深入认识 USB 电缆与 USB 设备连接 作者:误人子弟 本文首发于 RD3721.COM (手机设计天下网) 如果说不讨论 USB 电缆及连接器的机械电气特性的话,以 USB 电缆为题写一篇技术文章是一件很艰 难的事。但应 RD3721.COM 的邀请,我还是决定写一篇这样标题的文章。 我说的,也许简单,也许是你已知道的,但很可能从没有看见过有人写下来,这就是本文的价值。 USB 已成为 PC 外设连接的绝对标准,被认为是最成功的接口,如今,世界上已经有 数十亿台设备上嵌有 USB 接口。 标识符、电气特性等都做了严格的规定。 USB 协议定义的 A 型、B 型 插头插座 Plug:插头 ;receptacle:插座 用俗语“公头” “母头”可能更形象一些。 USB 定义了标准 A 系列和标准 B 系列两种插头插座。 R 标准 A 系列:这种扁平式插头插座应用最普遍,主要应用于 PC 端连接。PC 上就是 这种 A 型插座。常见的 U 盘和 USB 电缆上用的就是这种 A 型插头。 标准 B 系列:这种方形插头插座应用的要少一些,主要应用在设备端连接。在一些打 印机、数码伴侣等体积较大的设备上就是用的 B 型插座,相应的电缆上就是用的 B 型插 头。 一般设备上是放置的是插座,电缆端是插头,匹配连接。这样显然更便于携带和使用。 下图是 USB 协议中截取的插头插座图示: D 37 21 .C 目前最主流的 USB 规格是 2.0 版本,其协议中对连接电缆的形状、尺寸、线材、颜色、 O M 便携设备中配备 USB 端口非常的普及,但显然 B 型插座是不适合便携设备应用的,于 是新增了一种 Mini B 型插座,体积更小。对应的,增加了 Mini B 型插头。 R D 37 Mini A 插头 Mini B 插头 为了让各设备之间直接交换数据而不经过 PC 中转, USB 开发了 OTG 协议。 支持 OTG 的设备可以一定程度上模拟 PC 的功能, 控制 USB 总线完成与另一设备交换数据的服务。 OTG 功能在便携设备上应用最有前景,但显然在便携设备上使用 PC 用的 A 型插座是 21 .C O M 不合适的,于是新增了更小体积的 Mini A 型插座,相应的引入 Mini A 型插头。 问题又来了,存在一个设备,与 PC 连接时扮演“从设备”的角色,与其它设备相连时 扮演“PC”的角色,对于这种“双角色设备” ,如果只用一个插座的话,应该使用何种插 座呢?USB 协议引入了一种新型插座—Mini AB 来解决这个问题,其既可以插入 Mini A 型插头,又可以插入 Mini B 型插头。需要注意的是:不存在 Mini AB 型插头! 以下是不同插头插座匹配图: 为了让数量众多的 USB 设备能正常连接,USB 协议严格规定了电缆类型。分为以下两 大类: R Detachable cable 这种 cable 两端都是插头,比如常见的 MP3 播放器随机赠送的那种电缆,一头是标准 A 型插头,一头是 Mini B 型插头。 这种电缆用户是可以自由替换的,如果你丢失了,你可以去电子市场买一根,或者用你 的朋友的都可以,非常方便。 Captive cable 这种 cable 一端是插头,另一端是非标准的连接方式:分为 hardwire 或 customize 两 D 37 可分离的 cable 不可分离的电缆 USB 协议定义的合法电缆 21 .C O M 种情况。 Hardwired 连接:比如 USB 鼠标,USB 键盘。电缆一端是与 PC 连接的标准 A 型插 头,电缆另一端是与设备固定连接到一起的。这种电缆自然是不可分离的。哦,你还是可 以用剪刀把电缆剪断…… 对于流行的闪存 U 盘,机身带有 A 型插头,可直接插入 PC。这种 U 盘也属于不可分 离型 cable。只不过可以理解为 cable 长度为 0 或者只是 PCB 上的走线长度。 Customized 链接: USB 电缆与设备之间是按照自行定义的接口方式进行连接, 指 目 前大部分手机厂商的 USB 电缆, 与手机端的接口就是各自定义的, 比如 18pin 接口, 10pin 这种电缆属于不可分离电缆也是容易理解的,比如你如果丢失了电缆,因为不是标准 的,你很难买到一根新的,你到朋友家里也无法使用朋友的电缆,因此是很不方便的。 的一端是插头,另一端是非标准连接,不限) 。 USB2.0 仅定义了如下允许的 cable 类型: R 在 USB OTG 中又扩展定义了如下几种 cable 类型: 当然,USB 协议定义的电缆并不能满足所有的要求。当你觉得电缆长度不够,或者当 D 37 21 USB 电缆的最典型特征就是两个端子都是 plug 插头, 不可能是插座的。 (captive cable .C O 接口,而非标准的 USB 连接。 M 你想把一种带标准 A 型插头的设备到插入标准 B 插座主板上时,你可就麻烦了,这时你 需要使用 USB 电缆转接器(cable adapter) 。 为了使更多的 USB 设备能连接在一起,USB 定义了几种转接器。所谓转接器是一种特 殊的电缆,它不可能直接连接起两个设备,而至少一端连接在电缆上。 如 USB2.0 定义了一种 adapter,这就是我们常见的所谓 USB 延长线。 Standard-A-receptacle to Standard-A-plug USB OTG 还新增定义了两种电缆转接器: USB Adapter 与 USB cable 的最大区别就是有且仅有一端是插座, 而非 USB 电缆那 样。两端都是插头。 由上可见,只有 A-A 系列之间的 adapter,没有 A-B 系列之间的转接,因此不会破坏 USB 的主从设备连接规定。 USB 协议对 cable 种类和样式做如此细致的规定,就是为了避免非法设备连接的情 况,也就是说,你将永远无法使用正常手段将两台 PC 的 USB 端口连在一起,或者将两 R 台 U 盘连接在一起。或者说,你无法使用正常 USB 电缆将两台主设备或者两台从设备连 接在一起。 USB OTG 主从设备的判定 上面提到,支持 OTG 功能的双角色设备配备的是 MiniAB 插座,为了让其能区分插入 的是 MiniA 型还是 MiniB 型插头,USB 将 Mini 系列连接器的信号线由标准的 4 线增加到 5 线,增加了一个称为“ID”的新信号线,用于插头识别。 标准类型的 A 系、B 系列插头或插座都是 4pin 的,而 MiniA、MiniB、MiniAB 类型的 D 37 21 .C O M 插头和插座都是 5pin 的。在 Mini 系列中增加的 ID pin,在带有 Mini-A 型插头的电缆中 将该 pin 固定接地,而在带有 Mini-B 插头的电缆中悬空。 于是,支持 OTG 功能的“双角色设备”可以根据板上 MiniAB 插座的 ID 信号线的电平 状态来区分插入的是 MiniA 型插头还是 MiniB 型插头。 当插入 MiniA 型插头时, 表示用户希望该设备作为一个主设备使用; 当插入 MiniB 型插 头时,表示用户希望该设备作为一个从设备使用。该设备应根据用户的要求执行相应的应 用软件来完成服务。 USB OTG 的设备连接 USB OTG 设备之间的连接似乎要复杂一些,我们分两种情况来看: 主从设备状态使用不同 USB 接口的情况 在一些体积较大的 OTG 设备中,比如数码伴侣,车载播放器等设备,其体积允许放 置两个或多个 USB 插座,此时可将主从设备状态下的 USB 端口分开,简化用户操作。 比如与 PC 连接时,可通过板上的 B 型插座连接。当需要直接插入常用的 U 盘工作时, 可以通过安置的标准 A 插座连接。 主从设备状态使用同一 USB 口的状况: 比如典型的支持 OTG 功能的智能手机,受体积限制只允许使用一个 USB 插座,即主 R 从设备状态下使用同一 USB 口,此时应放置 MiniAB 插座(也只能放这个插座) 。 当与 PC 连接时,使用 Standard A plug to Mini B plug 电缆。 当与其他设备(MP3,数码相机等)连接时,使用 Mini A plug to Mini B plug 电缆。虽 然这种电缆的 MiniB 型插头也可以插入智能手机中, 但只有 Mini B 插头一端能插入 MP3, 数码相机等设备,因此,为了完成连接,用户只好将余下的 MiniA 插头端插入智能手机。 当智能手机希望与通常的带有标准 A 型插头的 U 盘连接时,只能使用电缆转接器了。 D 37 21 .C O M 后 记: 阅读这篇文章后,相信大家在产品设计时,再遇到 USB 插座选择时,再选择 USB 电 缆测试产品时,应该可以轻松一点了。再遇到 USB 电缆时,您也可以清楚的知道这种电 缆是属于那种类型的了。 如果本文真的能带给您上述益处,作者将非常之高兴。 应 RD3721.COM 手机设计天下 邀请,我后续将继续就一些简单问题发表见解。 对简单问题发表较深刻的看法,是我的追求。 时间仓促,可能存在错误之处,欢迎指正交流( wurenzidi3721@163.com ) O 声 明: 本文是 RD3721 特邀嘉宾所作, 首发于 www.rd3721.com 。 本文版权归 RD3721 和作者共同所有,欢迎转载,转载请保证文章的完整性。 了解更多资讯和技术,访问 www.rd3721.com 手机设计天下 R www.rd3721.com D 37 面向手机设计制造行业的专业门户 21 .C M 误人子弟