【选型】如何选择正确的USB桥接设备简化USB连接

时间： 2019-09-02 来源：Silicon Labs

技术问答

【摘要】通用串行总线（USB）接口是目前业界中最成功的通信标准之一。它已经成为需要连接到主机设备的许多工业和消费应用的标准通信接口。USB的极端易用性和稳健性使其成为许多嵌入式应用的理想接口选择。那么如何以简易的方法将USB添加到任何嵌入式解决方案中，从而为设计师提供更快的上市时间？

USB设计挑战
对于嵌入式设计人员来说，USB的安装需要专门的USB协议知识，以及耗时的软件和固件开发工作。通常，这些嵌入式应用的设计者需要提供高度有效的终端解决方案。实现这一点的最简单的方法是将USB功能与其他外设和存储器一起集成在微控制器（MCU）中。许多MCU供应商提供基于USB的微控制器；然而，它们可能不提供应用所需的外设，因此需要外部组件，并增加了设计复杂性。

虽然有商用的USB软件堆栈；然而，它们需要额外的成本和学习。开发人员经常不得不花费大量时间学习USB协议并开发USB协议栈，从而增加开发成本和时间。

另一个关于USB设计的艰巨挑战是，最终的产品必须与几个常见的操作系统（OS）兼容，并不断的适应操作系统更新。开发人员还必须将USB硬件成本降至最低，以提供具有成本效益的最终产品。许多USB IC需要外部组件，例如终端电阻或精密振荡器来提供USB功能。具有先进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。

USB连接的统包方案
统包USB解决方案，如SILICON LABS的USBXpress桥接器件，以高集成度去除了对复杂的固件和驱动程序开发的需求。具有高级工具支持的USB设备还可以减少开发时间，进一步简化USB连接。高度集成的USB桥接器件可以添加到几乎任何基于MCU的解决方案，以消除固件复杂性和减少开发时间。这些器件通过使用标准UART，SPI或I²C接口（可在大多数MCU上轻松获得）桥接到USB的世界。

当开发人员使用USB通信升级传统系统时，桥接器件特别有用。大多数传统设计具有与主机系统通信的特定方式，在许多情况下通过UART或I²C接口。在这种情况下，USB到UART或USB到I²C桥接器件是最好的选择。

图1：典型的USB到UART桥接

为你的应用选择正确的USB桥接
嵌入式设计人员在选择USB桥接器件时需考虑多种因素，以确保无缝集成USB。

首先，最小化硬件设计成本是很重要的，这可能影响预算的分配。大多数USB桥接器或MCU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外部组件的需要，从而减少硬件设计时间和成本。对于全速功能，USB设备需要48MHz时钟输入。选择具有可生成48MHz时钟的内部时钟的USB器件，消除了对外部晶振的需求。

另一个重要的特性是时钟恢复电路。USB规范要求内部时钟高度准确。然而，通常情况下，内部振荡器的频率精度是可以变化的。时钟恢复电路使用输入的USB数据流来调节内部振荡器，并允许内部振荡器满足USB时钟容差的要求。使用这种新颖的时钟恢复系统的器件通过消除对外部晶体振荡器的需要降低了成本。

将USB添加到嵌入式应用程序的一个主要优点是能够为设备供电。当USB设备在连接到主机时由总线供电时，电池供电的设备可以最大限度地延长电池寿命。这需要低压差（LDO）或稳压器将电压从5V（主机）降至3.3V。还必须使用带有集成收发器和片内匹配和上拉电阻的USB功能控制器。用于合适的USB线路终端的终端电阻器和用于直接USB连接的5V稳压器的集成进一步减小了印刷电路板（PCB）的尺寸。

图2：使用集成USB桥接消除了外部晶振，稳压器和内存

此外，提供GPIO控制能力和时钟输出功能的USB桥接器增加了设计的灵活性并缩短了开发时间。在桥接器件中需要考虑的另一个有吸引力的特性是支持多种波特率以适应各种应用的灵活性。

一些现代USB桥接器件还提供高级功能，以进一步节省PCB面积。例如，Silicon Labs的CP2102N器件包括一个集成的电池充电器检测功能，用于检测所连接的充电器的类型以及远程唤醒功能以唤醒挂起的主机。片上包含这样的高级特性不仅增强了嵌入式设计的灵活性，而且节省了整体系统成本。

