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USB电缆再认识

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  大家在学习USB协议的时候大概都没太关注过USB电缆部分的内容,有关注过可能也没仔细研究,再说网上的USB协议中文版也缺失这部分内容,百合电子工作室还专门翻译了这部分内容,详情请看《USB1.1协议中文完整在线版》的《USB插头、插座、电缆规范》一章内容。不过光看原文翻译,可能有些人也还有许多不能理解的地方,如有不懂的还可以参考一下这篇文章。另外关于USB电缆的文章还有:《USB物理模型简介(USB接口、USB电缆、USB总线拓扑结构)

  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,USB1.1协议只规定了两种形式的USB插头(插座),分别是A型和B型,而USB2.0协议增加了MiniA、MiniB、MiniAB这几种。

  USB协议定义的A型、B型插头插座,其中有两个单词,分别是:plug和receptacle,它们的意思是:

  • 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端或HUB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:

 

A型连接器和B型连接器
 

  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。 

  mini usb-b插头
Mini usb-b 插头

  由于USB是主从结果,两台USB设备之前不可能直接通信,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。

mini usb-a插头

Mini usb-a 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不同插头插座配置表
 

  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.

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