USB-хаб для кипятильника. Улучшаем USB-хаб своими руками

USB-хаб для кипятильника. Улучшаем USB-хаб своими руками
USB-хаб для кипятильника. Улучшаем USB-хаб своими руками

USB 2.0 Hi Speed

Описание опубликовано в журнале «Радио» № 11 за 2014 г., стр. 28...31 Как выбрать или изготовить USB-хаб.

В настоящее время для подключения периферийных устройств к компьютеру чаще всего используется интерфейс USB. Рано или поздно пользователь обнаруживает, что все порты компьютера заняты мышкой, клавиатурой, WEB камерой и т.п. и вновь приобретенный принтер, TV тюнер, USB осциллограф или что-либо еще подключить некуда. Куда же подключать обещанные в USB спецификации 127 устройств?

Для того, чтобы к одному USB порту компьютера можно было подключать более одного устройства, применяются хабы (HUB), называемые также концентраторами. Хаб преобразует один восходящий порт (upstream port) в несколько нисходящих портов (downstream ports). Архитектура USB допускает последовательное соединение до 5 хабов.

В магазинах, торгующих компьютерной периферией выбор хабов достаточно велик, на любой вкус, цвет и кошелек. Казалось бы, выбирай любой, наиболее симпатичного дизайна с нужным количеством портов и за минимальную цену. Ведь неискушенный пользователь часто представляет себе хаб чем-то вроде устройства для подключения двух телевизоров к одной антенне - пара резисторов и конденсаторов.

Однако в данном случае все гораздо сложнее. В этом я убедился, когда приобрел два USB концентратора, один для цифрового интерфейса к трансиверу и второй для подключения внешнего жесткого диска к стационарному ПК.

USB HUB - NoNameUSB HUB - DNS

Первый концентратор на 4 порта с логотипом "DNS" был приобретен в розничном магазине, второй - на 7 портов от производителя "No Name" я заказал в зарубежном интернет магазине.

Эксперименты в лабораторных условиях показали, что оба экземпляра без проблем работают с мышкой, клавиатурой, конвертером USB-COM и USB звуковой картой. Однако с внешним жестким диском и флэшкой работает только хаб под маркой DNS. При подключении флэшки или жесткого диска к безымянному хабу компьютер выдавал сообщение "USB устройство не определено".

Дополнительные эксперименты с цифровым интерфейсом трансивера показали, что первый хаб (DNS) здесь также работает без проблем, а вот второй (безымянный) вызывает зависание компьютера при каждом включении передатчика. И дело тут не в согласовании антенны с трансивером, т.к. при непосредственном, без концентратора, подключении конвертера USB-COM и внешней звуковой карты к компьютеру все работало без проблем.

Такая ситуация меня заинтересовала и я решил выяснить, чем же отличаются эти два USB концентратора. Почему один полностью выполняет свои функции, а второй в принципе работает, но не всегда и не со всеми устройствами.

Каково же было мое удивление, когда после вскрытия корпусов оказалось, что оба хаба собраны на одной и той же элементной базе и по абсолютно одинаковым схемам! Только в 7-и портовом концентраторе были установлены два контроллера последовательно. Замечу сразу, что после эксперимента с отключением второго контроллера ситуация не изменилась.

Чтобы понять причину, пришлось ознакомиться с основами теории шины USB. Первая спецификация USB 1.0 была опубликована в начале 1996 г., а осенью 1998 г. появилась спецификация 1.1 исправляющая проблемы, обнаруженные в первой редакции.

Спецификация USB 1.1 определяет два режима передачи данных: низкоскоростной LS (Low-speed) - 1,5 Мбит/сек и полноскоростной FS (Full-speed) - 12 Мбит/сек.

Весной 2000 г. была опубликована версия USB 2.0 в которой предусматривалось 40-кратное повышение пропускной способности шины. В дополнение к двум скоростным режимам, предусмотренным спецификацией 1.1, был введен третий - высокоскоростной HS (High-speed) - 480 Мбит/сек.

