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MAX3301E型USBOTG电路原理及应用

发布时间:2020-07-21 18:41:03 阅读: 来源:流体管厂家

摘要:在介绍USB OTG的基础上,着重介绍Maxim公司的MAX3301E型USB OTG电路的特点、内部结构和工作原理。关键词:OTG;DRD;HNP;SRP;A-Device;B-Device;ESD1 引言 随着USB2.0版本的发布,USB越来越流行,已经成为一种标准接口。现在,USB支持三种传输速率:低速(1.5 Mb/s)、全速(12 Mb/s)和高速(480 Mb/s),四种传输类型:块传输、同步传输、中断传输和控制传输。USB应用灵活方便,能满足多种外设的需要。随着个人便携式电子产品的增长和嵌入式技术的飞速发展,USB主机已不再局限于单纯的PC,可以是含有USB主控器的任何设备,如PDA、MP3播放器等。在USB2.O规范中也增加了USB嵌入式设备的标准――On-The-Go(OTG),它使外设可以在主机和设备之间相互切换,即当其连接至PC时,它是1个USB设备,而与其他USB设备相连接时,它便作为USB主机。

2 USB OTG2.1 USB OTG简介 DSB OTG是USB2.O版本的补充,并不是独立的标准,它保留了USB2.0的所有特点。OTG使2个USB外设在脱离PC的情况下可以直接通信。为了实现这种功能,在OTG中有一个新的概念――双功能设备(DRD:Dual-Role Device)。1个DRD能满足下列特征: ●具有一定的USB主机能力和提供1个外设列表; ●作为外设时能够实现全速操作(或高速操作); ●作为主控机时能支持全速操作(低速或高速) ●支持主机协商协议(HNP)和会话请求协议(SRP); ●仅有1个微型AB连接端口; ●能够向电源总线提供不小于8 mA的电流。 要实现主机功能,主机必须存储大量的设备驱动程序,并且向电源总线提供一定的电流。对于嵌入式USB主机来说,提供大量的设备驱动程序是不现实的也没有必要,1个嵌入式USB主机只需支持部分特定设备,这些设备就是它的外设列表。2.2 主机协商协议(HNP) 在USB标准中,主机采用A型接口,称为A类设备(A-Device);外设采用B型接口,称为B类设备(B-Device)。1个DRD既可以作为主机,也可以作为外设。那么,当2个DRD互连时,哪个设备作为主机,为什么要作为主机?为了解决这两个问题,在OTG中提出了新的协议――主机协商协议(HNP)。在OTG中还定义了一种新的接口――微型AB插座(mini-AB receptacle)以及微型A插头(mi-ni-A plug)和微型B插头(mini-B plug)。在微型AB插座、微型A插头和微型B插头中增加了1个引脚――ID引脚,如图l所示。

在微型A插头中,ID引脚接地,在微型B插头中,ID引脚悬空。在OTG中,如果设备的ID引脚接地(即mini-A插头连接的设备,如图l右侧的设备),则此设备默认为主机,否则为外设。同时,在设备连接使用过程中,通过主机协商协议,允许主机和外设功能互换。例如,假设图1左边的B-Device为1个手持PDA,右边的A-Device为1个打印机。由于连接线的关系,打印机初始化为主机。但是打印机的驱动程序存在PDA中,这时需要PDA作为主机,打印机作为外设。通过HNP可以方便实现此功能,而不必拔下连接线调换插头方向,重新连接打印机和PDA。2.3 会话请求协议(SRP) OTG收发器一般用在嵌入式设备中,这类设备普遍采用电池供电,对功耗要求很严。为了节省电源,在OTG标准中,当电源总线没有使用时,允许A类设备挂起电源总线。当1个B类设备要工作时,它必须通过某种方法通知A类设备向电源总线供电。为了实现这一功能,在OTG中提出了会话请求协议(SRP)。在OTG中,1个会话定义为A类设备向电源总线VBUS有效供电的时间。需要注意的是,在OTG中电源一直都是由A类设备(连接mini-Aplug的DRD)提供的。由于主机协商协议,A类设备也可能作为外设使用,此时,电源也必须由A类设备提供。当A类设备挂起VBUS后,B类设备进入休眠状态。当B类设备需要再次工作时,它可以通过向数据线发送1个脉冲信号(Data-line Pulsing)或向电源总线发送一个脉冲信号(VBUS Pulsing)来请求A类设备向电源总线供电。OTG要求无论是DRD设备还是普通的B类设备,都必须具有发送会话请求的功能;同时,普通的A类设备或者DRD设备都必须能够响应1个会话请求。

3 MAX330lE的特点及工作原理3.1 MAX3301E的特点 目前,很多公司都推出了各自的OTG电路,如Cypress公司的SL8llHS、Philips公司的ISPll61、ISPl362等。下面主要介绍Maxim公司生产的MAX3301E。 MAX3301E是完全集成的USB On-The-Go(0TG)收发器与电荷泵,不需要PC主机就可以实现移动设备(如PDA、蜂窝电话与数码相机等)之间及与USB外设的连接。使用MAX3301E的嵌入USB主机可以直接与打印机或外部硬件驱动器等设备连接。 MAX3301E集成了USB OTG收发器、VBUS电荷泵、线性稳压器及与I2C总线兼容的2线串行接口。内部电平转换器使MAX3301E可以与+1.65 V~+3.6V逻辑接口。MAX3301E中OTG兼容的电荷泵可以在+3 V~+4.5 V输入电压下工作,输出电流大于8mA时,可以在VBUS上提供OTG兼容的输出。 MAX3301E使那些无法提供或容许USB OTG要求的+5 V VBUS电平的高集成度数字设备能够实现USB OTG通信。利用内部比较器控制、测量VBUS,MAX3301E支持USB 0TG会话请求协议(SRP)和主机协商协议(HNP)。 MAX3301E内部为VBUS、ID_IN、D+和D-引脚提供了15 kV静电放电(ESD)保护。MAX3301E采用5 mmx5 mm芯片级(UCSP)和32引脚薄型QFN封装(5 mmx5 mmx0.8 mm),工作温度范围为-40℃~+85℃。3.2 MAX3301E的内部结构和工作原理 图2示出MAX3301E的内部结构框图,主要由下列模块组成:ID检测器、电荷泵、VBUS比较器、线性稳压器、上拉/下拉电阻器、CAR KIT中断检测器、收发器、串行控制模块和电源模块。

众所周知,在普通的USB外设电路中,通过1个连接在D+或者D-的上拉电阻器(通常为15 kΩ)来告知主机1个外设的接入和指示需要的操作速度――如果上拉电阻器连接在D+上,表示全速操作;连接在D-上,则表示低速操作。在USB主控电路或集线器电路中,通过连接在D+和D-上的下拉电阻器(通常为15 kΩ)表示该电路为USB主控电路或集线器电路。从图3中可以看到,在MAX3301E数据线D+和D-上都设计了上拉和下拉电阻器转换开关,这样就可实现外设和主机功能之间的转换,同时也可实现全速或低速操作选择。 如图4所示,当MAX3301E作为A-Device时,电荷泵向3.3 V稳压器和VBUS提供电源(5 V,8mA);当MAX3301E作为B-Device时,稳压器的电源也可以设置为由VBUS提供。VBUS比较器负责监控VBUS上的电压,右边的电阻器转换开关VBUS提供脉冲信号。

4 典型应用电路 图5所示是MAX3301E的典型应用电路。

图中,VCC是MAX3301E的工作电压,范围为+3.3 V~+4.5 V。VL是系统侧逻辑电源输入,连接到系统的逻辑电平,范围为+1.65 V~+3.6 V。此电平设置逻辑输出的最大电平和逻辑输入的门限。 VBUS、D+、D-、ID_IN、GND组成USB OTG的连接口,需要注意的是,根据USBOTG的规定,VBUS总线上所有的滤波电容之和必须限定在1μF~6.5μF。 SPD是速度选择器输入。将SPD连接至GND选择低数据速率(1.5 Mb/s)。将SPD连接至VL则选择全速数据速率(12 Mb/s)。同时也可以修改MAX3301E内部的寄存器,关闭SPD的功能。SPD被关闭后,DAT_VP/SE0_VM的速率将由相应的寄存器值给定。 OE/INT控制DAT_VP/SE0_VM和D+/D-的输入或输出状态。当OE/INT为逻辑O时,设备为发送模式,待发送的数据由DAT_VP/SE0_VM进入MAX3301E,然后通过D+/D-发送出去。当OE/INT为逻辑1时,设备处于接收模式,MAX3301E从D+/D-接收数据,然后再通过DAT_VP/SEO_VM传送给控制器。在挂起模式下(SUS=“1”),可以控制OE/INT使其成为中断输出,它检测的中断源与INT相同。

5 结束语 随着USB的发展,USB接口已经成为各种电子产品的标准接口。传统的PC到外设的USB通信方式已经不能满足人们的需要,迫切需要脱离PC的控制,直接实现设备之间的USB连接。由于这种需要,OTG标准应运而产生。随着各大器件和设备制造商对OTG的支持,目前各种具有OTG功能的收发器和电子产品已经走向市场。比如PDA可以通过USB接口连接手机实现无线上网。数码相机或数码伴侣可以通过USB接口直接控制打印机打印照片。如果在野外拍摄,数码相机也可以通过USB接口连接手机实现无线上网,把照片发进到电脑或者其他服务器上。

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