USB-мост, что это такое

Обновлено: 03.07.2024

Компьютеры все чаще используются для воспроизведения высококачественного звука. Основным преимуществом компьютера перед встроенной системой является большая свобода и возможности обновления, которые предлагает компьютер. Кроме того, компьютеры часто оснащены мощными процессорами для простой обработки потоков DSD, настройки DSP и/или повышения частоты дискретизации.

Все больше и больше производителей используют компьютерные технологии в своих цифровых устройствах воспроизведения. Однако встроенного в компьютеры ЦАП (часть материнской платы) недостаточно для реализации качественного цифро-аналогового преобразования. Нужен внешний ЦАП. USB-мост Pink Faun обеспечивает высококачественное USB-соединение между музыкальным компьютером и ЦАП. USB-мост Pink Faun также работает как фильтр, чтобы устранить как можно больше негативных эффектов от компьютера и обеспечить максимально чистый цифровой сигнал.

Поддерживаемые платформы USB-моста Pink Faun:

ЦП Intel со всеми версиями Windows
(производитель ЦАП должен поставлять совместимые драйверы)

ЦП Intel со всеми дистрибутивами Linux
(USB-приемник DAC должен поддерживаться, в зависимости от производителя)

ЦП AMD со всеми версиями Windows
(производитель ЦАП должен поставлять совместимые драйверы)

ЦП AMD со всеми дистрибутивами Linux
(USB-приемник DAC должен поддерживаться, в зависимости от производителя)

USB-мост Pink Faun — это высококачественная карта PCIe для подключения стримера на базе компьютера к ЦАП. USB-мост воспроизводит файлы DSD и PCM, единственным ограничением USB-моста является максимальное входное разрешение USB-приемника в ЦАП. USB-мост Pink Faun буквально «подключи и работай». Для использования USB-моста не нужно устанавливать драйверы. В зависимости от платформы, на которой используется USB-мост, должны быть установлены только драйверы для ресивера ЦАП. Это ничем не отличается от использования USB DAC без USB-моста Pink Faun. Для достижения максимальной музыкальности USB-карта Pink Faun имеет линейную регулировку с низким уровнем шума (с пред- и пост-дросселем / фильтрацией PI) для ядра, USB и часов. Каждый USB-мост Pink Faun тактируется часами TCXO, встроенными в карту. Хотя эти часы обеспечивают выдающиеся результаты, всегда есть возможности для улучшения. Таким образом, USB-мост Pink Faun предлагает очень простую систему обновления для своих часов. Обновление часов смонтировано на отдельной плате и очень легко устанавливается на USB-мост. Не нужно ничего припаивать или программировать в USB-мосте. Обновление часов также может быть выполнено на более позднем этапе, никаких технических знаний не требуется. Обновление часов легко установить, и USB-мост автоматически переключается на улучшенные часы. USB-мост может питаться от стандартного 4-контактного разъема Molex, но также оснащен разъемом 2,5 мм для подключения внешнего линейного источника питания, что еще больше повышает качество звука.

Поддерживаемые платформы USB-моста Pink Faun:

ЦП Intel со всеми версиями Windows
(производитель ЦАП должен поставлять совместимые драйверы)

ЦП Intel со всеми дистрибутивами Linux
(USB-приемник DAC должен поддерживаться, в зависимости от производителя)

ЦП AMD со всеми версиями Windows
(производитель ЦАП должен поставлять совместимые драйверы)

ЦП AMD со всеми дистрибутивами Linux
(USB-приемник DAC должен поддерживаться, в зависимости от производителя)

Как вы относитесь к этой статье? Помогите нам улучшить контент для вас.

Спасибо! Ваш отзыв получен.

Не удалось отправить отзыв. Повторите попытку позже.

Что вы думаете об этой статье?

Возможность подключения встроенных систем к вычислительной платформе хоста создает потребность в универсальном стандарте связи.Периферийные устройства для связи с последовательной шиной, такие как I2C, SPI и UART, широко используются во встроенных конструкциях микроконтроллеров. Универсальная последовательная шина (USB) является одним из наиболее широко используемых стандартов интерфейса для обеспечения связи встроенной системы с вычислительной платформой. Быстрое внедрение USB во встраиваемые устройства побуждает разработчиков искать более быстрые и экономичные способы подключения USB.

