在曩昔十年中，通用串行总线(USB)规范因为具有易用、随插即用的功用性和可用性，因而被很多工业和消费性电子产品的规划人员作为衔接其他运用的首选接口。USB已完成其主要方针，即供给顾客简化操控周边设备和传输数据的办法。跟着超越三十亿个具有USB接口的电子设备进入商场，USB不仅是消费性运用中生长最快的接口，在工业商场也取得了显着的生长。
可是关于嵌入式处理方案规划人员而言，USB易用、随插即用的功用性和可用性并非彻底不需求付出代价，特别是假如他们正在为物联网规划功耗灵敏、电池供电的衔接设备产品时。对小型、便携式设备来说，添加USB作为通讯接口至少要添加一倍的运用电流耗费，而且需求比原先预期更大的电池。
从传统的串行接口通讯升级到广受欢迎的USB接口，一般会因为功耗预算的约束而变得难以实施。一般情况下，规划人员不得不在添加双倍电池容量和添加设备本钱(这使其不再那么具吸引力)、或放弃急需的差异化功用之间做出挑选。下面让咱们来看看USB规范怎么从为一切PC衔接供给规范化的愿望，演变为乃至可使IoT小型电池供电设备与任何其他设备通讯的最先进技能。
USB简史
假如你从前研讨过1990年代晚期出产的桌上型计算机的反面，你或许一眼就能认出为衔接不同硬件到计算机而呈现的许多规范。这些衔接规范包括5引脚的DIN、PS/2、串行端口、并行端口、或许也有一两个SCSI(“scuzzy”)通讯端口，假如你是一个游戏玩家，你还会在音效卡上有一个游戏衔接端口。
USB前期开发人员认识到了这种缤纷的衔接情况，并在1995年开端发明一种机器对机器(M2M)的通用规范，以替代一切其他接口规范。在1990年代晚期，当USB第一次被选用时，它只是作为“另一种衔接器”加入到PC。可是在2000年起USB开端迅速开展，并在经过一系列的更新后，它成为现在最被广泛选用的M2M接口之一。只需看看你的笔记型计算机和手机就能理解USB规范的成功。你的智能手机或许只要一个衔接接口：USB。假如你在2010年今后购买了笔记型计算机，便会发现除了显现器和网络衔接器之外，它或许只具有USB接口。此外，用于如今笔记本电脑和平板电脑的触控板、键盘和其他周边设备都透过USB与主处理器通讯。
USB规范的拓扑衔接分为设备(device)和主机(host)。主机是建议通讯并供给电源的机器;在桌面上，一般便是你的笔记本电脑或台式PC。设备是衔接到主机的下流设备，简略的回应主机的任何恳求;在桌面上，鼠标和键盘便是常见的USB设备。
关于USB衔接器的共同之处是它也可认为衔接的设备供电，因而不需求为你的鼠标或外接硬盘驱动器添加额定的电源。USB规范规则主机至少输出100mA的电流给设备，而且假如设备援助的话，它有或许取得500mA电流。这些供电才能来自开始的USB规范，PC简直总是作为主机，而且它们一向都是透过墙面插座取得电源。这个USB规范需求约束了USB在低功耗运用上的开展，虽然对PC运用来说，主电源供给并不成问题。
可是当这种老练的M2M接口要满意今天电池供电的IoT世界时，会产生什么?当主机也是一个便携式设备时，又有什么影响呢?
