串行总线的学习

news/2024/11/14 10:56:27/文章来源:https://www.cnblogs.com/wyuu101/p/18540984

一、USB概念

Universal Serial Bus，简称 USB。中文翻译称为通用串行总线，是一种串口总线的标准，也是一种输入输出接口的技术规范

二、USB接口外形分辨

  • 主要类型:Type-A,Type-B,Type-C,Micro,Mini

下面以USB2.0协议展示不同类型接口的形状

Type-A

Type-B

通常在打印机设备使用，另一端使用 USB-A 连接电脑（一些单片机程序下载接口也采用TypeB）

Type-C

Micro

Mini

需要注意的是，上图展示的都是公头，每一个公头都有与之对应的母头，引脚一一对应，由于形状相似，所以不再展示母头的图片，具体可以参考另一篇文章

三、USB口的引脚定义

1、USB2.0

前面的图片展示的均为USB2.0协议下的接口，下面具体介绍每一个引脚的作用

看到这里，可能读者会有疑问，ID引脚（也就是4号）引脚有什么作用，为什么又分两种接法。
别着急，这将在后面的OTG(On-The-Go)部分进行详细讲解。

2、USB3.0

  可见USB3.0相比USB2.0多出5条特殊引脚,用于实现全双工超速差分信号传输,USB2.0使用D+和D-实现半双工通信，而USB3.0新增差分信号发射对和差分信号接收对来实现全双工通信，目前许多支持USB3.0协议的接口同时还留有USB2.0定义的数据引脚(D+和D-），用于支持USB2.0通信。至于他们的通信协议，后面会专门讲。

  • 下面以Type-A和Type-B为例稍微讲一下引脚分布，其他类型的接口也是同理。

    • Type-A

    到这里你应该学会了如何区分Type-A的2.0接口和3.0接口，应该去看他的接口内的引脚数量（而不是去看那块塑料的颜色），如果引脚数量为4，那么肯定是2.0；如果可以看到引脚的数量为9，那么它可能是3.0接口，为什么是只是可能？因为有些不良商家，虽然用的是支持3.0的接口，但是在接线的时候只连接了2.0的引脚，其他的引脚甚至都没焊上，所以买的时候要小心...

    • Type-B

    • Type-C

      • 24Pin
        Type-C的引脚定义也是大同小异，支持USB3.0协议的Type-C接口为24Pin接口，也称全能Type-C接口。


        巧妙的引脚设计使得Type-C在接口时无需辨别正反，正插反插都能达到同样的效果。
        下面是每个引脚的具体定义

        可见24pin接口具备USB3.0协议中的所有针脚，但是同时还多出CC和SBU等引脚，这主要是用于实现新型的PD(PowerDelivery)快充协议，至于这些接口的协议，后面会说。
        除了24pin的Type-C接口，其实它还有16pin、12pin和6pin的引脚，下面具体来看

      • 16pin、12pin

           一些普通的设备不支持USB3.0，只有USB2.0，使用24Pin的TypeC很浪费，于是就有了16Pin的TypeC，相比24Pin,就是少了下图中阴影部分遮盖的超高速全双工信号传输通道，除了没有USB3.0高速传输外，其他别无二致，同样支持PD快充（后面协议部分会说）。

           16Pin一般为接口厂家、封装的正式名称，而日常生活中习惯称呼为12Pin。这是因为接口设计时，将TypeC母座两端的两个Vbus和GND出线都并拢了起来，虽然从口那里看是16条出线，但座子后面的焊盘只有12个。

        本来16pin、12pin的Type-C口应该放在前面的USB2.0引脚定义中讲，但是为了更加连贯直观的介绍Type-C口，本人是从USB3.0引脚定义的24pin Tpye-C口引申到16pin、12pin。

      • 6pin

          对于玩具、牙刷等生活用品，产品定位上没有USB通信的需求，只需要USB取电充电。那么连USB2.0都可以省掉了。
        6Pin TypeC正式出道。6Pin TypeC仅仅保留Vbus、GND、CC1、CC2。接口两侧对称分布着两组GND、Vbus，使得防反插功能保留，粗线也让其更为方便的传输大电流,CC1、CC2用于PD设备识别，承载PD协议，以向供电端请求电源供给(可见6pin的TypeC尽管没有了USB2.0通信协议，但仍能支持PD协议)