С логотипом «USB 2.0» связан один тонкий момент. Пропускная способность этого интерфейса, как указано выше, 480 Мбит/сек, однако в спецификации заложена возможность функционирования устройств в режимах LS и FS. Таким образом, реальную пропускную способность 480 Мбит/сек могут обеспечить только устройства, способные работать в режиме HS.

Разработчики USB рекомендуют использовать логотип "USB 2.0" только для HS-устройств, но в маркетинге свои законы и многие производители используют этот логотип и для FS-устройств, являющихся, по сути, устройствами USB 1.1. Другими словами, надпись на упаковке "USB 2.0" еще ни о чем не говорит. Реальные USB 2.0 устройства имеют маркировку "USB 2.0 HI-SPEED|" и явное указание на поддержку скорости шины 480 Мбит/сек.

USB HUB - монтаж

480 Мбит/сек это меандр с частотой 480 МГц. Для любого, мало-мальски сведущего в радиотехнике специалиста понятно, что для неискаженной передачи прямоугольных импульсов с такой высокой частотой при разработке топологии печатной платы необходимо жестко соблюдать требования по согласованию волнового сопротивления линий передачи.

Волновое сопротивление дифференциальных сигнальных линий от контроллера к разъему на плате должно быть 90 Ом +/-10%. Линии должны проходить симметрично, на расстоянии не менее 5-и кратного промежутка между ними от других сигнальных линий. Под ними на всем протяжении должен быть сплошной слой фольги - общий провод. Участки, на которых эти требования невыполнимы (например, точки подключения к контроллеру) должны иметь минимальную длину.

Ну, и конечно, нужно соблюдать обычные требования к монтажу ВЧ цепей - все проводники должны иметь минимальную длину, блокировочные конденсаторы располагаться как можно ближе к соответствующим выводам контроллера и т.п.

При взгляде на фотографии печатной платы хабов видно, что при монтаже хаба под маркой DNS эти требования более или менее соблюдались.

USB HUB - DNS bottomUSB HUB - DNS top

Производители же NO NAME хаба использовали одностороннюю печатную плату, поэтому волновое сопротивление линий сильно отличается от стандартных 90 Ом и имеется высокая чувствительность к электромагнитным помехам

USB HUB - NoName bottomUSB HUB - NoName top

В обоих хабах используются одинаковые контроллеры FE1.1s. Сайт производителя - http://www.jfd-ic.com/ к сожалению, только на китайском языке.

Чтобы проверить предположение, что плохая работа хаба вызвана игнорированием требований спецификации USB к топологии печатной платы, я разработал свой вариант платы. По сравнению с прототипом на плате установлены несколько дополнительных блокировочных конденсаторов и, по возможности, соблюдены требования к монтажу. Размер платы 75 x 60 мм.

Геометрические размеры сигнальных линий для получения требуемого волнового сопротивления рассчитаны в программе TX-LINE, которая входит в пакет Microwave Office от National Instruments Corporation. Сама по себе эта программа бесплатна и доступна для скачивания на сайте компании http://www.awrcorp.com/ после регистрации. На всякий случай я положил ее в архив, ссылка на который в конце странички.

Программа не требует инсталляции, работа с ней интуитивно понятна. Нужно перейти на вкладку с типом линии - "Coupled MSLine", выбрать материал линии - Copper, ввести диэлектрическую проницаемость стеклотекстолита Dielectric Constant = 5,5 и ввести параметры линии. Если принять толщину стеклотекстолита 1 мм, ширину печатных проводников 0,7 мм, расстояние между ними 0,5 мм, толщину медной фольги 0,02 мм, а частоту работы линии 500 МГц, получим волновое сопротивление около 93 Ом.

Фольга на противоположной стороне платы служит экраном. Отверстия для монтажа деталей раззенкованы. В выделенные цветом сквозные переходы вставлены отрезки провода, пропаянные с обоих сторон платы.