最后，设计人员必须最小化USB空间，以满足对空间敏感的便携式应用的外形和人体工程学要求。此外，一些传统应用程序可能需要保持相同的物理尺寸，同时升级应用程序以囊括USB连接。选择提供小封装变量的USB桥接器可以减少PCB占用空间，并使设计人员能够将解决方案挤入比RS-232连接器小的空间，从而克服这一限制。

图3：小型PCB中3 mm x 3 mm 的USB桥接IC和完整方案

那么在USB设计中除了选择正确的USB桥接有什么关键因素？且听下回分解~

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Panda Lv8. 研究员 2019-08-16

学习下
艾格 Lv4. 资深工程师 2018-11-14

学习
朱良涛 Lv6. 高级专家 2017-12-07

学习了
chaim Lv5. 技术专家 2017-02-24

毫无疑问cp2102，cp2104是目前常用桥接芯片中最好的，pl2303，ch34x，便宜不好用

没有更多评论了

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目录- 8-bit Microcontrollers 32-bit Microcontrollers High-performance analog products wireless ICs, SoCs and modules Sensors Interface chip Timing products Isolation products Audio products Video products Voice products Data products Development Tools

型号- C8051T604-GS,SI8420AD-A-IS,WF111,SI7007-A20-IM1,SI8035AA-B-IU,C8051T604-GM,C8051F813-GU,SI8642ET-IS,C8051F541-AM,SL16020DC,C8051F813-GM,C8051F587-AM,C8051F044,SI2434,SI4613,C8051F043,SI4614,C8051F046,C8051F045,C8051F587-AQ,SI2435,C8051F047,C8051F541-AQ,TS3001,TS3002,SI2439,TS3003,SI8712CC-B-IP,TS3004,C8051F060,C8051F531-C-IM,TS3006,C8051F062,SI8710AD-B-IS,C8051F061,SI8712CC-B-IS,C8051F064,C8051F063,EFM32LG230FX - QFN64,EZR32WG230F64R69G,EFM32WG880FX - QFP100,EFM32WG980FX - QFP100,SI8233BB-C-IS1,C8051F531-C-IT,SI51210,SI8635BD-B-IS,C8051F975-A-GM,SI8230BB-B-IS1,SI8232BB-B-IS,C8051F394-A-GM,SI4624,C8051T616-GM,SI4622,SI8635BT-IS,C8051F573-IM,SI4629,C8051F530-C-AM,SI8920BD-IS,C8051F530-C-AT,C8051F801-GM,C8051F711-GQ,C8051F585-IM,SI21802,C8051F585-IQ,EFM32LG390FX - BGA112,SI8605AC-B-IS1,C8051F370-A-GM,EFM8BB10F2G-A-QFN20,C8051F066,C8051F065,C8051F067,SI2457,SI3452B-B02-GM,SI88243ED-IS,C8051F801-GU,C8051F506-AQ,SI7005-B-GM1,SI2167-C,SI21682-C,SI7022-A20-IM,SI8642AB-B-IS,SI8650ED-B-IS,SI2167-B,SI8719BC-A-IP,TSM9118,SI8631AB-B-IS,TSM9117,SI8234AB-C-IS,TSM9119,SI8234AB-C-IM,EFM32WG390FX - 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【应用】工作电流低至9.5mA的USB桥接芯片用于4G通讯棒设计，3×3mm的小尺寸封装可减少PCB面积

逆变器端，通信棒为USB接口，即插即用，将相关数据通过芯科CP2102N-A02-GQFN28桥接芯片与MCU进行通信，处理后的数据通过4G模块与后台EMS管理系统进行通讯，后台进行统一处理。本文着重介绍芯科USB桥接芯片在4G通讯棒的应用。

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Silicon Labs（芯科科技） CP2105 单芯片USB转UART桥接器数据手册（英文）-CP2105

描述- Silicon Labs（芯科科技） CP2105 单芯片USB转UART桥接器数据手册（英文）-CP2105,CP2105,silabs CP2105,CP2105数据手册,CP2105 datasheet,CP2105规格书,CP2105手册,CP2105技术资料,CP2105资料,CP2105方案,CP2105供应,CP2105库存,CP2105价格,单芯片USB转UART桥接器,UART桥接器,MCU

型号- CP2105,CP210X,CP2105-F01-GMR,CP2105-F01-GM

数据手册 - SILICON LABS - Rev. 1.1 - 2013年11月01日 PDF 英文下载