用SL811HS实现OTG设备互联

摘   要： 本文介绍了用SL811HS设计OTG双角色设备的原理，并着重分析了主机协商协议和会话请求协议。
OTG概述
在USB的系统上，是由一个主计算机来管理所有的通信，外围设备之间不能直接通信，必须通过主计算机来进行彼此间的联系。2001年发布的On-The-Go(OTG)是USB2.0规范的补充协议，弥补了USB2.0规范不能用于点对点通信的不足。OTG定义了一个功能较少的主计算机，主要用在连接单一USB设备的便携设备上。OTG的典型应用有蜂窝电话、PDA和机顶盒等。图1是OTG应用于PDA和机顶盒的实例。
为了更好地支持便携设备，OTG要满足有限的主机性能，以降低软件的复杂性，适合便携式设备外形的小USB连接器和节能等要求。
为了达到这些目标，OTG补充协议介绍了双角色设备(DRD)。DRD是USB2.0兼容设备，既能作主机，也能用作外设，它具有如下特性：
?有限的主机性能；
?全速操作(高速可选)；
?目标外设列表；
?会话请求协议(SRP)；
?主机协商协议(HNP)；
?一个且只有一个小型AB插座；
?VBUS的最小输出8mA；
?与用户进行信息通信的手段。

图1　OTG的典型应用

图2　SL811HS的框图

图3　SL811HS　OTG框图

图4　VBUS脉冲调制，D+/D-，和ID脚检测

图5　电压比较器

SL811HS概述
SL811HS是双角色主机/外围设备的嵌入式USB控制器，可以与全速或低速USB外设通信。SL811HS可以与微处理器、微控制器、DSP、或者各种总线(如ISA和PCMCIA)接口。图2是SL811HS的框图。

SL811HS_OTG DRD参考设计
图3说明了如何用SL811HS外加CPU和一些模拟元件设计OTG双角色设备。在软件的控制下，SL811HS可以支持USB主机和外设模式，不需要额外的硬件。

模拟元件的作用
VBUS阈值
无论在主机还是外设模式下，都必须监测VBUS。为了支持会话请求协议，需要检查VBUS处于什么电平，以确定会话何时开始和结束。
本设计中用四个电压比较器监测VBUS，它们覆盖了下列OTG参数：
A设备Vbus有效： VA_Vbus_VLD >4.4V
A设备会话有效： VA_Sess_VLD 0.8V-2.0V
B设备会话有效： VB_Sess_VLD 0.8V-4.0V
B设备会话结束： VB_Sess_End 0.2V-0.8V
VBUS脉冲调制
VBUS脉冲调制是会话请求协议的一部分，在本设计中将CPU的一个GPIO口经过R40连到VBUS来实现VBUS脉冲调制，如图4所示。
D+和D-的上拉和下拉电阻
为了使设备能够作为主机和外设工作，必须能够切换D+和D-上的上拉和下拉电阻。有许多方法可以控制这些电阻的切换。图4中显示的方法是采用外部CPU的GPIO口来切换D+和D-上的电阻。当DRD工作在主机模式时，GPIOy和GPIOz连接15k的下拉电阻到地，并且GPIOx浮空1.5k的上拉电阻。当DRD工作在外设模式时，GPIOx连接1.5k的上拉电阻到电源，同时GPIOy和GPIOz浮空15k的下拉电阻。(注意，OTG补充协议不允许关闭D-上的下拉电阻，本设计中的切换方式仅用于调试目的。)
ID脚检测
当用户将插头插入小型AB插座时，ID脚用来确定DRD是A设备还是B设备。如果ID对地短路，就表示插入的是小型A插头，从而使得DRD成为A设备。软件通过一个GPIO口来监测ID脚的状态。
过流检测和控制
当DRD是A设备时，在会话期间需要提供VBUS。连接的B设备需要的电流有可能超出A设备的负载能力。图5中的比较器1用来检测过流，当VBUS跌到4.4V以下时，表示过流情况产生了。另外，图6所示的限流电路提供过流保护，在过流情况下，由软件关闭VBUS。

图6　过流检测和控制

图7　SRP状态图1
VBUS开/关控制
如图6所示，GPIO开/关用于控制VBUS。当DRD是A设备时，由软件打开VBUS直到会话结束。当DRD是B设备时，VBUS必须关闭。

SL811HS_OTG的软件
当SL811HS是一个DRD时，软件必须支持所有SetFeature命令和OTG描述符。OTG有两个主要功能：会话请求协议和主机协商协议。
会话请求协议(SRP)
SRP协议能让B设备请求A设备提供电源VBUS，并开始会话。当B设备发起SRP时，软件促使数据线(D+)发脉冲，然后VBUS发脉冲。A设备可以通过提供电源VBUS来响应数据线脉冲或者VBUS脉冲。图7和图8是SRP中两个DRD的状态图。
当A设备打开电源VBUS时，SRP结束。一旦A设备确定VBUS已经到达一个有效电平，它就成为USB主机，并且检测B设备。
主机协商协议(HNP)
HNP协议能让B设备变成主机。当连接的DRD必须改变角色时，就避免了最终用户交换小型AB电缆的麻烦(通常情况下，用户不明白设备有不同的角色)。
图9是A设备部分HNP状态图，图10是B设备的HNP状态图。要注意的是：a_host状态是将控制从A设备转让给B设备的起始状态，并且也是当控制从B设备归还时的结束状态。同样，b_peripheral是B设备的HNP起始和结束点。
当A设备挂起总线时，对B设备的控制转让开始。如果B设备需要变成主机，它将会通过关闭D+的上拉电阻来发一个“断开”信号。因为A设备已经允许B设备HNP，所以A设备会把这个“断开”状态当作B设备要变成主机的请求。A设备通过打开D+的上拉电阻来完成控制的转让。

图8　SRP状态图2

图9　HNP状态图1

图10　HNP状态图2

图11　HNP状态图3

图12　HNP状态图4

当B设备停止所有的总线活动时，控制就归还给A设备。B设备挂起活动之后，引起A设备关闭它的上拉电阻而成为主机。这个“断开”状态被B设备检测到，B设备再次变成外设，并打开它的上拉电阻。
图11阐明了A设备怎样从a_peripheral状态返回到a_host状态。图12阐明了B设备怎样从b_host状态返回到b_peripheral状态。

结语
SL811HS是一个双角色USB主机控制器，通过附加一些模拟元件和一个外部CPU，就能实现整个OTG系统。