关于如今USB硬件的影响
在如今的便携式设备运用中，最常见的术语是“功率预算”。功率预算决议设备可以耗费多少能量，而且它是根据电池容量和所需求的电池运用寿数计算出的。例如，在一个有250mA电池容量和需求援助两天(48小时)电池运用寿数的运用中，功率预算大约为5mA。这个功率预算有必要散布在开发人员所期望设备做的每一项功用上，包括从传感器撷取和处理到通讯和驱动显现。
在曩昔的二、三十年间，微操控器(MCU)变得越来越小，而且电池容量也有所提高，因而咱们看到便携式设备的爆发性生长，这些便携式设备包括从手持风速表和示波器以至于数位呼气酒测器和遥控器。可是跟着具有四中心GHz级处理器的智能手机的呈现，现在可看到更多便携式设备以智能手机配件之方式呈现，制造商不再忧虑处理才能或运用者接口方面的问题。这种商场趋势正推进贱价配件的快速生长，例如取得Kickstarter众筹援助、可用于智能手机的Vaavud风速表，以及可插进iPhone中的呼气酒测器，这两个运用都运用HiJack接口，这种特别接口可以作业于低阶设备，但并不是最佳接口。
为了规划一个真实通用并好用的便携式设备，你应当挑选最合适的M2M接口，例如USB。挑选USB也可以使你的规划产品做到无主机约束(host-agnostic)，这表明假如你想让产品既能援助Mac、Windows手机又能援助Android平板，这都将不再是问题。可是当你想透过USB衔接这些小配件到电池供电的日常用品时，你在本来USB规范中从不关怀的“功耗”忽然成为了挑选USB处理方案的优先考虑问题。你不想只是为了与周边设备通讯而糟蹋平板计算机或笔记型计算机的名贵电池寿数，而且你也不想规划出一个会快速耗尽智能手机电池电量的配件运用产品。
经过正确挑选具有USB功用的硬件，将可以开宣布耗电很少的设备，一起通用M2M接口也得以消除简直一切的外部元件。
用于电池供电领域中的USB技能
为了解USB技能怎么改进功耗又坚持易用和随插即用的功用性，咱们首要需求快速阅读一下USB的通讯进程。一般情况下，仅有主机可以建议传输。即便没有通讯，主机也要每毫秒发送连线(keep-alive)信息给设备。假如设备有可用数据，它会回应。在这种作业形式下，设备可取得高达100mA的能量，而且主机预期设备可以当即回应任何恳求。当主机中止发送这些连线信息到达3ms时，设备应进入暂停状况而且当即消减它的电流耗费到3mA以下。
在暂停状况下，大部分设备能被封闭，一般咱们可以封闭最耗能的PHY。即便如今的MCU可以轻松完成3mA的暂停电流，咱们也没有理由坚持在那么高的状况。具有杰出动力形式的MCU应能在这种形式下完成小于3μA的电流耗费，包括PHY的电流耗费。
可是在作业形式中，当检测一个正常键盘设备的USB通讯时，自动形式不是非常有用的;大多数时分，设备只是等候主机发送数据。可是当主机恳求设备回应时，回应有必要及时;这是为什么大多数实作上会坚持USB周边设备一向运行在48MHz以答应满足的回应时刻。在这个特别的实例中，97%的时刻是闲暇的，即便咱们进行了罗列(enumerated)和发动。
为电池供电运用而最佳化的USB运用需求把这些功耗办理要素考虑在内，而且非常确认何时需求时脉、需求多长时刻、哪些其他USB元件可以封闭。SiliconLabs现在具有两项正在请求中的专利技能，并已取得制造商和客户反应，使得USB接口在如今电池供电IoT设备中具真实用武之地。即便在作业形式，高能效的通讯也可以透过运用无晶振(Crystal-less)USB振荡器和封闭封包通讯之间的耗电USB衔接元件而完成，如图1所示。这种立异的办法大幅下降了体系级功耗，而且树立出真实通用的、可供给优异能效的M2M接口。
USB衔接怎么在物联网规划中大展身手
图1：具有低能耗形式(LEM，low-energymode)键盘传输总线的有用信号表明晰何时封闭耗电的USB接口元件。
天经地义，对开发人员和终端运用者来说，低能耗USB应完成于无形之中。透过低能耗形式(LEM)，下降能耗是非常显着的，如图2所示。当这种技能与其他空间和本钱节约特性(例如无晶振USB运用和时脉康复)彼此结合时，开发人员可以完成真实的超低能耗通用M2M接口，而且不需求额定元件。
USB衔接怎么在物联网规划中大展身手
图2：一个典型的USB收发器在闲暇时处于“接纳”形式，糟蹋3-5mA。透过LEM技能，收发器可以坚持在相似暂停的低电流形式。
定论
USB接口现已从一个削减传统桌上型PC凌乱线缆衔接的简略需求，开展成为消费性电子设备接口的规范。具有USB功用的便携式设备日益遍及，促进整合的USB周边设备供给新的规划要求。
新的智能USB硬件使得本钱和功耗得以削减，并延长了电池运用寿数。当与无晶振USB技能相结合时，广泛运用的USB规范将使得一切可衔接设备变得愈加智能、可衔接的、节能。
