USB除了TYPE-C之外有TYPE-A,TYPE-B吗?

文/ Edward


从柜子里翻出了十几年前购买的笔记本,看着这台笔记本密密麻麻的接口,再看看我现在的华为轻薄笔记本,感觉这完全是两个世纪的产物。十几年前太长,我又翻出了四年前购买的一台惠普360PC平板二合一,也感觉和现在的这台轻薄本完全不一样。不一样的地方就在于,我找来找去都找不到一个TYPE-C的USB接口。我想TYPE-C发展的这几年对于我们的工作方式改变的实在是太大了。

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TYPE-C和USB3.0

“TYPE-C绝对不是USB3.0,这一点一定要清楚,TYPE-C只不过是USB接口外形的一种形状,它是叫做C类型,所以被称为‘TYPE-C’”。这段话我之前和我一个朋友解释过,爱抬杠的他总是不服输的会来杠一下,“那么为什么没有‘TYPE-A’和‘TYPE-B’?”他又杠到。此问题一出,我瞬间抛出科普知识的态度,准备打其脸。
USB不仅有TYPE-C,还有TYPE-A和TYPE-B。我们来看一下自己的优盘,大多数优盘是一个方形USB插头,这种方形的USB插头就是TYPE-A。
图2 USB-A接口
而我们工业上面常用到的那种长方形的USB接口,就是TYPE-B类型的USB口了,这种接口在日常生活中用的比较少,但是在一些工业应用,或者在某些打印机上面用的很多,比如我的51单片机开发板,还有惠普的打印机。其形状可以参考图3。
图3 TYPE-B接口
大家可以注意自己手中的以前的USB数据线,一般都是一头是USB的插头,另一头是Mini USB或者Micro USB的接头。如图4所示。
图4 传统USB线
好了,现在又仔细阅读的读者可能就有疑问了,这里的Mini USB和Micro USB算是TYPE what?
这里就要说到USB的主从模式了,我们用USB线把手机连到笔记本上面时,手机会提示你是否作为存储介质,一旦当你选定好之后,那么这个USB通讯就被建立起来了,此时手机扮演的角色是USB从机(Slave),而笔记本电脑扮演的是USB主机(Host)。而以前的USB通讯中,主机上面用到的都是标准的USB TYPE A接口,从机上面的都是Mini USB或者Micro USB接口。
但是,随着智能手机的发展,手机再也不单单只是一个笔记本的附属产品了,我们可以将手机变成一台台式电脑,插上鼠标,键盘,就可以使其像电脑一样处理我们工作中的邮件,文档,PPT等等事务。换句话说,手机上面的USB也是可以扮演USB主机的角色,因此,从2015年苹果第一次将TYPE C用到Macbook上面之后,越来越多的TYPE C接口被放到了手机上,这也就导致了我们现在对这种新型的USB都简称为TYPE C接口。
而USB3.0和USB2.0的区别又是另外一回事情了。我相信绝大多数人接触USB都是从USB2.0时代开始的,它需要四根线来进行数据传输,即VBUS,D+,D-,GND。其中这里的D+和D-是一对差分线,由于这些线都是按照某一个特定顺序排列的,因此在使用时绝对不能插反。最终导致了Mini USB和Micro USB这两种防呆接口的诞生。
图5 USB2.0引脚及定义
而USB3.0为了大大提高传输效率,因此在原有的USB2.0四线制的基础上,又增加了一组超级差分线,用来传输数据。
图6 USB3.0引脚及定义
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USB3.1和TYPE C
USB 3.1 Gen2是最新的USB规范(USB4.0也快来了),该规范由英特尔等公司发起。数据传输速度提升可至速度10Gbps。与USB 3.0(即USB 3.1 Gen1)技术相比,新USB技术使用一个更高效的数据编码系统,并提供一倍以上的有效数据吞吐率。它完全向下兼容现有的USB连接器与线缆。2008年11月12日USB 3.0推出之后,SuperSpeed带来了5Gbps高速传输效能,附加提供5V/0.9A电源。随着传输速率的要求提高,加上也希望能提升供电能力,2013年1月6日USB IF协会(USB Implementers Forum)正式宣布要推出新的USB 3.0加强版(即USB 3.1)。2013年7月31日宣布正式开始研发SuperSpeed 10Gbps,2013年12月3日USB 3.0 Promoter Group正式宣布USB 3.1诞生。
USB3.1有三种连接介面,分别为Type-A(Standard-A)、Type-B(Micro-B)以及Type-C
。标准的Type-A是应用最广泛的介面方式,Micro-B则主要应用于智能手机和平板电脑等设备,而新定义的Type-C主要面向更轻薄、更纤细的设备。
Type-C大幅缩小了实体外型,更适合用于短小轻薄的手持式装置上,Type-C将取代Micro-AB型连接器(支援USB装置直接对传,不需要有主控系统介入),也将取代一般Micro-USB连接器,Type-C仿Apple Lightning连接器,正反均可正常连接使用,较现有Micro-USB更理想,Micro-USB虽有防止反接的防呆机制,但正反均可接的好处,胜过防止反接,摸黑状况上都可顺利完成接线。另外,Type-C还有增进的电磁干扰与RFI mitigation (射频干扰抑制)特性。
图7 TYPE C接口
接下来我们先来看一下TYPC接口的几个术语:
  • DFP【Downstream Facing Port】:下行端口。它与USB数据流有关。一般是指HOST或HUB的端口,从设备器件与此类端口相连。

