克服設計挑戰　高整合橋接器簡化USB連接

嵌入式應用的設計者必須提供高經濟效益的終端解決方案，而要達到這點最簡單的方法，是將USB功能與其他周邊及記憶體一起整合進微控制器(MCU)中。現今許多供應商提供支援USB的MCU，但不一定會提供應用所需的周邊，此情況下就須要運用外部元件，導致設計變得較為複雜。而另一種較簡便的方法是將USB加到任何嵌入式解決方案中，採用此方法就不需專業的USB協定知識或韌體開發，能加速產品上市時程。 

USB設計挑戰 

USB的易用性和穩健性為嵌入式設計人員帶來相對的代價，開發人員必須耗費大量時間學習USB協定知識，並開發USB協定堆疊，這都需要專業的技能，也因而增加開發成本和時間。雖然市面上已有商用的USB軟體堆疊，但仍須耗費額外的成本與時間來學習。 

最終產品必須與幾個常見的作業系統(OS)相容，並不斷地因應作業系統更新，則是另一個USB在設計上的挑戰。此外，開發人員還必須將USB硬體成本降至最低，以提供具成本效益的產品。許多USB IC需要終端電阻或精密振盪器等外部元件來提供USB功能，因此具備高階軟體與工具支援的高整合性USB解決方案，是簡化USB設計的基石。 

USB橋接元件統包方案 

目前市面上已有業者推出USB橋接元件的統包方案(Turnkey Solution)，其具高整合性，可以省去複雜的韌體與驅動程式開發流程。高整合性的USB橋接元件可以加到任何以MCU為基礎的解決方案中，以排除韌體複雜性並加快開發時間。這些元件透過使用標準UART、SPI或I2C等可用於多數MCU的介面來連接到USB端。 

圖1 典型的USB至UART橋接

當開發人員使用USB通訊升級傳統系統時，橋接元件特別有用。大多數傳統設計與主機系統間有特定的通訊方式，常見的通訊方式包括使用UART或I2C介面，這些情況下使用USB到UART或USB到I2C橋接元件是最好的選擇(圖1)。 

如何選擇USB橋接器 

嵌入式設計人員在選擇USB橋接元件時須考慮多重因素，來確保無縫整合USB。首先，必須盡可能降低硬體設計的成本。大多數USB橋接器或MCU需要外部元件，如晶體振盪器或終端電阻器，選擇高整合性的橋接元件能降低對外部元件的需求，減少硬體設計時間與成本。 

以全速(Full-speed)USB為例，其裝置需要48MHz時脈輸入，而選擇可生成48MHz的內部時脈USB元件，即可免除外部晶振的需求；另一個須具備的特性是時脈回復電路(Clock Recovery Circuitry)，USB規範要求內部時脈須達到高精準度。然而在一般情況下內部振盪器的頻率精度是易變的，而時脈恢復電路能利用輸入的USB資料流來調節內部振盪器，以滿足USB時脈容差的要求，選用這類元件就不須再使用外部晶體振盪器。 

將USB納入嵌入式應用程式的一個主要優點是能為裝置供電。當USB裝置連接到主機而由匯流排供電時，電池供電的裝置能幫助延長電池壽命。這除了要運用低壓差(LDO)或穩壓器將電壓從5V降至3.3V，還必須使用帶有整合收發器、晶片內匹配、上拉電阻(Pull-up Resistor)的USB功能控制器。而把用於USB線路終端的終端電阻器和與USB連接的5V穩壓器加以整合，就能進一步縮小印刷電路板(PCB)的尺寸(圖2)。此外，提供通用輸入與輸出(GPIO)控制能力與時脈輸出功能的USB橋接器也能增加設計的靈活性。橋接元件需要考慮的另一個特性是支援多種串列傳輸速率，以適應各種應用。 

圖2 使用高整合性USB橋接器，就不需外部晶振、穩壓器與記憶體。

最後，設計人員必須盡可能減少USB空間，以滿足空間敏感型的可攜式應用在外形與人體工學上的要求。部分傳統應用會要求在維持相同外形尺寸的情況下，升級原先的應用以納入USB橋接器。選擇提供小封裝的USB橋接器可以減少PCB占用空間，使設計人員能夠將解決方案擠進比RS-232連接器小的空間，從而克服空間上的限制(圖3)。 

圖3 小型PCB中3mm×3mm的USB橋接IC與完整方案

利用高階工具集加速USB開發 

高整合性是選擇USB橋接器以減少成本和硬體設計時間的關鍵因素，但正確地選擇橋接方面的軟體與工具集也相當重要。消費者將USB視為完美地隨插即用介面，但實際上USB協議並不易於實現。 

透過使用Turnkey固定功能的USB橋接元件，可以解決設計人員的USB協議和韌體開發隱藏的複雜性。這些元件讓設計人員不需要大量的USB專業知識及韌體開發流程，就能開發出USB系統。雖然使用固定功能元件不須開發程式碼，但設計人員仍要尋找多種配置選項以適應其設計，或增強產品設計在市場上的差異性。 

每個USB橋接元件都具有許多使用者可配置的選項，用以決定元件的運作，包括元件如何顯示到主機，以及專用元件選項如介面與針腳配置等運作。因此必須確保所選的USB橋接元件能支援高階工具、提供配置選項，且能夠輕鬆客製以增強產品差異性。不過，多數情況中開發人員並沒有合適的工具集來為數千個PCB與裝置進行最終配置的編碼，這時可以選擇提供編碼的USB裝置供應商來大幅縮短開發時間(圖4)。 

圖4 用於USB橋接配置的進階工具GUI實例

USB設備需要無縫運作於所有系統間，為了實現這個目標，開發人員必須創建主機驅動程式。但USB驅動程式開發需要專業知識與測試才能實現最佳的運作，因此選擇提供可靠認證驅動程式的USB設備是實現USB無縫連接的關鍵。 

驅動程式讓USB設備無縫運作 

市面上有供應商提供虛擬通訊埠(VCP)設備驅動程式(Device Driver)，讓設備以COM埠(Communication Port)的形式顯現在PC應用軟體中，即透過VCP驅動程式讓PC軟體將設備識別為COM埠，這在嘗試使用USB更新舊式串列設備時特別有用，其可以透過現有的COM埠應用程式進行USB資料傳輸，不需實際修改應用程式。為了進一步簡化和增強隨插即用功能，部分USB設備供應商提供創新且完全相容的USB-HID橋接器。這些設備支援多數作業系統原生的USB-HID類型，因此不須安裝或開發驅動程式。USB-HID裝置最常見的範例是電腦鍵盤和滑鼠，此外也能彈性地適應許多不同種類的USB設計(圖5)。 

USB橋接器和USB Turnkey方案提供了一種簡單而經濟的方法來為新的或現有的非USB系統加入USB連接。其高整合的特性大幅縮減PCB尺寸與物料清單(BOM)成本，使其成為空間受限與成本敏感型應用的理想選擇；而其簡易與統包的特性讓設計人員不必耗時開發韌體，以加速產品上市時間；高階USB配置工具與可靠的認證驅動程式，讓開發人員能將其應用差異化，並提供與多數作業系統的無縫相容性。不論是對消費者還是設計人員來說，讓USB的使用變得更為容易，都是相當重要的，同時也必須選擇正確的USB橋接器，避免嵌入式設計上的困難。 

(本文作者任職於芯科科技)