        看到这里再会过头想想，对于Type-B、Mirco、Mini接口，如果我们仅仅使用它的供电功能，那D+和D-也没有存在的必要，但通常这些接口都带有这些引脚，对于仅仅需要供电而不需要通信的电路，D+和D-悬空即可。



四、OTG技术

  • 概念：OTG即On-The-Go的英文缩写，是由USB标准化组织公布的一项用于USB设备连接或数据交换的技术。

  • 作用：通过OTG技术，可将原本作为终端的USB设备演变为主机，从而达到满足USB设备之间进行相互控制或管理的需求。

  • 详解：

    • 先了解主机与从机，简单理解：主机是控制方，从机是被控方。

    • USB 2.0规范定义了主机/外设关系，PC始终是主机，插入它的设备是外围设备。举例：以日常的数据线（Type-A~Micro-B)为例，用其将手机和电脑连接起来，那么默认手机就是从机，电脑就是主机，由主机向从机供电，并管理从机的数据。

    • 随着PDA，数码相机和各种其他便携式设备的技术进步，需要直接互连这些设备而无需增加计算机,USB 2.0不支持此功能(一种简单的应用情景就是用手机直接管理U盘，此时手机变成了主机，U盘变成了从机，如果任然按照以前的规定，这是不能实现的）。因此，为了克服这一限制，USB-OTG被发布。

    • 所以USB口中的ID引脚此时就发挥了作用，通过接地或者悬空（上拉）来让设备确定自己在本次通信中作为主机(Host)还是从机(Slave),而对于能够根据ID引脚的电平来确定自己是主机还是从机的设备（也就是能在特定情况下能作为主机管理其他设备），就称这个设备支持OTG技术，现在许多智能手机都支持OTG。

    • 对于普通的数据线（Type-A~Micro-B为例)，Micro-B中的ID引脚通常是悬空的，这样移动设备在使用这条线时就知道自己是从机。
      同理，对于支持OTG的设备，若要求其能够作为主机管理其他设备，就需要专用的OTG数据线（我们常称为转接口或手机拓展坞），其图片和接线图如下所示



      到这里你已经学会如何自己做一个OTP转接口了。

五、充电协议

(零)协议升级的目的与发展现状

1、协议升级的理论依据

由于充电功率和电压电流相关P=UI，提高电压或者电流就可以提高充电功率，在电池容量一定的情况下，功率越大充电速度越快。

2、发展现状

现行快充技术主要分为两大阵营：低压快充和高压快充。

  • 低压快充以OPPO的VOOC闪充为代表，通过增大充电电流的方式来提高充电功率。

    • 优点：发热量小、能量转换效率高

    • 缺点：硬件需要定制，成本高，兼容性差

  • 高压快充以高通QC2.0为代表，其他厂家技术原理和高通一样都是基于BC1.2，通过增大充电电压来提高充电功率。

    • 优点：兼容性好、继承性好、稳定

    • 缺点：发热量大，能量转换效率低

(一）BC1.2快充协议

1、介绍

  BC1.2 (Battery Charging v1.2)是USB-IF下属的BC(Battery Charging)小组制定的协议，主要用于规范电池充电的需求，该协议最早基于USB2.0协议来实现。USB2.0协议规定外设从USB充电器抽取电流的最大值为500mA，500mA的电流限制无法满足日益增长的快充需求。因此，BC1.2引入了充电端口识别机制，下面先了解一下下面几种端口类型。

2、协议识别过程

  • ①VBUS Detect Vbus 检测( VBUS检测)
    PD（portable device，便携式设备）中有个检测VBUS是否有效的电路，电路有一个参考值，高于这个值就认为是VBUS有效了，参考值不固定一般在0.8V~4V之间