Встроенные системы, поддерживающие USB-подключение, делятся на две категории: модернизация устаревшей конструкции или усовершенствование новой конструкции путем добавления USB. В устаревшем дизайне проектировщики ищут доступное коммуникационное периферийное устройство MCU, которое соответствует желаемой скорости связи и протоколу для задачи связи. Если требуется передача больших объемов встроенных данных на высокой скорости, выбор является периферийным устройством SPI или UART. Если требуется подключение к нескольким портам, оптимальным выбором будет периферийное устройство с поддержкой арбитража, такое как I2C/SMBus. Подключение встроенного периферийного устройства к хосту с помощью USB-соединения обеспечивает стандарт функционального интерфейса, обеспечивающий беспрепятственную связь между всеми операционными системами. Конструкции USB требуют минимального количества компонентов и места на печатной плате (PCB).

Новые технологии USB обеспечивают высокую скорость передачи данных, что позволяет одновременно передавать аудио/видео, данные и питание для хост-платформы и устройства.

Проблемы с дизайном USB

Существует несколько проблем проектирования, связанных с реализацией USB-подключения. Реализация дизайна USB требует знаний протокола и трудоемкой разработки микропрограммы.

Разработчик встраиваемых систем может выбрать микроконтроллер (MCU) со встроенным периферийным интерфейсом USB. Однако микроконтроллеры со встроенной функцией USB могут не иметь объема памяти, GPIO и периферийных устройств, необходимых для вашей спецификации встроенного дизайна. Для цепей USB требуется прецизионный генератор с частотой 48 МГц для работы на полной скорости и внешние согласующие резисторы, которые увеличивают стоимость спецификации и сборки.

Разработка прошивки стека USB занимает много времени и требует знаний протокола USB. Разработчики должны развивать свой опыт, изучая протокол USB и разрабатывая стек USB. Стеки USB имеются в продаже, однако они увеличивают стоимость и время разработки интеграции. Для вычислительных платформ требуются драйверы операционной системы для протокола USB. Удобные для пользователя устройства используют USB-драйверы класса Human Interface Device (HID), встроенные в операционную систему. Эти драйверы класса HID поддерживают типичные периферийные устройства USB PB для указателя и клавиатуры. Для достижения более высокой пропускной способности и расширенных функциональных возможностей USB требуется разработка программного обеспечения драйверов виртуального COM-порта (VCP) операционной системы хоста, драйверов WIN USB/LibUSB или драйверов конкретного поставщика.

USB-решения под ключ

Устройство-мост обеспечивает готовый способ интеграции USB-интерфейса в устаревшую конструкцию последовательного интерфейса UART, SPI или I2C, как показано на рис. 1. Готовые решения USB-моста предлагают альтернативу микроконтроллеру на базе USB. USB-мост — это устройство с фиксированной функцией, предназначенное для конкретного приложения, которое устраняет сложность встроенного ПО.

Рис. 1. Система моста USB-UART

Выбор наилучшего USB-моста для вашего приложения начинается с оценки бюджета на аппаратное обеспечение. Функциональность USB требует внешних компонентов, которые увеличивают стоимость спецификации и сборки. Обратите внимание на поставщиков USB-устройств, предлагающих следующие функции контроллера моста:

Портфель мостов последовательного ввода-вывода для всех основных коммуникационных интерфейсов
- USB-UART, 2x UART, 4x UART
- USB-к SMBUS/I2c
- USB-I2S
В высокоинтегрированном мостовом устройстве можно исключить внешние компоненты. Рассмотрите возможность использования USB-моста со встроенным тактовым генератором 48 МГц, который устраняет необходимость во внешнем кварцевом генераторе. Рассмотрим мост со схемой восстановления тактовой частоты, которая использует поток данных USB для настройки частоты внутреннего генератора. Кроме того, рассмотрите возможность выбора функционального контроллера USB-моста со встроенным приемопередатчиком, встроенными согласующими и подтягивающими резисторами для надлежащей оконечной нагрузки USB-линии и стабилизатором на 5 В для прямого подключения USB, чтобы уменьшить занимаемую площадь. И, наконец, рассмотрите вариант компактного корпуса USB-моста, чтобы уменьшить площадь, занимаемую печатной платой. Некоторые мостовые устройства предлагают дополнительные контакты GPIO, которые могут управлять индикаторами приостановки USB, удаленным пробуждением, выходом тактового сигнала, светодиодными индикаторами переключения трафика и подсчетом импульсов.