  • UFP【Upstream Facing Port】:上行端口。它与USB数据流有关。一般是指DEVICE端口或连接着其它HOST或DFP HUB的HUB端口。

  • SOURCE:供电端口。该端口上的CC脚接上拉电阻,并通过VBUS对外供电。一般指HOST或DFP HUB端口,比方传统的Type-A端口。

  • SINK:受电端口:该端口上的CC脚接下拉电阻,它从VBUS取电。一般指device端口,比方传统的Type-B端口。

  • DRP【Dual Role Port】双角色端口。既可做SOURCE又可以做SINK的端口,角色可以固定也可以协商切换。

USB Type-C接口一共24个管脚,分对称性连接和非对称性连接。
  • 对称性连接:

  • USB 2.0 差分信号对(D+/D-);

  • 电源脚:VBUS/GND;

  • 非对称性连接:

  • 两套支持USB3.1数据传输速度的TX/RX信号脚;

  • 通道配置脚【CC脚】,用于接插及角色的监测、供电等配置管理;

  • 两路边带信号脚【SBU】,用于模拟音频模式或DP备选模式;

TYPE C的引脚定义如图8所示。
图8 TYPE C引脚定义
图9展示了TYPE C接口中每个引脚的含义。
图9 USB接口引脚定义
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STM32使用TYPE C

那么本文的重点来了,我们在设计STM32单片机电路的时候,如何将STM32的USB2.0移植到现有的TYPE C接口上面来呢?
TYPE C插座中有两个CC引脚,但每个面向端口的电缆中只有一个CC引脚连接。在CC1和CC2上,DFP必须具有Rp上拉电阻,而UFP必须具有Rd下拉电阻。CC引脚主要有两个作用:插头方向检测和功率检测。
   STM32做USB设备时候的连接
而我们在做STM32单片机移植的时候,我们往往需要USB提供最大的功率,因此不需要去做功率检测。而由于USB插头是双向的的,所以在连接到STM32xx设备之前,两对DP/DN需要相互连接,尽可能靠近插座。如图10所示。
图10 STM32做USB设备时的TYPE C电路
   STM32做USB主机时候的连接
由于平台是为USB2.0设计的,因此最大电流容量为500毫安。如果在实际应用中有较高的电源电流,Rp电阻可以调整到1.5 A甚至3 A。
传统主机需要通过在CC线和5V电源加入Rp上拉电阻,将STM32配置为DFP。并且通过STM32的ADC_IN监控CC线,从而在连接器上提供VBUS。具体电路如图11所示。
图10 STM32做USB主机时的TYPE C电路
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