  • ②Data Contact Detect 数据连接检测（这一步可以不看，感觉没什么必要()）
    VBUS电压有效后，便携式设备必须确保数据引脚保持接触，然后再进行检测。如果终端设备在数据引脚接触之前过早做出决策，就可能错误地判断充电器类型,这个阶段不是必须的，因为USB端口可能支持数据协议也可能不支持。如果这个阶段超时900ms还没检测到D+或ID PIN的连接，就要求必须开始进行Primary Detection。

  • ③Primary Detection 首次检测(主充电器检测)
    该阶段主要作用是判断端口是充电口还是数据口,即终端设备区分具有充电标签的500mA以上端口(CDP和DCP)与500mA以下端口(SDP)。

    • 关闭DCD阶段的电流源后，终端设备必须在D+上使能0.5V至0.7V电压源，在D-上使能25μA至175μA流入电流源。
    • 如果在D-上出现0.5V至0.7V电平,则判定连接的是DCP或CDP;
    • 如果D-电压下降至零，则判定为连接的是SDP，则需要进一步进行判定：终端设备切入一个比较器，将D-电压与0.25V至0.4V进行比较。如果D-电压高于0.4V但低于逻辑低电平门限0.8V，终端设备则认为此端口用于充电;否则，判定为此端口用于数据连接。

  • ④Secondary Detection 二次检测
    该阶段作用是确认充电口能否支持数据协议，即区分CDP和DCP。

    • 按照反序执行③的测试。在D-作用0.5V至0.7V电压源，在D+作用50μA电流源。
      • 如果D+出现0.5V至0.7V电平连接,判定为DCP
      • 如果D+电压为零，判定为CDP

  • ⑤判定完毕，按照对应的结果进行供电或者传输数据。

3、波形展示

4、补充与衔接

  由于BC1.2并非强制性协议，许多厂家基于BC1.2研发了自己的私有快充协议。比如高通的QC2.0/QC3.0，联发科的PE（Pump Express）/PE+。高通的QC2.0/QC3.0和联发科的PE快充方案技术原理是一样的，都是通过增大充电电压来提高充电功率。

（二）高通QC(Quick-Charge)协议

1、介绍  

美国高通专为配备Qualcomm骁龙处理器的终端而研发的快速充电技术。

  • QC1.0充电协议：
    突破了BC1.2充电协议的最大1.5A电流极限,达到5V2A，充电时间缩短40%
  • QC2.0充电协议：
  • QC3.0充电协议：
  • QC4.0充电协议：

2、协议识别过程

2-1、QC2.0协议
  • ①将充电器通过数据线连接到手机上，充电器默认将D+、D-短接，这样手机端探测到充电器类型是DCP（专用充电端口模式），此时默认输出5V电压，手机正常充电；
  • ②如果手机支持QC2.0快速充电协议，则Android用户空间的hvdcp（high voltage dedicated charger port）进程启动，开始在D+上加载0.325V电压，并维持1.25S以上；
  • ③当充电器检测到D+上电压0.325V并维持超过1.25S后，充电器断开D+和D-的短接，由于D+和D-断开，故D-上的电压不在跟随D+变化，此时电压开始下降；
  • ④手机端检测到D-上的电压从0.325V开始下降并维持1ms以上时，hvdcp读取/sys/class/power supply/usb/voltage max 的值，如果是9000mv，则设置D+上电压为3.3V，D-上电压为0.6V；若为5000mv，则设置D+上电压为0.6V，D-上电压为0V；需要注意的是，如果D-设置为3.3V，说明该设备还支持QC3.0，就要进入后续的QC3.0协商过程,也就是说QC3.0是QC2.0的进步式协议
  • ④充电器检测到D+、D-上的电压后，就调整充电器的输出至相应电压
2-2 QC3.0协议
  • QC3.0就是一个步进式的协议，如增加200mv的输出电压，就是DM3.3V,DP发送0.6~3.3V的方波，一个方波增加一次电压；降低电压相反

参考文章
https://blog.csdn.net/u010783226/article/details/120142717
https://blog.csdn.net/qq_27854611/article/details/120316581
https://blog.csdn.net/weixin_45694615/article/details/108532889
https://blog.csdn.net/zzsddre/article/details/124420624

(三)USB-PD协议(USB-Power Delivery)

(四)PE

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