Silicon Labs предлагает семейство мостовых USB-контроллеров для интерфейсов последовательной связи, которые обеспечивают возможность подключения USB через порт последовательного периферийного интерфейса (SPI) или UART на универсальном микроконтроллере. На рисунке 2 показано, как коммуникационный мост взаимодействует со встроенной системой.

Рис. 2. Подключение хоста USB к хосту MCU на уровне системы

Новый USB-контроллер CP2102N от Silicon Labs устраняет сложную и трудоемкую разработку встроенного ПО и обеспечивает расширенную функциональность в корпусах QFN размером всего 3 мм x 3 мм. Устройство CP2102N упрощает подключение USB-UART и ускоряет вывод на рынок широкого спектра портативных, чувствительных к энергопотреблению и ограниченных по площади приложений, таких как USB-ключи, POS-терминалы, регистраторы данных, игровые контроллеры. и персональные медицинские приборы. Silicon Labs предоставляет загружаемые драйверы CP210x USB to UART Bridge Virtual COM Port (VCP) для работы устройства в качестве виртуального COM-порта для различных операционных систем (Windows, WinCE, Mac OS, Linux) для облегчения связи хоста с продуктами CP210x. Эти устройства также могут взаимодействовать с хостом с помощью драйвера прямого доступа.

Основные характеристики продукта CP2102N USBXpress:
- Скорость передачи данных до 3 Мбод
- Лучшая в отрасли энергоэффективность: низкий активный ток
Интерфейс универсальной последовательной шины (USB) — один из самых успешных стандартов связи в электронной промышленности. Он стал стандартным коммуникационным интерфейсом для многих промышленных и потребительских приложений, требующих подключения к хост-устройству. Чрезвычайная простота использования USB в сочетании с надежностью делает его идеальным интерфейсом для многих встраиваемых приложений. Однако для разработчиков встраиваемых систем реализация USB требует знаний протокола USB, трудоемкой разработки программного обеспечения и встроенного ПО.

Чаще всего от разработчиков этих встроенных приложений требуется предоставить конечное решение, которое будет очень экономичным. Самый простой способ добиться этого — интегрировать функции USB в микроконтроллер (MCU) вместе с другими периферийными устройствами и памятью. Сегодня многие поставщики микроконтроллеров предлагают микроконтроллеры на базе USB; однако они могут не предлагать правильный набор периферийных устройств, необходимых для приложения, что приводит к необходимости использования внешних компонентов и усложнению конструкции. Существует также простой подход к добавлению USB в любое встраиваемое решение, не требующий специальных знаний в области USB или разработки встроенного ПО, что позволяет разработчикам быстрее выходить на рынок.

Проблемы проектирования USB
Простота использования и надежность USB не достаются разработчикам встраиваемых систем бесплатно. Разработчикам часто приходится тратить много времени на изучение протокола USB и разработку стека USB. Это требует специальных инструментов и может увеличить затраты и время разработки. Существуют коммерчески доступные стеки программного обеспечения USB; однако они приводят к дополнительным затратам и усилиям по обучению.

Еще одна важная проблема при проектировании USB заключается в том, что конечный продукт должен быть совместим с несколькими распространенными операционными системами (ОС) и поддерживать постоянные обновления ОС. Разработчики также должны свести затраты на аппаратное обеспечение USB к минимуму, чтобы обеспечить рентабельность конечного продукта. Для многих микросхем USB требуются внешние компоненты, такие как согласующие резисторы или прецизионные генераторы, чтобы обеспечить функциональность USB. Высокоинтегрированные USB-решения с расширенным программным обеспечением и поддержкой инструментов — это краеугольный камень упрощения конструкции USB.