Все пассивные SMD компоненты типоразмеров 1206 или 0805. Конденсаторы C6-С8 танталовые. Резистор R1 2,7К +/-1%. Розетка XS6 USB mini-BF, XS1-XS4 – USB-AF. Кварцевый резонатор ZQ1 12 Мгц. Конденсаторы C1-C3, кварцевый резонатор ZQ1 и разъем внешнего питания XS5 смонтированы со стороны установки деталей, остальные элементы – со стороны печатных проводников.

Перемычка S1 устанавливается, если HUB будет использоваться как пассивный, т.е. все подключенные к нему устройства будут получать питание от компьютера. Если HUB предполагается использовать с устройствами, которые потребляют ток более 500 мА, питания от компьютера будет недостаточно. В этом случае перемычку следует удалить, а к разъему XS5 подключить стабилизированный блок питания на 5 В с необходимой мощностью.

Если возможна эксплуатация хаба как в пассивном, так и в активном режиме, вместо перемычки нужно установить диод c барьером Шоттки VD1 с допустимым током не менее 1 А, например, SS24 для исключения подачи напряжения от внешнего блока питания в USB порт компьютера.

В принципе, для уменьшения толщины платы, все детали можно разместить со стороны печатных проводников, но без металлизации отверстий это усложняет монтаж. Немного скорректировав рисунок платы можно изменить ее размеры и расположение USB портов под конкретные нужды.

Протестировав смонтированную плату я обнаружил, что два из четырех портов великолепно работают с флэшкой и USB жестким диском, а два других - только с мышкой. Новая загадка... Но влияние электромагнитного излучения полностью исчезло.

Пришлось выпаять второй контроллер из 7-портового хаба и заменить им первый на самодельной плате. Теперь полноценно заработали три порта из четырех. Причем в режиме High Speed перестал работать порт, который с первым контроллером функционировал без проблем.

В Data Sheet на FE1.1s сказано, что все контроллеры проходят тестирование перед продажей. Очевидно, отбракованные экземпляры отправляются не в мусор, а к безымянным производителям. Либо в контроллере есть какие-то недокументированные опции. Так или иначе, вариант с тремя полноценными USB 2.0 портами меня в принципе устроил.

Обращаю внимание но то, что практически все дешевые хабы, на которых есть разъем для подключения внешнего блока питания, не имеют никакой развязки между внешним и внутренним питанием. Т.е. выводы питания на всех разъемах просто соединены между собой. В результате есть шанс вывести из строя USB порт компьютера, подав на него напряжение с внешнего блока питания, подключенного к хабу.

Поэтому, если предполагается подключение внешнего блока питания к приобретенному USB хабу, нужно вскрыть его корпус и перерезать дорожку от линии питания разъема восходящего порта (того, который идет к компьютеру). Для сохранения возможности использования хаба в пассивном режиме в это место можно запаять диод, как показано на принципиальной схеме. Для уменьшения падения напряжения надо использовать диод с барьером Шоттки с током не менее 1 А.

Хочу обратить внимание на еще одну важную деталь - USB кабель. Согласно спецификации USB 2.0 соединительный кабель должен быть обязательно экранированным. При покупке иногда бывает сложно определить, есть в кабеле экран или нет. Единственное, что может свидетельствовать о наличии экрана - это маркировка USB 2.0 HIGH SPEED на кабеле. Косвенным признаком является также наличие ферритовых защелок на концах кабеля.

Однако, ни маркировка, ни наличие защелок ничего не говорят о качестве экрана. В хорошем кабеле он должен быть из фольги, обернутой вокруг проводников, поверх которой надет плетеный медный "чулок". Нередко производители удешевляют производство и вместо полноценного экрана используют несколько омедненных стальных жилок.

Если есть возможность, качество экрана можно оценить, измерив мультиметром сопротивление между металлическими корпусами разъемов на обоих концах кабеля. Если сопротивление близко к нулю - в кабеле полноценный медный экран. Если сопротивление 3-4 и более Ом - экран есть, но он из стальных проволочек. Такой кабель обычно тоньше, но он может приводить к сбоям при работе в условиях электромагнитных помех. Например, если рядом с кабелем положить сотовый телефон.

