OTG

电子设备数据交换技术

OTG是On-The-Go的缩写,是近年发展起来的技术。2001年12月18日由USB标准化组织公布,主要应用于不同的设备或移动设备间的联接,进行数据交换

产生背景
USB技术的发展,使得PC和周边设备能够通过简单的方式、适度的制造成本,将各种数据传输速度的设备连接在一起。上述我们提到的应用,都是通过USB连接到PC,并在PC的控制下进行数据交换
但这种方便的交换方式,一旦离开了PC,各设备间无法利用USB口进行操作,因为没有一个设备能够像PC一样充当主机。
作用
OTG技术允许在没有主机(Host)的情况下,实现设备间的数据传送。例如数码相机直接连接到打印机上,通过OTG技术,连接两台设备间的USB口,将拍出的相片立即打印出来;也可以将数码照相机中的数据,通过OTG发送到USB接口移动硬盘上,野外操作就没有必要携带价格昂贵的存储卡,或者背一个便携电脑。
通过OTG技术,可以给智能终端扩展USB接口配件以丰富智能终端的功能,比如扩展遥控器配件,把手机、平板变成万能遥控器使用。
分类
根据USB接口所属协议,OTG可分为3类:
USB2.0 OTG
Micro 5PIN OTG:常见安卓手机的OTG接口
Mini 5PIN OTG:常见安卓平板的OTG接口
Micro USB3.0 OTG:三星Note3、Galaxy S5等在2016年以前的安卓手机的OTG接口
Type C OTG:见三星Note 8、Galaxy S8,乐视华为等在2016年以后的安卓手机的OTG接口
Lightning OTG:苹果手机专用OTG
原理
设计原理
随着PAD(平板电脑)、移动电话、数码相机、打印机等消费类产品的普及,用于这些设备与电脑,或设备与设备之间的高速数据传输技术越来越受到人们的关注, IEEE1394和USB是用于此类传输的两个主要标准。
这两个标准都提供即插即用热插拔功能,都可以向外提供电源,也都支持多个设备的连接。其中 IEEE1394支持较高的数据传输速度,但相对比较复杂、价格较高,主要用于需要高速通信的AV产品;而最初的USB标准主要面向低速数据传输的应用,其中USB1.1支持1.5Mbps和12Mbps的传输速率,被广泛用于传输速率要求不高的PC机外设,如:键盘、鼠标等。USB2.0标准的推出使 USB的传输速度达到480Mbps。而USB OTG技术的推出则可实现没有主机时设备与设备之间的数据传输。例如:数码相机可以直接与打印机连接并打印照片,从而拓展了USB技术的应用范围
相关原理
大家都知道自从1996年USB传输协议的诞生,并以其优势很快的风靡了所有计算机外设以及数码设备,大家都知道USB设备分为HOST(主设备)和SLAVE(从设备),只有当一台HOST与一台SLAVE连接时才能实现数据的传输,OTG设备就是我们的“EX”既能充当HOST,亦能充当SLAVE。
通信协议
USB OTG标准在完全兼容USB2.0标准的基础上,增添了电源管理(节省功耗)功能,它允许设备既可作为主机,也可作为外设操作(两用OTG)。 OTG两用设备完全符合USB2.0标准,并可提供一定的主机检测能力,支持主机通令协议(HNP)和对话请求协议(SRP)。在OTG中,初始主机设备称为A设备,外设称为B设备。可用电缆的连接方式来决定初始角色。用第5个ID脚确定默认主机,两用设备使用新型mini-AB插座,从而使mini-A插头、mini-B插头和mini-AB插座增添了第五个引脚(ID),以用于识别不同的电缆端点。mini-A插头中的ID引脚接地,mini-B插头中的ID引脚浮空。当OTG设备检测到接地的ID引脚时,表示默认的是A设备(主机),而检测到ID引脚浮着的设备则认为是B设备(外设)。系统一旦连接后,OTG的角色还可以更换。主机与外设采用新的HNP,A设备作为默认主机并提供VBUS电源,并在检测到有设备连接时复位总线、枚举并配置B设备。OTG标准为USB增添的第二个新协议称为对话请求协议(SRP)。SRP允许B设备请求A设备打开VBUS电源并启动一次对话。一次OTG对话可通过A设备提供VBUS电源的时间来确定(注:A设备总是为VBUS供电,即使作为外设)。也可通过A设备关闭VBUS电源来结束一次会话以节省功耗,这在电池供电产品中是非常重要的。例如,在两台蜂窝电话通过连接互相交换信息时,一台连接在费电的mini-A端,是A设备,默认为主机。另一台是B设备,默认为外设。当在不需要USB通信时,A设备可以关闭VBUS线,此时B设备就会检测到该状态并进入低功耗模式。
主机协商协议
在USB标准中,主机采用A型接口,称为A类设备(A-Device);外设采用B型接口,称为B类设备(B-Device)。1个DRD既可以作为主机,也可以作为外设。那么,当2个DRD互连时,哪个设备作为主机,为什么要作为主机?为了解决这两个问题,在OTG中提出了新的协议——主机协商协议(HNP)。在OTG中还定义了一种新的接口——微型AB插座(mini-AB receptacle)以及微型A插头(mi-ni-A plug)和微型B插头(mini-B plug)。在微型AB插座、微型A插头和微型B插头中增加了1个引脚——ID引脚,如图l所示。主机协商协议(HNP)
