自供电 USB 设备解决方案

[English]

按照 USB 协议要求,USB 自供电设备必须通过检测 5V VBUS 电压来判断设备是否拔出,进而实现热插拔。对于主机供电设备,由于主机 VBUS 断电之后,设备直接掉电关机,无需实现该逻辑。

USB 设备 VBUS 检测方法一般有两种方法:由 USB PHY 硬件检测,或借助 ADC/GPIO 由软件检测

由于 ESP32S2/S3 内部 USB PHY 不支持硬件检测逻辑,该功能需要借助 ADC/GPIO 由软件实现,其中使用 GPIO 检测方法最为简便,实现方法如下:

对于 ESP-IDF 4.4 及更早版本:

  1. 硬件上,需要额外占用一个 IO(任意指定,特殊引脚除外),通过两个电阻分压(例如两个 100KΩ )与 ESP32S2/S3 相连 (ESP32S2/S3 IO 最大可输入电压为 3.3v);

  2. tinyusb_driver_install 之后,需要调用 usbd_vbus_detect_gpio_enable 函数使能 VBUS 检测,该函数实现代码如下,请直接复制到需要调用的位置:

/**
 *
 * @brief For USB Self-power device, the VBUS voltage must be monitored to achieve hot-plug,
 *        The simplest solution is detecting GPIO level as voltage signal.
 *        A divider resistance Must be used due to ESP32S2/S3 has no 5V tolerate pin.
 *
 *   5V VBUS ┌──────┐    ┌──────┐   GND
 *    ───────┤ 100K ├─┬──┤ 100K ├──────
 *           └──────┘ │  └──────┘
 *                    │           GPIOX
 *                    └───────────────
 *        The API Must be Called after tinyusb_driver_install to overwrite the default config.
 * @param gpio_num, The gpio number used for vbus detect
 *
 */
static void usbd_vbus_detect_gpio_enable(int gpio_num)
{
    gpio_config_t io_conf = {
        .intr_type = GPIO_INTR_DISABLE,
        .pin_bit_mask = (1ULL<<gpio_num),
        //set as input mode
        .mode = GPIO_MODE_INPUT,
        .pull_up_en = 0,
        .pull_down_en = 0,
    };
    gpio_config(&io_conf);
    esp_rom_gpio_connect_in_signal(gpio_num, USB_OTG_VBUSVALID_IN_IDX, 0);
    esp_rom_gpio_connect_in_signal(gpio_num, USB_SRP_BVALID_IN_IDX, 0);
    esp_rom_gpio_connect_in_signal(gpio_num, USB_SRP_SESSEND_IN_IDX, 1);
    return;
}

对于 ESP-IDF 5.0 及以上版本:

  1. 同上,硬件上需要额外占用一个 IO(任意指定,特殊引脚除外),通过两个电阻分压(例如两个 100KΩ )与 ESP32S2/S3 相连;

  2. 将用于检测 VBUS 的 IO 初始化为 GPIO 输入模式;

  3. 直接将 IO 配置到 tinyusb_config_t 中(详情可参考):

#define VBUS_MONITORING_GPIO_NUM GPIO_NUM_4
// Configure GPIO Pin for vbus monitoring
const gpio_config_t vbus_gpio_config = {
    .pin_bit_mask = BIT64(VBUS_MONITORING_GPIO_NUM),
    .mode = GPIO_MODE_INPUT,
    .intr_type = GPIO_INTR_DISABLE,
    .pull_up_en = false,
    .pull_down_en = false,
};
ESP_ERROR_CHECK(gpio_config(&vbus_gpio_config));
const tinyusb_config_t tusb_cfg = {
    .device_descriptor = &descriptor_config,
    .string_descriptor = string_desc_arr,
    .string_descriptor_count = sizeof(string_desc_arr) / sizeof(string_desc_arr[0]),
    .external_phy = false,
    .configuration_descriptor = desc_configuration,
    .self_powered = true,
    .vbus_monitor_io = VBUS_MONITORING_GPIO_NUM,
};
ESP_ERROR_CHECK(tinyusb_driver_install(&tusb_cfg));