TI-德州仪器模拟设计|实现隔离式USB 2.0 On-The-Go端口

　　引言
　　USB作为工业系统中用于人机交互、诊断、固件下载、外设连接和数据记录的接口正变得越来越流行。鉴于工业领域存在噪声和恶劣瞬变，以及为了确保电气安全，系统设计人员更喜欢对USB端口进行隔离。拥有一个可以连接到主机（例如笔记本电脑）或外设（例如USB驱动器）的USB端口，而不是拥有分别用于主机连接和外设连接的端口增加了灵活性并降低了成本。
　　USB On-The-Go(OTG)提供了这种灵活性，同时还允许通过主机协商协议(HNP)交换主机和外设角色。不过，目前没有用于隔离USB OTG端口的解决方案。本文介绍了使用HNP实现隔离式USB OTG端口的主要注意事项和隔离式USB中继器的相应要求，以及使用TI的ISOUSB211隔离式USB中继器实现隔离式USB OTG端口的应用图和测试结果。
　　OTG USB应用的现有实现

　　提供了实现隔离式USB平台的现有方法，以及有关为建立数据链路提供专用主机和外设端口的建议，如图1所示。上行（外设）端口通过一个1.5k电阻器对D+进行上拉（表示全速或高速外设）或对D-进行上拉（表示低速外设）。下行（主机）器件具有15k下拉电阻器，以符合USB 2.0标准。下行端口为5V VBUS电源轨供电，不会从上行端口取电。建立连接后，会检测到VBUS的存在，之后会进行上拉识别和数据包传输。因此，对于端口必须承担主机或外设角色的隔离式OTG实现，隔离器必须对连接透明。

　　图1.独立的主机和外设实现

　　On-The-Go工作原理

　　OTG端口有一个额外的第五个引脚，标记为ID引脚。当连接发生时，该ID引脚上的状态控制初始主机和外设角色，如图2所示。连接到电缆ID接地短路的一端的端口承担初始主机（A器件）角色，连接到电缆ID悬空的另一端的器件承担初始外设角色（B器件）。OTG模块上的ID上拉有助于确定连接时ID引脚的状态。当B器件希望接管主机角色时，OTG定义了一个HNP，使器件能够无缝地交换角色，而无需拔出和交换电缆连接。为了使HNP无缝工作，隔离式USB中继器应该能够动态地将任何一侧切换为上行侧或下行侧。本文不讨论通过产生脉冲VBUS来启动A器件上的会话的会话请求协议。

　　图2.由ID引脚确定的初始主机或外设角色

　　隔离式OTG的实现

　　图3显示隔离式中继器需要具有灵活性，以便任意一侧都能作为主机或外设运行。在运行期间，隔离式中继器在上电时引入了一个15k下拉电阻器。提供外部1.5k上拉电阻器的一侧将建立连接。另一侧承担主机角色，在中继器中引入内部1.5k上拉电阻器以镜像下行连接。使用Micro-A插头插入的一端承担初始A器件角色，使用Micro-B插头插入的一端承担初始B器件角色。在进行初始角色分配之后，HNP在器件希望交换角色的场景中有一组定义的转换：初始A器件挂起总线，初始B器件通过断开1.5k上拉电阻器并启用15k下拉电阻器来转换至等待连接状态。由于线路现在处于SE0状态，因此A器件承担外设角色并通过启用其内部1.5k上拉电阻器来建立连接。总线现在反映了J状态，初始B器件（现在处于主机状态）将其检测为外设连接。无论HNP确定的角色如何，5V VBUS都由A器件提供。