在微型A插头中,ID引脚接地,在微型B插头中,ID引脚悬空。在OTG中,如果设备的ID引脚接地(即mini-A插头连接的设备,如图l右侧的设备),则此设备默认为主机,否则为外设。同时,在设备连接使用过程中,通过主机协商协议,允许主机和外设功能互换。例如,假设图1左边的B-Device为1个手持PDA,右边的A-Device为1个打印机。由于连接线的关系,打印机初始化为主机。但是打印机的驱动程序存在PDA中,这时需要PDA作为主机,打印机作为外设。通过HNP可以方便实现此功能,而不必拔下连接线调换插头方向,重新连接打印机和PDA。
会话请求协议
OTG收发器一般用在嵌入式设备中,这类设备普遍采用电池供电,对功耗要求很严。为了节省电源,在OTG标准中,当电源总线没有使用时,允许A类设备挂起电源总线。当1个B类设备要工作时,它必须通过某种方法通知A类设备向电源总线供电。为了实现这一功能,在OTG中提出了会话请求协议(SRP)。在OTG中,1个会话定义为A类设备向电源总线VBUS有效供电的时间。需要注意的是,在OTG中电源一直都是由A类设备(连接mini-Aplug的DRD)提供的。由于主机协商协议,A类设备也可能作为外设使用,此时,电源也必须由A类设备提供。当A类设备挂起VBUS后,B类设备进入休眠状态。当B类设备需要再次工作时,它可以通过向数据线发送1个脉冲信号(Data-linePulsing)或向电源总线发送一个脉冲信号(VBUSPulsing)来请求A类设备向电源总线供电。OTG要求无论是DRD设备还是普通的B类设备,都必须具有发送会话请求的功能;同时,普通的A类设备或者DRD设备都必须能够响应1个会话请求。
OTG功能构建
图2所示电路给出了构建OTG功能时需要在基础USB外设上添加的电路,电路中的通用串行总线控制器可以是一个微处理器和USB SIE(串口引擎),也可以是集成的μP/USB芯片或与USB收发器相连的ASIC。为总线提供电源的外部设备需要一路3.3V稳压输出供电电压,以便为逻辑电路和连接在D+、D-引脚的1500Ω电阻提供电源。通过D+、D-引脚上的上拉电阻可向主机发出设备已连接的信号,并指示设备的工作速度。电阻上拉至D+表示全速运行,电阻上拉至D-表示低速运行。其它端点(包括D+和D-的15kΩ下拉电阻)用于检测上拉电阻的状态。由于USB设计需要提供热插拔功能。因此,其ESD保护电路主要用于为D+、D-和VBUS引脚提供保护。
为了增加OTG的两用功能,必须扩充收发器功能来使OTG设备既可作为主机使用,也可以作为外设使用。而要实现上述功能,就需要在图2所示电路中添加D+和D-端的15kΩ下拉电阻并为VBUS提供供电电源。此外,收发器还需要具备以下三个条件:
(1)可切换D+/D-线上的上拉和下拉电阻,以提供外设和主机功能。
(2)作为A设备时,需要具有VBUS监视和供电电路;作为B设备初始化SRP时,需要监视和触发VBUS。
(3)具有ID输入引脚。
作为两用OTG设备,ASIC(专用集成电路)、DSP(数字信号处理)或其它与收发器连接的电路必须具备充当外设和主机的功能,并应按照HNP协议转换其角色。
收发器所需添加的大多数电路用于VBUS引脚的管理。作为主机,它必须能够提供5V、输出电流可达8mA的电源。图2中的模拟开关用于配置收发器的各种功能。
ASIC和控制器还必须包含USB主机逻辑控制功能,包括发送SOF(帧启动)包、发送配置㙵5输入㙵5输出数据包,在USB 1 msec帧内确定传输进程、发送USB复位信号、提供USB电源管理等。
OTG线功能的使用
OTG的使用非常简单,具体跟设备有关系,但是都大同小异,操作方式如图3、图4:
发展由来
由来
自1996 年USB1.0规范以后,USB-IF(USB标准化组织,Universal Serial Bus Implementers Forums)又陆续公布了USB2.0和 USB OTG等几个规范,其中USB2.0的传输带宽达到480Mbps,而USB OTG更使USB装置摆脱了原来主从架构的限制,实现了端对端的传输模式,随着USB规范的不断完善,USB的应用领域也得到了拓展。USB诞生的初衷是简化电脑和其外设的连接,最早是用在键盘和鼠标上,USB的应用已经从PC外设跨越到了消费电子产品和通信电子产品领域,最显著的应用是在数码相机等消费电子产品上。USB低功耗、便于连接和高速传输的特性已经使它成为一个可方便应用的架构,它与其他技术结合便诞生出新的应用。如在移动存储领域,USB与闪存结合,创造性催生了广为流行的移动存储设备-U盘
发展
“In-stat/MDR统计资料也显示,未来几年USB2.0 OTG接口的周边设备将从2002年的11万台增长至2007年的1.68亿台,增长1527倍。可以看出,随着外围设备的多样化与高速传输的需求, USB 2.0 OTG的后续发展态势十分乐观。” 从业界应用来看,已有多家公司宣布将为其产品配置USB OTG功能。可以预见,USB OTG会成为未来电子产品的基本配置功能。
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