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电池供电的IoT世界中的USB连接:yb体育

发布时间:2021-07-22 11:01:02来源:yb体育-首页编辑:yb体育-首页阅读: 当前位置:首页 > 灵异恐怖 > 手机阅读

在过去的十年中,标准化串行总线(USB)标准由于不具备更容易用于、即插即用的功能性和可靠性,因此被众多工业和消费电子产品的设计人员作为相连其他应用于的选用模块。USB已构建其主要目标,即获取消费者修改掌控外设和传输数据的方法。随着多达三十亿个USB使能的设备转入市场,USB不仅是消费类应用于中快速增长最慢的模块,在工业市场也获得了明显的快速增长。  然而,USB更容易用于、即插即用的功能性和可靠性对于嵌入式解决问题方案设计人员来说,并非几乎不必须付出代价,尤其是如果他们正在为物联网设计功耗脆弱、电池供电的相连设备产品时。

对于小型、便携设备来说,加到USB作为通信接口最少要增加一倍的应用于电流消耗,并且导致设备必须比原本预期更大的电池。  从传统的串行接口通信升级到广热门的USB模块,一般来说不会由于功耗支出的容许而显得无法实行。

一般情况下,设计人员被迫在减少双倍电池容量和减少设备成本(这使得它仍然那么具备吸引力)、或者消退急需的差异化功能之间作出自由选择。下面让我们来想到USB标准如何从为所有PC相连获取标准化的梦想,演进为甚至容许IoT小型电池供电设备与任何其他设备通信的最先进设备技术。  USB简史  如果你曾多次研究过二十世纪九十年代末生产的台式电脑的背面,你不会一眼就能见到为相连有所不同类型的硬件到计算机而经常出现的众多标准。

这些相连标准还包括5针的DIN、PS/2、串口、并口、或许也有一两个SCSI(scuzzy)端口,如果你是一个游戏玩家,你还不会在声卡上有一个游戏端口。  USB的早期开发人员意识到了这种动荡不安的相连状况,并在1995年开始建构一种机器对机器(M2M)的标准化标准,以代替所有其他接口标准。

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在二十世纪九十年代末,当USB第一次被使用时,它只是作为另一种连接器重新加入到PC。然而,在2000年起USB开始很快发展,并在经过一系列的改版后,它沦为目前最被普遍使用的M2M模块之一。

只要想到你的笔记本电脑和手机就能明白USB标准是多么的顺利。你的智能手机只有一个连接器模块:USB。

如果你在2010年以后出售了笔记本电脑,之后不会找到除了显示器和网络连接器之外,它有可能只具备USB模块。此外,用作当今笔记本电脑和平板电脑的触摸板、键盘和其他外设都通过USB与主处理器通信。  USB标准的流形相连分成设备(device)和主机(host)。主机是发动通信并获取电源的机器;在桌面上,一般来说就是你的笔记本电脑或者桌面PC。

设备是相连到主机的下游设备,非常简单的号召主机的任何催促;在桌面上,鼠标和键盘就是少见的USB设备。  关于USB连接器的独有之处是它也可以为相连的设备供电,因此不必须为你的鼠标或外接硬盘驱动器减少额外的电源。

USB标准规定主机最少输入100mA的电流给设备,并且如果设备反对,它有可能取得500mA电流。这些供电能力来自最初的USB标准,PC完全总是作为主机,并且它们仍然都是通过墙壁插座取得电源。

这个USB标准市场需求,很大的容许了USB在低功耗应用于上的发展,尽管对PC应用于来说,主电源供应并不成问题。  但是,当这种成熟期的M2M模块要符合当今的电池供电的IoT世界时,不会再次发生什么?当主机也是一个便携式设备时,又有什么影响呢?  对于当今USB硬件的影响  在当今的便携式设备应用于中,最少见的术语是功率支出。功率支出要求设备需要消耗多少能量,并且它是基于电池容量和所必须的电池使用寿命计算出来出有的。

例如,在一个有250mA电池容量和必须反对两天(48小时)电池使用寿命的应用于中,功率支出约为5mA。这个功率支出必需产于在开发人员所期望设备做到的每一项功能上,还包括从传感器收集和处置到通信和驱动表明。  在过去的二、三十年间,微控制器(MCU)显得更加小,并且电池容量也获得提升,因此我们看见便携式设备的爆发性快速增长,这些便携式设备还包括从手执风速表和示波器到数字排便测量醉器和遥控器。然而,随着享有四个千兆赫兹内核处理器的智能手机的经常出现,我们现在看见更加多便携式设备以智能手机配件的形式经常出现,制造商仍然担忧处置能力或用户界面方面的问题。

