重新认识USB电缆与USB设备连接

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。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、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。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：
      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。
                 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：
            USB 协议定义的合法电缆为了让数量众多的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：Detachable cable  可分离的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  不可分离的电缆
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：指USB电缆与设备之间是按照自行定义的接口方式进行连接，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接口，而非标准的USB连接。
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。
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：
         
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。
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。
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