　　图3.自供电隔离式On-The-Go模块的方框图

　　采用ISOUSB211 EVM的OTG演示

　　图4演示了使用板载元件的隔离式USB-OTG实现。该电路包含ISOUSB211隔离式高速USB中继器、SN65055W推挽变压器驱动器和ISO6721双通道数字隔离器，用于实现隔离式USB-OTG操作。正如上一节中强调的那样，对于USB-OTG应用，隔离式USB解决方案必须允许任一侧作为上行侧或下行侧。这种灵活性由ISOUSB211来实现，该器件具有自动角色检测功能，使任何一侧都可以轻松地根据哪一侧首先检测到1.5k上拉电阻器来承担上行或下行角色。ISO6721通过隔离栅将ID信息从连接器传输到OTG模块。来自ISOUSB211的V2OK信号（指示VBUS2是否可用）被馈送到OTG模块的USB_DET引脚。USB 2.0标准规定，除非存在VBUS，否则器件不应在DP/DM线路上引入上拉电阻器。OTG模块根据USB_DET状态控制内部上拉电阻器。次级侧低压降稳压器(LDO)输出与连接器的VBUS之间的电源路径中用于控制电力输送的开关取决于连接到模块的器件类型。OTG模块驱动VBUSON信号，以防片外电源需要为连接的器件供电。这将控制次级侧LDO输出与连接器的VBUS之间的开关。

　　图4.使用ISOUSB211和ISO6721D的隔离式USB OTG端口实现

　　场景A：隔离式OTG模块连接到USB驱动器（总线供电）
　　连接到隔离式OTG模块（A器件）的ID引脚接地短路。该信息通过ISO6721的反向通道发送，穿过隔离栅。然后OTG模块向VBUSON发出信号，使其变为高电平，进而使开关闭合，从而为闪存驱动器（B器件）供电。直到该阶段，V2OK保持低电平，OTG模块不启动D+/D-上拉控制。器件侧上电后，V2OK变为高电平，从而使OTG模块能够按照USB 2.0标准控制上拉电阻器。
　　场景B：隔离式OTG模块连接到笔记本电脑（主机）
　　连接到隔离式OTG模块（B器件）的ID引脚悬空，通过ISO6721的反向通道以高电平进行传输。OTG模块使VBUSON的状态保持为低电平，这会在连接的主机自供电时使开关保持断开状态。假设主机是自供电的，并且根据USB 2.0标准启动了上拉，V2OK会在连接建立后立即变为高电平。
　　演示
　　以下部分演示了使用ISOUSB211EVM评估模块的OTG实现。
　　为了演示从A型器件到B型器件在任一方向的电力输送，引入了一个额外的SN6505EVM。
　　将手机连接到笔记本电脑

　　在图5中，支持OTG功能的手机（带有母头Micro-B连接器，双角色端口）借助Type-A公头转Micro-B公头连接器通过ISOUSB211EVM连接到笔记本电脑（带有Type-A母头端口）。该实验的目标是将文件从手机复制到笔记本电脑中。

　　图5.连接到主机的ISOUSB211+U盘（OTG模块）

　　在首次连接期间，连接到手机的电缆端将连接的ID设置为高阻态（B型器件）。一旦手机识别到ID引脚被设置为高阻态，它就会承担B型角色。电力通过ISOUSB211EVM上的SN6505路径从笔记本电脑传输到手机。手机使DP线路上的上拉电阻器生效（指示B型角色），ISOUSB211在1侧引入其内部1.5k上拉电阻器。此后，会按照USB 2.0标准在A型器件和B型器件之间进行通信。
　　外设能够进行通信，数据传输成功完成。
　　将手机连接到USB驱动器

　　在图6中，支持OTG功能的手机（带有母头Micro-B连接器，双角色端口）通过Type-A母头转Micro-A公头连接器连接至闪存驱动器（使用Type-A端口）（使用Type-A母头转Micro-A公头连接器连接至EVM）。该实验的目标是将文件从闪存驱动器复制到手机中。

　　图6.连接到主机的ISOUSB211+U盘（OTG模块）

　　在连接过程中，连接到手机的电缆端的ID引脚接地短路（A型器件）。手机识别ID引脚设置为低电平，从而承担A型角色。通过SN6505建立的反向电源路径处于工作状态，为闪存驱动器上电。闪存驱动器使DP线路上的上拉电阻器生效（指示B型角色），ISOUSB211在2侧引入其内部1.5k上拉电阻器。此后，会按照USB 2.0标准在A型器件和B型器件之间进行通信。
　　外设能够进行通信，数据传输成功完成。
　　总结
　　使用具有灵活的主机侧和外设侧的隔离器可以轻松建立隔离式USB OTG应用，其中在运行期间根据首先在DP/DM线路上从外部在哪一侧观察到1.5k上拉电阻器来配置主机侧和外设侧。此类配置可确保实现更小的尺寸、更少的连接器以及完全可切换的角色，而无需更改硬件。