本文以Air780EPM系列低功耗模組為實(shí)例，分享USB接口硬件設(shè)計(jì)的要點(diǎn)以及LuatOS高效開(kāi)發(fā)API的助力作用。旨在指導(dǎo)開(kāi)發(fā)者在設(shè)計(jì)中規(guī)避常見(jiàn)陷阱，高效構(gòu)建穩(wěn)定可靠的USB應(yīng)用。

在設(shè)計(jì)USB接口時(shí)，不少剛接觸嵌入式開(kāi)發(fā)的新朋友，往往會(huì)因其“看似簡(jiǎn)單”而掉以輕心。

實(shí)際上，USB作為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中負(fù)責(zé)供電、固件升級(jí)、通信交互等功能的核心通道，其設(shè)計(jì)質(zhì)量直接影響整機(jī)穩(wěn)定性。從電路保護(hù)、阻抗控制、電源濾波到PCB布局，幾乎每一步都暗藏玄機(jī)。一旦處理不當(dāng)，就可能導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法識(shí)別、連接不穩(wěn)定、甚至批量損壞。

01. 模組管腳

Air780EPM系列模組與USB相關(guān)的管腳，如上方管腳圖右側(cè)淺綠色塊所示：

VBUS：PIN61；

USB_DM：PIN60；

USB_DP：PIN59；

特別說(shuō)明：管腳圖中所示的USB_DN正確的寫(xiě)法應(yīng)該是USB_DM，歷史原因一直將錯(cuò)誤寫(xiě)法延續(xù)到了現(xiàn)在。

USB_DM：USB Data Minus，USB數(shù)據(jù)負(fù)信號(hào)；

USB_DP：USB Data Positive，USB數(shù)據(jù)正信號(hào)。

02. 功能說(shuō)明

Air780EPM系列模組支持如下USB功能：

支持USB Full speed：全速模式，最高支持12Mbps，即1.5MB/s；

支持USB High speed：高速模式，最高支持480Mbps，即40MB/s；

支持USB下載軟件，Boot from USB；

支持USB RNDIS：搭配Windows/Linux實(shí)現(xiàn)快速上網(wǎng)；

僅支持USB Slave，不支持USB HOST。

03. 注意事項(xiàng)

與USB相關(guān)的操作，重點(diǎn)關(guān)注如下幾個(gè)方面：

上電開(kāi)機(jī)前將USB_BOOT（GPIO0）上拉至 VDD_EXT，模組將進(jìn)入U(xiǎn)SB下載模式（Boot from USB）；

模組內(nèi)部用于USB部分供電的電源是LDO33USB（3.3V輸出），該LDO只為USB功能提供電源，模組管腳未引出；

低功耗模式pm.WORK_MODE,1和PSM+模式pm.WORK_MODE,3 下，會(huì)將LDO33USB關(guān)閉；

模組VBAT最低2.3V左右（實(shí)測(cè)最低可至 2.1V）時(shí)仍可工作，但因此時(shí)LDO33USB的輸入（2.3V）已遠(yuǎn)低于輸出（3.3V），所以USB已無(wú)法正常工作；

VBUS，在模組內(nèi)部實(shí)際接的是WAKEUP1，USB_VBUS的5V經(jīng)過(guò)分壓后接到WAKEUP1，用于USB插入檢測(cè)。

04. 硬件參考設(shè)計(jì)

USB接口相關(guān)硬件參考設(shè)計(jì)如下圖示，橫屏或點(diǎn)擊放大查看。

▼ 相關(guān)注意事項(xiàng) ▼

USB接口硬件設(shè)計(jì)需要特別注意如下幾個(gè)方面：

1）阻抗匹配

USB接口的PCB設(shè)計(jì)中，差分信號(hào)線（USB_DP/USB_DM）的阻抗需控制在90Ω±10%（即81Ω～99），這是保證信號(hào)完整性的關(guān)鍵參數(shù)。

注意：阻抗不匹配將會(huì)導(dǎo)致信號(hào)反射、眼圖閉合、誤碼率上升，甚至通信失敗。

2）布線原則

差分對(duì)等長(zhǎng)匹配：長(zhǎng)度差控制在5mil以?xún)?nèi)，避免時(shí)序偏差和共模干擾；

減少換層過(guò)孔：每次換層加一對(duì)回流地過(guò)孔，維持信號(hào)回流路徑連續(xù)性，降低阻抗不連續(xù)風(fēng)險(xiǎn)；

保持完整參考平面：避免跨分割，優(yōu)先內(nèi)層布線，包地處理減少串?dāng)_。

3）TVS保護(hù)

USB接口容易引入靜電干擾，因此需要在電路上增加 TVS保護(hù)。

USB High speed差分?jǐn)?shù)據(jù)線選擇TVS的最關(guān)鍵參數(shù)是結(jié)電容容值，需要小于1pF；我們驗(yàn)證使用過(guò)的是芯禾微XESD124N-5V0。

VBUS電源上使用的TVS，我們使用過(guò)的是芯禾微XESD307D-5V0。

相關(guān)手冊(cè)詳見(jiàn)：

https://docs.openluat.com/air780epm/product/air780exxpins/#usb

05. 與USB相關(guān)的LuatOS API

LuatOS高度封裝與靈活的API設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)USB開(kāi)發(fā)的繁瑣流程。

▼ pm.USB ▼

API手冊(cè)詳見(jiàn)：

https://docs.openluat.com/osapi/core/pm/

常量含義：USB的供電使能；

數(shù)據(jù)類(lèi)型：number；

常量取值：0；

適用：Air780EXX系列、Air700E系列、Air8000系列模組；

示例代碼：

▼ mobile.CONF_USB_ETHERNET ▼

API手冊(cè)詳見(jiàn)：

https://docs.openluat.com/osapi/core/mobile/

常量含義：蜂窩網(wǎng)絡(luò)模塊的USB以太網(wǎng)卡控制；

數(shù)據(jù)類(lèi)型：number；

常量取值：11；

取值范圍：0x01：開(kāi)啟RNDIS功能；0x03：開(kāi)啟RNDIS功能，使用NAT模式(基站分配ip)；0x05：開(kāi)啟ECM功能；0x07：開(kāi)啟ECM功能，使用NAT模式(基站分配ip)。

注意事項(xiàng)：控制設(shè)備的USB以太網(wǎng)卡功能，通過(guò)位操作來(lái)控制不同的功能；僅在開(kāi)啟前可以修改；bit2：協(xié)議選擇（1ECM協(xié)議，0RNDIS協(xié)議）；必須在飛行模式下設(shè)置才能生效。

適用：Air780EXX系列和Air8000系列模組。

示例代碼：

▼ uart.VUART_0 ▼

API手冊(cè)詳見(jiàn)：

https://docs.openluat.com/osapi/core/uart/

常量含義：USB虛擬串口；

數(shù)據(jù)類(lèi)型：number；

常量取值：32；

適用：Air780EXX系列和Air8000系列模組。

示例代碼：

今天的內(nèi)容就分享到這里了~

審核編輯 黃宇