然而對於嵌入式解決方案設計人員而言
，USB易用、隨插即用的功能性和可用性並非完全不需要付出代價
，特別是如果他們正在為物聯網設計功耗敏感、電池供電的連接設備產品時。對小型

、便攜式設備來說

，增加USB作為通信接口至少要增加一倍的應用電流消耗，並且需要比原先預期更大的電池。

 

從傳統的串行接口通信升級到廣受歡迎的USB接口，通常會由於功耗預算的限製而變得難以實行。一般情況下，設計人員不得不在增加雙倍電池容量和增加設備成本 (這使其不再那麼具吸引力)、或舍棄急需的差異化功能之間做出選擇。下麵讓我們來看看USB標準如何從為所有PC連接提供標準化的夢想，演變為甚至可使IoT小型電池供電設備與任何其他設備通信的最先進技術。

 

 

如果你曾經研究過1990年代末期生產的桌上型計算機的背麵，你或許一眼就能認出為連接不同硬件到計算機而出現的許多標準。這些連接標準包含5引腳的 DIN、PS/2、串行端口
、並行端口、也許也有一兩個SCSI(“scuzzy”)通信端口
，如果你是一個遊戲玩家，你還會在音效卡上有一個遊戲連接端口。

 

USB早期開發人員意識到了這種紛亂的連接狀況，並在1995年開始創造一種機器對機器(M2M)的通用標準，以取代所有其他接口標準。在1990年代末期，當 USB第一次被采用時，它隻是作為“另一種連接器”加入到PC。然而在2000年起USB開始迅速發展，並在經過一係列的更新後

，它成為目前最被廣泛采用 的M2M接口之一。隻要看看你的筆記型計算機和手機就能明白USB標準的成功。你的智能手機可能隻有一個連接接口：USB。如果你在2010年以後購買了 筆記型計算機
，便會發現除了顯示器和網絡連接器之外，它可能隻具有USB接口。此外
，用於現今筆記本電腦和平板電腦的觸控板、鍵盤和其他周邊設備都透過 USB與主處理器通信。

 

USB標準的拓撲連接分為設備(device)和主機(host)。主機是發起通信並提供電源的機器;在桌麵上，通常就是你的筆記本電腦或台式PC。設備是連接到主機的下遊設備，簡單的回應主機的任何請求;在桌麵上，鼠標和鍵盤就是常見的USB設備。

 

關於USB連接器的獨特之處是它也可以為連接的設備供電，因此不需要為你的鼠標或外接硬盤驅動器增加額外的電源。USB標準規定主機至少輸出100mA的電 流給設備，並且如果設備支援的話，它有可能獲得500mA電流。這些供電能力來自最初的USB標準，PC幾乎總是作為主機，並且它們一直都是透過牆壁插座獲得電源。這個USB標準需求限製了USB在低功耗應用上的發展，盡管對PC應用來說，主電源供應並不成問題。

 

但是當這種成熟的M2M接口要滿足今日電池供電的IoT世界時，會發生什麼?當主機也是一個便攜式設備時，又有什麼影響呢?

 

 

在現今的便攜式設備應用中，最常見的術語是“功率預算”。功率預算決定設備能夠消耗多少能量，並且它是基於電池容量和所需要的電池使用壽命計算出的。例如， 在一個有250mA電池容量和需要支援兩天(48小時)電池使用壽命的應用中
，功率預算大約為5mA。這個功率預算必須分布在開發人員所希望設備做的每一 項功能上，包含從傳感器擷取和處理到通信和驅動顯示。

 

在過去的二、三十年間


，微控製器(MCU) 變(bian)得(de)越(yue)來(lai)越(yue)小(xiao)，並(bing)且(qie)電(dian)池(chi)容(rong)量(liang)也(ye)有(you)所(suo)提(ti)升(sheng)，因(yin)此(ci)我(wo)們(men)看(kan)到(dao)便(bian)攜(xie)式(shi)設(she)備(bei)的(de)爆(bao)發(fa)性(xing)成(cheng)長(chang)
，這(zhe)些(xie)便(bian)攜(xie)式(shi)設(she)備(bei)包(bao)含(han)從(cong)手(shou)持(chi)風(feng)速(su)表(biao)和(he)示(shi)波(bo)器(qi)以(yi)至(zhi)於(yu)數(shu)位(wei)呼(hu)氣(qi)酒(jiu)測(ce)器(qi)和(he)遙(yao)控(kong)器(qi)。然(ran)而(er)隨(sui)著(zhe)擁(yong)有(you)四(si)核(he)心(xin)GHz級(ji)處(chu)理(li)器(qi)的(de)智(zhi)能(neng)手(shou)機(ji)的(de)出(chu)現(xian)
，現(xian)在(zai)可(ke)看(kan)到(dao)更(geng)多(duo)便(bian)攜(xie)式(shi)設(she)備(bei)以(yi)智(zhi)能(neng)手(shou)機(ji)配(pei)件(jian)之(zhi)形(xing)式(shi)出(chu)現(xian)，製(zhi)造(zao)商(shang)不(bu)再(zai)擔(dan)心(xin)處(chu)理(li)能(neng)力(li)或(huo)使(shi)用(yong)者(zhe)接(jie)口(kou)方(fang)麵(mian)的(de)問(wen)題(ti)。這(zhe)種(zhong)市(shi)場(chang)趨(qu)勢(shi) 正推動低價配件的快速成長，例如獲得Kickstarter眾籌支援、可用於智能手機的Vaavud風速表，以及可插進iPhone中的呼氣酒測器，這兩個應用都使用HiJack接口，這種特殊接口可以工作於低階設備，但並不是最佳接口。