Практическое решение: готовые решения для USB-подключения
Готовые USB-решения, такие как мостовые устройства USBXpress от Silicon Labs, обеспечивают высокую степень интеграции, устраняя необходимость в разработке сложных микропрограмм и драйверов. Устройства USB с поддержкой расширенных инструментов также сокращают время разработки, еще больше упрощая подключение через USB. Мосты USB с высокой степенью интеграции могут быть добавлены практически к любому решению на основе MCU, чтобы упростить встроенное ПО и сократить время разработки. Эти устройства действуют как мост в мир USB за счет использования стандартных интерфейсов UART, SPI или I2C, которые легко доступны на большинстве микроконтроллеров.

Устройства моста особенно полезны, когда разработчики обновляют устаревшую систему с помощью USB-коммуникаций. Большинство устаревших конструкций имеют специальные средства связи с хост-системой, во многих случаях через интерфейс UART или I2C. Мостовое устройство USB-UART или USB-I2C, показанное на рис. 1, в этом случае является лучшим вариантом.

Рис. 1. Типичный мост USB-UART (Источник: Silicon Labs)

Выбор подходящего USB-моста для вашего приложения
Разработчики встраиваемых систем должны учитывать множество факторов при выборе USB-моста, чтобы обеспечить бесшовную интеграцию USB.

Во-первых, важно свести к минимуму затраты на проектирование оборудования, которые могут легко повлиять на выделенный бюджет. Большинству мостов USB или MCU требуются внешние компоненты, такие как кварцевые генераторы или согласующие резисторы для функциональности USB. Выбор высокоинтегрированного мостового устройства может устранить необходимость во внешних компонентах, включая кварцевый резонатор, регулятор и память, тем самым сократив время и стоимость разработки оборудования.

Для работы на полной скорости устройству USB требуется тактовый вход с частотой 48 МГц. Выбор USB-устройства с внутренним тактовым генератором, который может генерировать точную тактовую частоту 48 МГц, устраняет необходимость во внешнем кристалле. Еще одна важная функция, на которую следует обратить внимание, — это схема восстановления тактовой частоты. Спецификация USB требует, чтобы внутренние часы были очень точными. Однако чаще всего точность частоты внутренних генераторов может варьироваться. Схема восстановления тактовой частоты использует входящий поток данных USB для настройки внутреннего генератора, что позволяет внутреннему генератору соответствовать требованиям по допуску тактовой частоты USB. Устройства, в которых используется эта новая система восстановления тактовой частоты, снижают затраты за счет устранения необходимости во внешнем кварцевом генераторе.

Одним из основных преимуществ добавления USB во встроенные приложения является возможность питания устройств. Устройства с питанием от батареи могут максимально продлить срок службы батареи, если USB-устройство питается от шины при подключении к хосту. Для этого требуется регулятор с малым падением напряжения (LDO) или регулятор напряжения, чтобы понизить напряжение с 5 В (хост) до 3,3 В. Также важно использовать функциональный контроллер USB со встроенным приемопередатчиком и встроенным согласованием и подтягиванием. резисторы. Встроенные согласующие резисторы для правильной терминации линии USB и стабилизатор 5 В для прямого подключения USB еще больше уменьшают размер печатной платы (PCB).

Кроме того, мосты USB с возможностью управления GPIO и функциями вывода тактового сигнала повышают гибкость конструкции и сокращают время разработки. Еще одна привлекательная особенность мостовых устройств — гибкость, позволяющая поддерживать несколько скоростей передачи для широкого круга приложений.

Некоторые современные мостовые USB-устройства также предлагают расширенные функции для дополнительной экономии места на печатной плате (рис. 2). Например, устройство CP2102N от Silicon Labs включает в себя встроенную функцию обнаружения зарядного устройства, которая определяет тип подключенного зарядного устройства, и функцию удаленного пробуждения для пробуждения приостановленного хоста. Включение таких расширенных функций в микросхему не только повышает гибкость встраиваемых систем, но и снижает общую стоимость системы.

