包括 USB 连接时保持相同的物理尺寸。选择提供小型封装变体的 USB 桥接器有助于通过减少 PCB 占用空间并使设计人员能够将解决方案压缩到比 RS-232 连接器更小的空间中来克服这一限制。

使用工具加速 USB 开发 
高度集成是决定选择 USB 桥接器以降低成本和硬件设计时间的关键因素，但在做出正确的桥接器选择方面软件和工具集也同样重要。消费者将 USB 视为完美的即插即用接口。虽然 USB 看起来确实像 UART、SPI 或 I2C 等其他串行接口一样简单，但 USB 协议的实现并不简单。USB 协议和固件开发的隐藏复杂性可以通过使用交钥匙固定功能 USB 桥接设备来解决。这些设备允许设计人员开发 USB 系统，而无需广泛的 USB 知识或固件开发。

虽然使用固定功能设备时不需要代码开发，但设计人员仍在寻找多种配置选项来适合他们的设计或使他们的设计在市场上脱颖而出。每个 USB 桥接设备都有许多用户可配置的选项，这些选项决定了设备的行为，从设备在主机上的显示方式到接口和引脚配置等专用设备选项。因此，必须确保所选 USB 桥接器设备提供工具，这些工具可提供配置选项并允许轻松定制以使终产品脱颖而出。

Silicon Labs 的 Xpress 配置器（如图 3 所示）是旨在简化 USB 配置的工具示例。直观的基于 GUI 的配置器允许轻松定制和编程 USB 固定功能设备。供应商 ID (VID)、产品 ID (PID)、设备字符串和 USB 电源模式等常见 USB 属性可以使用 GUI 轻松配置。只需点击几下，即可配置 GPIO、接口选项和调制解调器信号等功能。此外，GUI 中的问题/警告视图可引导开发人员针对每个 USB 属性进行设置，并为 USB 定制提供更无风险的环境。终所需的配置可以使用单个按钮进行编程，以使用交钥匙设备而无需编写任何代码。

图 3. USB 桥接器配置的工具 GUI 示例。（）

大多数情况下，开发人员没有合适的工具集来对具有终配置的数千个 PCB 和设备进行编程。在这种情况下，选择提供工厂编程以节省大量编程时间的 USB 设备供应商非常有用。

软件驱动程序的重要性 
USB 设备有望在所有操作系统上无缝运行。为实现这一目标，开发人员必须创建主机驱动程序，这并非易事。USB 驱动程序开发需要知识和重要测试才能实现操作。必须选择能够提供经过的强大驱动程序的 USB 设备，以便在系统中实现无缝 USB 连接。一些供应商提供虚拟 COM 端口 (VCP) 设备驱动程序（参见图 4），允许设备作为 PC 应用软件的 COM 端口出现。这在尝试使用 USB 更新旧式串行设备时特别有用。使用 VCP 驱动程序，PC 软件将设备识别为 COM 端口，因此现有的 COM 端口应用程序可用于通过 USB 传输数据，而无需实际修改应用程序。

图 4. 虚拟 COM 端口 USB 桥在设备管理器中被识别为 COM 端口。（）

为了进一步简化和增强设计人员的即插即用功能，一些 USB 设备供应商提供了创新的、完全兼容的 USB-HID 桥接器。这些设备支持大多数操作系统原生支持的 USB-HID 类，因此无需安装或开发驱动程序。HID-USB 设备常见的示例是计算机键盘和鼠标，并且 HID-USB 类也足够灵活以适应许多不同类型的 USB 设计。

结论 
USB 桥接器和交钥匙 USB 解决方案提供了一种简单且经济的方法来将 USB 连接添加到新的或现有的非 USB 系统。它们的高集成度降低了 PCB 尺寸和 BOM 成本，使其成为空间受限和成本敏感型应用的理想选择。它们的简单性和交钥匙性质消除了对 USB 知识或固件开发的需求，使设计人员能够更快地将他们的终产品推向市场。先进的 USB 配置工具和强大的驱动程序包使开发人员能够区分他们的应用程序并提供与大多数操作系统的无缝兼容性。使 USB 不仅对消费者而且对设计人员都变得简单至关重要，选择正确的 USB 桥接设备将消除为您的下一个嵌入式设计添加 USB 连接的麻烦。