 

為了設計一個真正通用並好用的便攜式設備，你應當選擇最合適的M2M接口，例如USB。選擇USB也能夠使你的設計產品做到無主機限製(host- agnostic)
，這表示如果你想讓產品既能支援Mac、Windows手機又能支援Android平板，這都將不再是問題。然而當你想透過USB連接 這些小配件到電池供電的日常用品時，你在原本USB標準中從不關心的“功耗”突然成為了選擇USBjiejuefangandeyouxiankaolvwenti。nibuxiangjinjinweileyuzhoubianshebeitongxinerlangfeipingbanjisuanjihuobijixingjisuanjidebaoguidianchishouming
，bingqieniyebuxiangshejichuyigehuikuaisuhaojinzhinengshoujidianchidianliangdepeijianyingyongchanpin。

 

通過正確選擇具備USB功能的硬件，將能夠開發出耗電極少的設備，同時通用M2M接口也得以消除幾乎所有的外部元件。

 

 

為了解USB技術如何改善功耗又保持易用和隨插即用的功能性，我們首先需要快速瀏覽一下USB的通信過程。一般情況下，僅有主機能夠發起傳輸。即使沒有通信，主機也要每毫秒發送連線(keep-alive)信息給設備。如果設備有可用數據，它會回應。在這種工作模式下，設備可獲得高達100mA的能量，並且主機預期設備能夠立即回應任何請求。當主機停止發送這些連線信息達到 3ms時
，設備應進入暫停狀態並且立即消減它的電流消耗到3mA以下。

 

在暫停狀態下，大部分設備能被關閉
，通常我們能夠關閉最耗能的PHY。即使現今的MCU能夠輕鬆實現3mA的暫停電流
，我們也沒有理由保持在那麼高的狀態。具備良好能源模式的MCU應能在這種模式下實現小於3μA的電流消耗
，包含PHY的電流消耗。

 

然而在工作模式中，當檢測一個正常鍵盤設備的USB通信時，主動模式不是十分有效的;大多數時候
，設備僅僅等待主機發送數據。然而當主機請求設備回應時
，回應必須及時;這是為什麼大多數實作上會保持USB周邊設備一直運行在48MHz以允許足夠的回應時間。在這個特別的實例中，97%的時間是空閑的
，即使我們進行了列舉(enumerated)和啟動。

 

為電池供電應用而最佳化的USB應用需要把這些功耗管理因素考慮在內
，並且十分確定何時需要時脈、需要多長時間、哪些其他USB元件能夠關閉。Silicon Labs目前擁有兩項正在申請中的專利技術
，並已獲得製造商和客戶反饋，使得USB接口在現今電池供電IoT設備中具真正用武之地。即使在工作模式，高能效的通信也能夠透過使用無晶振(Crystal-less)USB振蕩器和關閉封包通信之間的耗電USB連接元件而實現
，如圖1所示。這種創新的方法大幅降低了係統級功耗，並且建立出真正通用的
、可提供優異能效的M2M接口。

 

圖1：具備低能耗模式(LEM，low-energy mode)鍵盤傳輸總線的有效信號表明了何時關閉耗電的USB接口元件。

 

理所當然
，對開發人員和終端使用者來說，低能耗USB應實現於無形之中。透過低能耗模式(LEM)，降低能耗是十分明顯的，如圖2所示。當這種技術與其他空間和成本節省特性(例如無晶振USB應用和時脈恢複)相互結合時
，開發人員能夠實現真正的超低能耗通用M2M接口，並且不需要額外元件。

 

圖2：一個典型的USB收發器在空閑時處於“接收”模式，浪費3-5mA。透過LEM技術，收發器能夠保持在類似暫停的低電流模式。

 

 

USB接口已經從一個減少傳統桌上型PC雜亂線纜連接的簡單需求，發展成為消費性電子設備接口的標準。具備USB功能的便攜式設備日益普及，促使整合的USB周邊設備提供新的設計要求。

 

新的智能USB硬件使得成本和功耗得以減少，並延長了電池使用壽命。當與無晶振USB技術相結合時，廣泛使用的USB標準將使得所有可連接設備變得更加智能
、可連接的、節能。