Рисунок 2. Пример микросхемы USB-моста размером 3 мм x 3 мм и полного решения на небольшой печатной плате. (Источник: Silicon Labs)

Наконец, разработчики должны минимизировать пространство USB, чтобы соответствовать форм-фактору и эргономическим требованиям портативных приложений, чувствительных к пространству. Кроме того, для некоторых устаревших приложений может потребоваться сохранение тех же физических размеров при обновлении приложения для подключения USB. Выбор мостов USB, предлагающих варианты компактных корпусов, помогает преодолеть это ограничение, уменьшая площадь печатной платы и позволяя разработчику втиснуть решение в пространство, меньшее, чем разъем RS-232.

Ускорение разработки USB с помощью расширенных инструментов
Высокая степень интеграции является критическим фактором, определяющим выбор USB-моста для сокращения затрат и времени на разработку оборудования, но не менее важными являются программное обеспечение и набор инструментов для создания правильного моста. выбор. Потребители рассматривают USB как идеальный интерфейс plug-and-play. Несмотря на то, что USB выглядит так же просто, как и другие последовательные интерфейсы, такие как UART, SPI или I2C, реализовать протокол USB непросто. Эта скрытая сложность разработки протокола USB и микропрограммы для разработчиков может быть решена с помощью готовых USB-мостов с фиксированными функциями. Эти устройства позволяют разработчикам разрабатывать USB-системы, не обладая обширными знаниями в области USB или разработкой встроенного ПО.

Несмотря на то, что при использовании устройств с фиксированными функциями разработка кода не требуется, разработчики все еще ищут несколько вариантов конфигурации, которые бы соответствовали их проектам или отличали их на рынке. Каждое USB-мостовое устройство имеет множество настраиваемых пользователем параметров, которые определяют поведение устройства, начиная от того, как устройство будет отображаться на хост-компьютере, и заканчивая специализированными параметрами устройства, такими как конфигурация интерфейса и контактов. Поэтому очень важно убедиться, что выбранные мостовые USB-устройства предлагают расширенные инструменты, обеспечивающие параметры конфигурации и позволяющие легко настраивать конечные продукты.

Конфигуратор Xpress от Silicon Labs (показан на рис. 3) — это пример инструмента, предназначенного для упрощения настройки USB. Интуитивно понятный конфигуратор на основе графического интерфейса позволяет легко настраивать и программировать USB-устройства с фиксированными функциями. Общие атрибуты USB, такие как идентификатор поставщика (VID), идентификатор продукта (PID), строки устройств и режимы питания USB, можно легко настроить с помощью графического интерфейса. Дополнительные функции, такие как GPIO, параметры интерфейса и сигналы модема, также можно настроить всего несколькими щелчками мыши.Кроме того, представление проблем/предупреждений в графическом интерфейсе помогает разработчикам настроить параметры для каждого атрибута USB и обеспечивает более безопасную среду для настройки USB. Окончательная желаемая конфигурация может быть запрограммирована с помощью одной кнопки для использования готовых устройств без написания кода.

Рис. 3. Пример расширенного графического интерфейса инструмента для настройки USB-моста. (Источник: Silicon Labs)

Чаще всего у разработчиков нет нужного набора инструментов для программирования тысяч печатных плат и устройств с окончательными конфигурациями. В таких случаях чрезвычайно полезно выбирать поставщиков USB-устройств, которые предлагают заводское программирование, чтобы значительно сократить время программирования.

Важность программных драйверов
От USB-устройства ожидается бесперебойная работа во всех операционных системах. Для достижения этой цели разработчики должны создавать хост-драйверы, что является нетривиальной задачей. Разработка драйвера USB требует опыта и значительного тестирования для обеспечения наилучшей работы. Крайне важно выбирать USB-устройства с надежными сертифицированными драйверами для беспрепятственного USB-подключения в системах. Некоторые поставщики предлагают драйверы устройств виртуального COM-порта (VCP) (см. рис. 4), которые позволяют устройствам отображаться как COM-порт для прикладного программного обеспечения ПК. Это особенно полезно при попытке обновить устаревшие последовательные устройства с помощью USB. С помощью драйверов VCP программное обеспечение ПК распознает устройство как COM-порт, поэтому существующие приложения COM-порта можно использовать для передачи данных через USB без фактического изменения приложения.