这种市场趋势于是以推展低价配件的快速增长,例如取得Kickstarter募资反对、可用作智能手机的Vaavud风速表,以及可夹住iPhone中的排便测醉器,这两个应用于都用于HiJack模块,这种类似模块可以工作在低端设备,但并不是最佳模块。  为了设计一个确实标准化并好用的便携式设备,你应该自由选择合适的M2M模块,例如USB。自由选择USB也容许你的设计产品做无主机容许(host-agnostic),这意味著如果你想要让产品既能反对Mac、Windows手机又能反对Android平板,这都将仍然是问题。

然而,当你想要通过USB相连这些小配件到你的电池供电的日常用品时,你在完整USB标准中从来不关心的功耗忽然沦为了自由选择USB解决方案的优先考虑到问题。你想意味着为了与板上外设通信而浪费平板电脑或笔记本电脑的宝贵电池寿命,并且你也想设计出有一个不会较慢消耗智能手机电池电量的配件应用于产品。  通过自由选择准确的USB使能的硬件,你将需要研发出有消耗能量很少的设备,同时标准化M2M模块也以求避免完全所有的外部器件。 用作电池供电世界中的USB技术  为理解USB技术如何提高功耗又维持更容易用于和即插即用的功能性,我们首先必须较慢网页一下USB的通信过程。

一般情况下,仅有主机需要发动传输。即使没通信,主机也要每毫秒发送到维持转录消息给设备。如果设备有能用数据,它不会号召。在这种活动模式下,设备可取得高达100mA的能量,并且主机预期设备需要立刻号召任何催促。

当主机暂停发送到这些维持转录消息超过3ms时,设备应该转入悬挂起状态并且立刻消退它的电流消耗到3mA以下。  在悬挂状态下,大部分设备能被重开,一般来说我们需要重开最耗电的PHY部件。即使现代的MCU需要精彩构建3mA的悬挂电流,我们也没理由维持在那么低的状态。

具有较好能源模式的MCU应该需要在这种模式下构建大于3A的电流消耗,还包括PHY的电流消耗。  然而,在活动模式中,当检测一个常规键盘设备的USB通信时,主动模式不是十分有效地的;大多数时候,设备意味着等候主机发送数据。然而,当主机催促设备号召时,号召必需及时;这是为什么大多数构建维持USB外设仍然运营在48MHz去容许充足的响应时间。在这个尤其的例子中,97%的时间是空闲的,即使我们展开了枚举和转录。

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  一个为电池供电应用于而优化的USB应用于把这些功耗管理因素考虑到在内,并且十分确认何时必须时钟、必须多长时间、哪些其他USB部件需要重开。SiliconLabs公司目前享有两项正在申请人中的专利技术,并取得制造商和客户对系统,使得USB模块在当今电池供电IoT设备中确实有用武之地。即使在活动模式,低能效的通信也需要通过用于免除晶体USB振荡器和重开包在通信之间的耗电量USB相连部件而构建,如图1右图。

这种创意的方法很大的减少了系统级能耗,并且创立出有确实标准化的、可获取出色能效的M2M模块。  图1:具有低能耗模式(LEM,low-energymode)键盘传输总线的有效地信号指出了何时重开耗电量的USB模块部件。  当然,对开发人员和终端用户来说低能耗USB不应构建于无形之中。

通过低能耗模式(LEM),降低功耗是十分显著的,如图2右图。当这种技术与其他空间和成本节省特性(例如免除晶体USB应用于和时钟完全恢复)结合时,开发人员需要构建确实的超强低功耗标准化M2M模块,并且不必须额外器件。

  图2:一个典型的USB收发器在空闲时正处于接管模式,浪费3-5mA。通过LEM技术,收发器需要维持在类似于悬挂的较低电流模式。  总结  USB模块早已从一个增加传统桌面PC上杂乱线缆相连的非常简单市场需求,发展沦为消费电子设备模块的标准。

USB使能的便携式设备的普及早已被迫构建的USB外设获取新的设计拒绝。  新的智能USB硬件使得成本和功耗增加,并缩短了电池使用寿命。当与免除晶体USB技术相结合时,普遍用于的USB标准将使得所有可相连设备显得更为智能、可相连、节约能源。

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