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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Come scegliere o realizzare un hub USB. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Компьютеры Oggi, l'interfaccia USB viene spesso utilizzata per collegare dispositivi periferici a un computer. Ma prima o poi, l'utente scopre che tutte le porte USB del suo computer sono occupate da mouse, tastiera, videocamera WEB e altri dispositivi, e non c'è nessun posto dove collegare una stampante appena acquistata, un sintonizzatore TV, un oscilloscopio USB o qualsiasi altra cosa. Come colleghi i 127 dispositivi promessi dalle specifiche USB al tuo computer? Affinché più di un dispositivo possa essere collegato a una porta USB di un computer, vengono utilizzati gli hub (hub inglese - il mozzo della ruota in cui sono inseriti tutti i suoi raggi), chiamati anche concentratori. L'hub è dotato di una porta USB "upstream" che si collega a un computer e di diverse porte USB "downstream" a cui sono collegate le periferiche. La specifica USB consente il collegamento a margherita di un massimo di cinque hub. Nei negozi che vendono periferiche per computer, l'assortimento di hub USB è piuttosto ampio, per tutti i gusti, colori e budget. Sembrerebbe che tu possa sceglierne uno qualsiasi, il design più attraente con il numero richiesto di porte e al prezzo minimo. Dopotutto, un utente inesperto spesso immagina un hub come qualcosa di simile a un dispositivo per collegare due televisori a un'antenna: all'interno c'è una coppia di resistori o un trasformatore in miniatura. Tuttavia, in questo caso tutto è molto più complicato. Ne ero convinto quando ho acquistato due hub USB, uno per l'interfaccia digitale al ricetrasmettitore, il secondo per collegare un disco rigido esterno al PC desktop. Il primo hub per quattro porte con il logo "DNS" è stato acquistato in un normale negozio, il secondo - da un produttore sconosciuto per sette porte - è stato ordinato da un negozio online straniero. Esperimenti di laboratorio hanno dimostrato che entrambi gli hub funzionano senza problemi con mouse, tastiera, adattatore USB-COM e una scheda audio dotata di interfaccia USB. Tuttavia, solo l'hub DNS funziona con un disco rigido esterno e un'unità FLASH. Quando si collegano tali dispositivi tramite un hub senza nome, il computer visualizza il messaggio "Dispositivo USB non rilevato". Ulteriori esperimenti con l'interfaccia digitale del ricetrasmettitore hanno dimostrato che l'hub DNS qui funziona senza problemi, ma l'uso di un hub senza nome porta al blocco del computer ogni volta che si accende il trasmettitore. Collegando l'adattatore USB-COM e una scheda audio esterna direttamente al computer senza hub, tutto ha funzionato senza problemi. Questa situazione mi interessava. Ho deciso di scoprire in cosa differiscono questi due hub. Perché uno svolge pienamente le sue funzioni, mentre il secondo, in linea di principio, funziona, ma non sempre e non con tutti i dispositivi? Immaginate la mia sorpresa quando, dopo aver aperto le custodie, si è scoperto che entrambi i mozzi erano assemblati sullo stesso elemento base e secondo circuiti assolutamente identici! Solo quello a sette porte ha due chip controller hub USB identici installati in serie: la porta upstream del secondo controller simile è collegata a una delle quattro porte downstream del primo controller. Disabilitare il secondo controller tagliando i conduttori del circuito stampato non ha cambiato la situazione. Per capirne il motivo, ho dovuto conoscere le basi della progettazione e del funzionamento del bus USB. La prima specifica USB 1.0 fu pubblicata all'inizio del 1996 e nell'autunno del 1998 apparve la specifica 1.1, eliminando i problemi riscontrati nella prima edizione. La specifica USB 1.1 definisce due modalità di trasferimento delle informazioni: a bassa velocità (LS - low-speed), operante a velocità fino a 1,5 Mbit/s e a piena velocità (FS - Full-speed) con una velocità massima di 12 Mbit/s S. Nella primavera del 2000 è stata pubblicata la specifica USB 2.0, che prevede un aumento di 40 volte della larghezza di banda del bus. Oltre alle due modalità di velocità precedentemente disponibili, ne è stata introdotta una terza: HS (High-speed) ad alta velocità, in grado di funzionare a velocità fino a 480 Mbit/s. Nel 2008 è apparso un nuovo standard: USB 3.0 (Super Speed), secondo il quale la velocità di trasferimento è stata aumentata a 5 Gbit/s. Tuttavia, per raggiungere tali velocità, è stato necessario modificare seriamente il design di connettori e cavi, mentre non è stato possibile ottenere la piena compatibilità con le versioni precedenti. Si consiglia di utilizzare questa interfaccia per la comunicazione con dischi rigidi ad alta velocità se sono richiesti frequenti trasferimenti di file di grandi dimensioni. Ma è senza dubbio il futuro. C'è un punto sottile associato al logo "USB 2.0". Sebbene la velocità massima di questa interfaccia sia di 480 Mbit/s, la specifica prevede anche la possibilità di funzionamento in modalità LS e FS. Pertanto, il throughput di 480 Mbit/s può essere fornito solo da dispositivi in grado di funzionare in modalità HS. Gli sviluppatori USB consigliano di utilizzare il logo "USB 2.0" solo per i dispositivi HS, ma il mercato ha le proprie leggi e molti produttori utilizzano questo logo per i dispositivi FS che, di fatto, soddisfano solo la specifica USB 1.1. In altre parole, la scritta “USB 2.0” sulla confezione non significa nulla. I dispositivi che soddisfano pienamente questa specifica devono essere etichettati "USB 2.0 HI-SPEED" e indicare chiaramente la capacità di 480 Mbps. Il segnale trasmesso su una linea di comunicazione ad una velocità di 480 Mbit/s è un impulso rettangolare, che viaggia ad una frequenza fino a 480 MHz. Chiunque sia più o meno esperto in radioingegneria capisce che per la trasmissione non distorta di impulsi rettangolari di tale frequenza, quando si sviluppa un circuito stampato, è necessario rispettare rigorosamente i requisiti per l'impedenza caratteristica delle linee di trasmissione tra microcircuiti e connettori e la sua costanza su tutta la lunghezza della linea. L'impedenza caratteristica della linea del segnale differenziale a due fili sulla scheda deve essere 90 ohm ± 10%. La linea deve essere simmetrica e la distanza tra essa e gli altri conduttori stampati sulla scheda deve essere almeno cinque volte la distanza tra i conduttori della linea. Sotto di loro, sul lato posteriore della tavola, dovrebbe esserci uno strato continuo di pellicola ovunque: uno schermo (filo comune). Le sezioni della linea in cui questi requisiti non sono soddisfatti (ad esempio, avvicinamenti ai pin del microcircuito o ai contatti del connettore) devono avere una lunghezza minima. Errori tipici nel tracciare tali linee di comunicazione sono mostrati in Fig. 1, dove 1 è l'interruzione dello schermo sotto la linea; 2 - derivazione dal conduttore di linea; 3 - non parallelismo dei conduttori e cambiamento nello spazio tra loro; 4 - conduttore estraneo vicino alla linea.
E, naturalmente, è necessario rispettare i consueti requisiti per l'installazione di circuiti ad alta frequenza. Tutti i conduttori devono avere una lunghezza minima e i condensatori di blocco devono essere posizionati il più vicino possibile ai pin corrispondenti dei microcircuiti. Quando guardi le fotografie dei circuiti stampati degli hub acquistati, puoi vedere che nell'hub DNS (Fig. 2) questi requisiti sono più o meno soddisfatti. Gli sviluppatori dell'hub senza nome (Fig. 3) hanno utilizzato un circuito stampato su un solo lato, quindi l'impedenza caratteristica delle linee di comunicazione è molto diversa dai 90 Ohm standard e c'è un'elevata sensibilità alle interferenze elettromagnetiche.
Entrambi gli hub utilizzano gli stessi chip controller hub USB FE1.1. Il sito web del produttore jfd-ic.com è purtroppo disponibile solo in cinese. Un possibile schema di collegamento di questo microcircuito è mostrato in Fig. 4. Si differenzia da quello standard per l'assenza di indicatori LED di porte attive e di un chip di memoria non volatile aggiuntivo. Maggiori dettagli sulle caratteristiche e caratteristiche del chip FE1.1s possono essere trovati in [1] (in inglese).
Per verificare l'ipotesi che le scarse prestazioni dell'hub siano causate dall'ignoranza dei requisiti delle specifiche USB per la topologia PCB, ho sviluppato la mia versione della scheda. Un disegno di conduttori stampati sul suo lato convenzionalmente superiore è mostrato in Fig. 5. La lamina sul lato inferiore è completamente preservata, ad eccezione dei fori svasati per i conduttori delle parti non collegate al filo comune. La posizione delle parti su entrambi i lati della scheda è mostrata in Fig. 6. Pezzi di filo stagnato, saldati su entrambi i lati della scheda, vengono inseriti nei fori di via (sono mostrati riempiti).
Le dimensioni geometriche delle linee di segnale per ottenere l'impedenza caratteristica richiesta sono state calcolate utilizzando il programma TX-LINE [2]. È gratuito e scaricabile previa registrazione al sito. Il programma non richiede installazione, lavorare con esso è intuitivo. Lanciando il programma e andando nella scheda delle linee a microstriscia accoppiate (linea MS accoppiata), è necessario selezionare il materiale dei conduttori della linea - rame (rame), inserire la costante dielettrica della fibra di vetro pari a 5,5 e le dimensioni della linea . Con uno spessore di fibra di vetro di 1 mm, una larghezza dei conduttori stampati di 0,7 mm, una distanza tra loro di 0,5 mm e uno spessore della lamina di 0,02 mm, otteniamo un'impedenza d'onda di circa 500 Ohm alla frequenza di 93 MHz. Tutti gli elementi passivi destinati al montaggio su superficie sono di dimensioni standard 1206 o 0805. I condensatori all'ossido C1, C3, C5, il risonatore al quarzo ZQ1 e il connettore di alimentazione esterno XS5 sono montati sul lato del foglio solido, i restanti elementi sono montati sul lato stampato conduttori. Se l'hub verrà utilizzato solo come passivo (tutti i dispositivi ad esso collegati riceveranno alimentazione dal computer), il diodo VD1 può essere sostituito con un ponticello. Quando si collegano all'hub dispositivi che consumano più di 500 mA, l'alimentazione del computer non sarà sufficiente. In questo caso, è necessario rimuovere il ponticello e, senza installare il diodo VD1, collegare una fonte di tensione stabilizzata di 5 V della potenza richiesta al connettore XS5. Per far funzionare l'hub sia in modalità passiva che attiva senza saldatura, è necessario installare un diodo barriera Schottky VD1. Impedisce che la tensione proveniente dall'alimentatore esterno entri nella porta USB del computer. In linea di principio, per ridurre lo spessore della scheda, tutte le parti possono essere posizionate sul lato dei conduttori stampati, ma senza la metallizzazione dei fori ciò complica l'installazione. Se necessario è possibile modificare le dimensioni della scheda e la posizione dei connettori USB modificando leggermente lo schema dei conduttori stampati. Ho rimosso il chip FE1.1 dal mio hub a sette porte, ma può anche essere acquistato separatamente su Internet. Questo è uno dei pochi controller hub USB prodotti nel pacchetto SSOP-28 con un passo dei pin di 0,64 mm. Una tavola per un caso del genere può essere facilmente realizzata trasferendo termicamente un disegno su un foglio. Testando l'hub prodotto, ho scoperto che l'influenza delle radiazioni elettromagnetiche era completamente scomparsa, due delle sue quattro porte funzionano perfettamente con un'unità FLASH e un disco rigido USB, ma le altre due funzionano solo con un mouse. Ho dovuto rimuovere il secondo controller dall'hub a sette porte e sostituirlo con il primo su una scheda fatta in casa. Ora tre dei quattro porti sono pienamente operativi. Inoltre, la porta che funzionava senza problemi con il primo controller ha smesso di funzionare in modalità HS. La documentazione del chip FE1.1 afferma che tutte le sue copie vengono sottoposte a un'ispezione finale dopo la produzione. Ovviamente, le copie difettose non vengono inviate alla spazzatura, ma a produttori senza nome. Oppure il controller ha alcune opzioni di progettazione non documentate. In un modo o nell'altro, l'opzione con tre porte USB 2.0 complete mi andava bene. Tieni presente che quasi tutti gli hub economici dotati di connettore per il collegamento di un'alimentazione esterna non hanno alcun isolamento tra i circuiti di alimentazione esterna e interna. I contatti di potenza di tutti i connettori sono semplicemente collegati tra loro. Di conseguenza, esiste la possibilità di danneggiare la porta USB del computer applicandovi tensione da un alimentatore esterno collegato all'hub. Se si prevede di collegare un alimentatore esterno all'hub acquistato, è necessario aprire la custodia dell'hub e tagliare il conduttore proveniente dal pin 1 del connettore della porta upstream (quella a cui è collegato il computer). Per mantenere la possibilità di utilizzare l'hub in modalità passiva, in questo punto è possibile saldare un diodo simile a VD1 nello schema di Fig. 4. Deve essere dotato di barriera Schottky (per ridurre la caduta di tensione) e con una corrente diretta consentita di almeno 1 A. Secondo la specifica USB 2.0 il cavo di collegamento deve essere schermato. Quando si acquista un cavo, tuttavia, può essere difficile determinare se è dotato di schermo o meno. L'unica cosa che può indicare la presenza di uno schermo è la dicitura "USB 2.0 High Speed" sul cavo. Un segno indiretto sono i "fermi" in ferrite antirumore alle sue estremità. Tuttavia, né i contrassegni né i fermi dicono nulla sulla qualità dello schermo. Un buon cavo dovrebbe avere un foglio avvolto attorno al cablaggio, con una "calza" di rame intrecciata posizionata sopra. I produttori spesso riducono i costi di produzione utilizzando diversi nuclei di acciaio placcato rame invece di uno schermo intero. La qualità della schermatura può essere valutata misurando la resistenza tra gli alloggiamenti metallici dei connettori su entrambe le estremità del cavo. Se è vicino allo zero, il cavo ha una schermatura interamente in rame. Se la resistenza è di 3...4 Ohm o più, c'è uno schermo, ma è fatto di fili di acciaio. Questo cavo è solitamente più sottile, ma utilizzarlo in un ambiente con interferenze elettromagnetiche potrebbe causare malfunzionamenti del computer. Ad esempio, quando c'è un telefono cellulare vicino al cavo o un ricetrasmettitore amatoriale sta lavorando nelle vicinanze. Se la resistenza tra gli alloggiamenti dei connettori è infinita, significa che il cavo non è schermato e non è adatto al funzionamento in modalità Alta Velocità. In ogni caso il corpo del connettore non deve essere collegato a nessuno dei suoi pin. Non è consentita alcuna saldatura indipendente, giunzione di fili, schermatura o sostituzione di connettori nel cavo. Il criterio di scelta più affidabile è la guaina esterna trasparente del cavo, attraverso la quale è chiaramente visibile la treccia schermante di alta qualità. E se sono presenti fermi in ferrite su entrambe le estremità, tale cavo può essere tranquillamente classificato come PRO. Riassumendo quanto detto, formulerò i principali criteri per la scelta di un hub USB 2.0 per lo scambio di informazioni ad alta velocità: - è meglio acquistare un hub in un negozio al dettaglio, prevedendo in anticipo la possibilità di restituirlo o cambiarlo con un altro modello;
Se nessuno dei modelli di hub venduti è adatto a te, realizzalo tu stesso come descritto sopra. File PCB in formato Sprint Layout 6.0: ftp://ftp.radio.ru/pub/2014/11/hub.zip Letteratura
Autore: N. Khlyupin
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