Рис. 4. Виртуальный COM-порт USB-мост, распознанный как COM-порт в диспетчере устройств. (Источник: Silicon Labs)

Чтобы еще больше упростить и расширить возможности plug-and-play для дизайнеров, несколько поставщиков USB-устройств предлагают инновационные, полностью совместимые мосты USB-HID. Эти устройства поддерживают класс USB-HID, изначально поддерживаемый большинством операционных систем, что устраняет необходимость в установке или разработке драйверов. Наиболее распространенными примерами устройств HID-USB являются компьютерные клавиатуры и мыши, а класс HID-USB также достаточно гибок, чтобы приспосабливаться к различным типам конструкций USB.

Заключение
USB-мосты и USB-решения «под ключ» обеспечивают простой и экономичный подход к добавлению USB-подключения к новым или существующим системам без USB. Их высокая степень интеграции уменьшает размер печатных плат и затраты на спецификации, что делает их идеальными для приложений с ограниченным пространством и чувствительных к стоимости. Их простота и готовность «под ключ» устраняют необходимость в опыте работы с USB или в разработке микропрограммы, что позволяет разработчикам быстрее выводить на рынок свои конечные продукты. Усовершенствованные инструменты настройки USB и надежные сертифицированные пакеты драйверов позволяют разработчикам дифференцировать свои приложения и обеспечивают полную совместимость с большинством операционных систем. Очень важно сделать USB удобным не только для потребителей, но и для разработчиков, а правильный выбор USB-моста избавит вас от необходимости добавлять USB-подключение к вашему следующему встраиваемому проекту.

Рамья Кота — менеджер по продукции микроконтроллеров Silicon Labs, управляющий портфелем интерфейсных и мостовых устройств компании. Она отвечает за определение новых продуктов и стратегию продуктов для устройств USB и емкостных мостов чувств. До прихода в Silicon Labs Рамья работал старшим инженером по маркетингу продуктов в Microchip Technology, специализируясь на линейке продуктов для 16-битных и 32-битных микроконтроллеров. Она имеет степень магистра вычислительной техники Государственного университета Нью-Йорка в Стоуни-Брук.

Примечание. Продукт, вышедший из употребления
Этот продукт был исключен из нашего каталога и больше не продается. Эта страница доступна для тех, кто ищет спецификации и просто любопытных.

×

×

×

×

×

×

Creative Commons изображения имеют лицензию CC BY 2.0

Примечание. Продукт, вышедший из употребления
Этот продукт был исключен из нашего каталога и больше не продается. Эта страница доступна для тех, кто ищет спецификации и просто любопытных.

Адаптер для программирования microUSB (μUSB-PA5-II) представляет собой мостовой преобразователь USB в Serial-TTL UART, очень маленький и простой в использовании. Он использует разъем USB типа mini-B для подключения к ПК и основан на SiLabs CP2104 USB to Serial Bridge IC от Silicon Labs. Каждый адаптер обеспечивает последовательную передачу данных с несколькими скоростями передачи до 3M и доступ к дополнительным сигналам, таким как управление потоком. Основной 5-контактный интерфейс представляет собой стандартную розетку с шагом 2,54 мм (0,1 дюйма), предназначенную для прямого подключения к большинству модулей 4D Systems.

Сигналы RX и TX выдерживают напряжение как 3,3 В, так и 5 В. Этот модуль заменяет множество существующих последовательных мостов 4D для комплектов ЖК-дисплеев, которые мы носим. Хотя многие модули 4D Systems совместимы с этим адаптером для программирования, некоторые из них несовместимы по механическим причинам.

Примечание. Это версия моста USB-to-Serial (μUSB-PA5). Он основан на SiLabs CP2104 USB to Serial Bridge IC от Silicon Labs, в отличие от своего предшественника, который был основан на FTDI FT232RQ USB to Serial Bridge IC от FTDI Chip. С точки зрения программирования модулей 4D Systems и uUSB-PA5, и uUSB-PA5-II работают одинаково.

Читайте также: