嵌入式系统设计中的USB OTG方案

与PC系统相比，设计工程师在嵌入式系统中实现USB将面临很多挑战和局限性，包括功耗、PCB面积、CPU处理能力等。本文以TD1120为例，分析了嵌入式应用中USB OTG控制器的功能特性，以及基于TD1120的软件实现。

移动设备和嵌入式市场的爆炸性增长促进了通过公共标准接口在不同设备之间进行方便的数据共享需求的增长。通用串行接口(USB)的广泛应用稳固了其作为业界标准接口的地位，已经成为嵌入式系统I/O连接的事实标准。USB的成功和流行归功于其具有热拔插和即插即用的易用性能。USB从最初引入到PC，到目前已经迅速扩展到非PC的应用，包括移动嵌入式系统。今天嵌入式系统生产商的问题已经不是在产品中实现USB，而是如何最佳地将USB性能集成到他的产品中去，以大大地提升产品的连接性能。

在嵌入式应用中实现USB并不那么简单，与PC系统相比，设计工程师将面临很多挑战和局限性。如果USB实现的规划很好，将简化并加快把USB集成到终端产品的工作。这其中涉及到关于根据终端产品的USB应用情况进行的系统层面决策，产品特性和性能要求的权衡的不同将影响到USB功能性的恰当实现。

USB2.0与OTG

图1：USB软件与操作系统的上层关系图。

USB2.0规范是USB1.1的演进，采用一个高速接口使系统生产商能推出具有相同易用连接优点的高性能产品。USB2.0支持高达480Mbps的高速数据传输，并且与USB1.1规范后向兼容，而后者仅支持全速的12Mbps和低速的1.5Mbps。

USB OTG是USB2.0规范的补充，结合了对移动应用友好的新特性，包括低功耗、更小的USB接头以及在相同的USB端口上增加了双重角色的功能(作为主机和外设的功能)。OTG通过在没有计算机的情况下，相互之间对等连接使传统的只能作为USB外设的移动产品的性能和连接性得到扩展。

OTG控制器

TD1120是TransDimension公司提供的第三代OTG控制器，并针对便携式媒体播放器(PMP)、智能电话、个人数字助理(PDA)、便携式视频录像机(PVR)、数字相册和多功能打印机等进行了优化。TD1120使得这些产品能扩展其应用，既可以当作全速USB主机操作或高速外设，又能同时执行两种功能。

数据内容量的增加和要求高带宽的应用(例如大数据文件的传输)推动了高速外设连接需求。TD1120能实现高速数据传输，减少像连接到PC这样的USB主机时大数据内容(图形文件)的传输时间。当在主机模式时，TD1120使系统能连接到更宽范围的USB外设，例如大容量存储设备(U盘)、键盘、鼠标、打印机以及数码相机。在全速下功耗较低，能延长系统电池寿命。

对于多功能打印机，TD1120提供了一种将打印机升级到具有USB主机功能和外设连接特性的一种具有成本效益的方法。高速USB外设控制器提供从打印机到PC的连接，同时全速主机控制器能支持PictBridge功能，这样用户就可以将数码相机连接到具有PictBridge的打印机，实现照片直接打印。

PC环境通常具有高性能的CPU，这个CPU具有充足的存储器、功率预算以及PCB空间。然而，在嵌入式应用中，由于产品设计的要求，这些资源是非常有限的。要恰当地实现USB功能特性，需要认真的产品规划和系统层面的考虑，这需要从USB应用、特性和性能要求以及权衡这些选择对嵌入式处理器、操作系统(OS)和USB软件堆栈的影响的判断能力。

相对于需要分别用来支持高速外设和全速主机功能两个USB控制器的双芯片实现来说，TD1120提供USB设计灵活性、低功耗、大大节省PCB空间并缩短系统开发周期的方案，这些都是工程师的主要关注的，这些好处同样也转换为系统成本的节省、加快客户产品面市时间。

TD1120允许多端口配置、同时的主机和外设操作以及灵活的操作模式。支持以下端口配置：双端口，一个OTG端口加标准的全速主机端口；三端口，两个全速主机端口和一个高速外设端口。Mini-AB插座用来作为OTG端口(OTG端口具有双重角色功能)。OTG端口可以配制成主机端口或外设端口，取决于插入Mini-A或Mini-B插头时所检测到的ID管脚。如果插入的是Mini-A插头(ID管脚短路)，端口配置为主机，当Mini-B插头插入(ID管脚浮置)，则端口配置为外设。

TD1120集成了一个片上高电流充电泵，可以支持高达100mA的电流，这样可以支持很多种USB设备，包括键盘、鼠标、部分U盘，这样就不存在需要外部充电泵的问题。此外，还集成了锁相环(PLL)来支持外部晶振或12MHz和30MHz晶振实现额外的系统灵活性。

采用TD1120在全速主机模式下功耗低于40mA(最大)，全速外设操作时最大为80mA。TD1120整个芯片支持功率节省模式，包括主机控制器以及外设控制器的延缓模式以使功率消耗最小化，延长系统电池寿命，对于移动设备来说，电池寿命是很关键的性能。