Если мультиметр показывает бесконечность, значит кабель не экранирован и для работы в режиме High Speed не пригоден. В любом случае корпус разъема не должен соединяться ни с одним из контактов. Никакие самостоятельные пайки, сращивание, экранирование или замена разъемов в кабеле недопустимы.

Самый надежный критерий выбора - это прозрачная внешняя оболочка кабеля, через которую отчетливо просматривается качественная экранирующая оплетка. А если при этом на обоих концах имеются ферритовые защелки, то такой кабель смело можно отнести к категории PRO.

Подытоживая сказанное, сформулирую основные критерии выбора качественного USB 2.0 концентратора для работы по высокоскоростному интерфейсу.

• Приобретать USB концентратор лучше в розничных магазинах, заранее оговаривая возможность возврата или обмена на другую модель.

• На упаковке и корпусе должен быть логотип "USB 2.0 Hi Speed" и явное указание на поддержку скорости 480 Мбит/сек.

• Сразу после покупки, а по возможности до нее, следует протестировать работу всех портов хаба с высокоскоростным устройством, например с флэшкой USB 2.0.

• Если для подключения устройств к хабу или хаба к компьютеру планируется использование соединительных кабелей, предпочтение лучше отдать тем моделям хабов, у которых все разъемы смонтированы в корпусе на плате, т.к. торчащие "хвостики" с разъемами почти наверняка не имеют экранов. В результате один конец экрана подключенного кабеля окажется висящим в воздухе, что может привести к сбоям в работе в режиме High Speed.

• Если предполагается использовать хаб с внешним блоком питания, будьте готовы к тому, что наверняка потребуется доработка хаба, как было описано выше.

• Никакой защиты от перегрузки в дешевых хабах нет, чтобы там ни было написано на упаковке. Предполагается, что она есть в USB портах компьютера. Полноценный хаб с защитой от перегрузки - это уже совсем другая ценовая категория.

• Приобретайте качественный экранированный кабель с надписью HIGH SPEED на нем, по возможности с прозрачной внешней оболочкой.

• Если ни одна из продаваемых моделей хабов Вас не устраивает - сделайте USB концентратор сами, как я описал выше.

Если это простое устройство вас заинтересовало, можете скачать его описание в формате pdf, чертеж печатной платы в Sprint Layout, схему в sPplan, а также программу для расчета волнового сопротивления линий TX-LINE.

© 2014-2015г.

USB-хаб для кипятильника. Улучшаем USB-хаб своими руками 90
USB хабы интернет-магазин Фокстрот: цены, отзывы, купить
USB-хаб для кипятильника. Улучшаем USB-хаб своими руками 35
Делаем из старого глупого телевизора новый и умный и
USB-хаб для кипятильника. Улучшаем USB-хаб своими руками 75
SGS3 USB OTG переходник USB Hub - можно ли заставить работать
USB-хаб для кипятильника. Улучшаем USB-хаб своими руками 7
Небольшой четырехпортовый USB 3.0 хаб от Ugreen - kirich. blog
USB-хаб для кипятильника. Улучшаем USB-хаб своими руками 62
Как выбрать USB 2.0 HUB. Внешний USB хаб. USB концентратор
USB-хаб для кипятильника. Улучшаем USB-хаб своими руками 68
Подключаем питание к USB-концентратору - Yktoo
USB-хаб для кипятильника. Улучшаем USB-хаб своими руками 24
USB-хаб для кипятильника. Улучшаем USB-хаб своими руками 53
USB-хаб для кипятильника. Улучшаем USB-хаб своими руками 66
USB-хаб для кипятильника. Улучшаем USB-хаб своими руками 27
USB-хаб для кипятильника. Улучшаем USB-хаб своими руками 89
USB-хаб для кипятильника. Улучшаем USB-хаб своими руками 85
USB-хаб для кипятильника. Улучшаем USB-хаб своими руками 100
USB-хаб для кипятильника. Улучшаем USB-хаб своими руками 59
USB-хаб для кипятильника. Улучшаем USB-хаб своими руками 34
USB-хаб для кипятильника. Улучшаем USB-хаб своими руками 55