Опис опубліковано в журналі «Радіо» № 11 за 2014 р стор. 28 ... 31 Як вибрати або виготовити USB-хаб.
В даний час для підключення периферійних пристроїв до комп'ютера найчастіше використовується інтерфейс USB. Рано чи пізно користувач виявляє, що всі порти комп'ютера зайняті мишкою, клавіатурою, WEB камерою і т.п. і знову придбаний принтер, TV тюнер, USB осцилограф або що-небудь ще підключити нікуди. Куди ж підключати обіцяні в USB специфікації 127 пристроїв?
Для того, щоб до одного USB порту комп'ютера можна було підключати більше одного пристрою, застосовуються хаби (HUB), звані також концентраторами. Хаб перетворює один висхідний порт (upstream port) в кілька низхідних портів (downstream ports). Архітектура USB допускає послідовне з'єднання до 5 хабів.
У магазинах, що торгують комп'ютерною периферією вибір хабів досить великий, на будь-який смак, колір і гаманець. Здавалося б, вибирай будь-який, найбільш симпатичного дизайну з потрібною кількістю портів і за мінімальну ціну. Адже недосвідчений користувач часто уявляє собі хаб чимось на зразок пристрою для підключення двох телевізорів до однієї антени - пара резисторів і конденсаторів.
Однак в даному випадку все набагато складніше. У цьому я переконався, коли придбав два USB концентратора, один для цифрового інтерфейсу до трансивер і другий для підключення зовнішнього жорсткого диска до стаціонарного ПК.
Перший концентратор на 4 порти з логотипом "DNS" був придбаний в роздрібному магазині, другий - на 7 портів від виробника "No Name" я замовив в закордонному інтернет магазині.
Експерименти в лабораторних умовах показали, що обидва примірника без проблем працюють з мишкою, клавіатурою, конвертером USB-COM і USB звуковою картою. Однак із зовнішнім жорстким диском і флешкою працює тільки хаб під маркою DNS. При підключенні флешки або жорсткого диска до безіменного хабу комп'ютер видавав повідомлення "USB пристрій не визначено".
Додаткові експерименти з цифровим інтерфейсом трансивера показали, що перший хаб (DNS) тут також працює без проблем, а от другий (безіменний) викликає зависання комп'ютера при кожному включенні передавача. І справа тут не в узгодженні антени з трансівером, тому що при безпосередньому, без концентратора, підключенні конвертера USB-COM і зовнішньої звукової карти до комп'ютера все працювало без проблем.
Така ситуація мене зацікавила і я вирішив з'ясувати, чим же відрізняються ці два USB концентратора. Чому один повністю виконує свої функції, а другий в принципі працює, але не завжди і не з усіма пристроями.
Яке ж було моє здивування, коли після розтину корпусів виявилося, що обидва хаба зібрані на одній і тій же елементній базі і по абсолютно однаковими схемами! Тільки в 7-й портовому концентраторі були встановлені два контролера послідовно. Зауважу відразу, що після експерименту з відключенням другого контролера ситуація не змінилася.
Щоб зрозуміти причину, довелося ознайомитися з основами теорії шини USB. Перша специфікація USB 1.0 була опублікована на початку 1996 р, а восени 1998 р з'явилася специфікація 1.1 виправляє проблеми, виявлені в першій редакції.
Специфікація USB 1.1 визначає два режими передачі даних: низкоскоростной LS (Low-speed) - 1,5 Мбіт / сек і полноскоростной FS (Full-speed) - 12 Мбіт / сек.
Весною 2000 року була опублікована версія USB 2.0 в якій передбачалося 40-кратне підвищення пропускної здатності шини. На додаток до двох швидкісним режимам, передбаченим специфікацією 1.1, було введено третій - високошвидкісний HS (High-speed) - 480 Мбіт / сек.
З логотипом «USB 2.0» пов'язаний один тонкий момент. Пропускна здатність цього інтерфейсу, як зазначено вище, 480 Мбіт / сек, однак в специфікації закладена можливість функціонування пристроїв в режимах LS і FS. Таким чином, реальну пропускну здатність 480 Мбіт / сек можуть забезпечити тільки пристрої, здатні працювати в режимі HS.
Розробники USB рекомендують використовувати логотип "USB 2.0" тільки для HS-пристроїв, але в маркетингу свої закони і багато виробників використовують цей логотип і для FS-пристроїв, які є, по суті, пристроями USB 1.1. Іншими словами, напис на упаковці "USB 2.0" ще ні про що не говорить. Реальні USB 2.0 пристрої мають маркування "USB 2.0 HI-SPEED |" і явне вказівку на підтримку швидкості шини 480 Мбіт / сек.
480 Мбіт / сек це меандр з частотою 480 МГц. Для будь-якого, мало-мальськи обізнаного в радіотехніці фахівця зрозуміло, що для неспотвореної передачі прямокутних імпульсів з такою високою частотою при розробці топології друкованої плати необхідно жорстко дотримуватися вимог за погодженням хвильового опору ліній передачі.
Хвильовий опір диференціальних сигнальних ліній від контролера до гнізда на платі має бути 90 Ом +/- 10%. Лінії повинні проходити симетрично, на відстані не менше 5-и кратного проміжку між ними від інших сигнальних ліній. Під ними на всьому протязі має бути суцільний шар фольги - загальний провід. Ділянки, на яких ці вимоги нездійсненні (наприклад, точки підключення до контролера) повинні мати мінімальну довжину.
Ну, і звичайно, потрібно дотримуватися звичайні вимоги до монтажу ВЧ ланцюгів - все провідники повинні мати мінімальну довжину, блокувальні конденсатори розташовуватися якомога ближче до відповідних висновків контролера і т.п.
При погляді на фотографії друкованої плати хабів видно, що при монтажі хаба під маркою DNS ці вимоги більш-менш дотримувалися.
Виробники ж NO NAME хаба використовували односторонню друковану плату, тому хвильовий опір ліній сильно відрізняється від стандартних 90 Ом і є висока чутливість до електромагнітних завад
В обох хабах використовуються однакові контролери FE1.1s. Сайт виробника - http://www.jfd-ic.com/ на жаль, тільки на китайській мові.
Щоб перевірити припущення, що погана робота хаба викликана ігноруванням вимог специфікації USB до топології друкованої плати, я розробив свій варіант плати. У порівнянні з прототипом на платі встановлені кілька додаткових блокувальних конденсаторів і, по можливості, дотримані вимоги до монтажу. Розмір плати 75 x 60 мм.
Геометричні розміри сигнальних ліній для отримання необхідного хвильового опору розраховані в програмі TX-LINE, яка входить в пакет Microwave Office від National Instruments Corporation. Сама по собі ця програма безкоштовна і доступна для скачування на сайті компанії http://www.awrcorp.com/ після реєстрації. Про всяк випадок я поклав її в архів, посилання на який в кінці сторінки.
Програма не вимагає інсталяції, робота з нею інтуїтивно зрозуміла. Потрібно перейти на вкладку з типом лінії - "Coupled MSLine", вибрати матеріал лінії - Copper, ввести діелектричну проникність склотекстоліти Dielectric Constant = 5,5 і ввести параметри лінії. Якщо прийняти товщину склотекстоліти 1 мм, ширину друкованих провідників 0,7 мм, відстань між ними 0,5 мм, товщину мідної фольги 0,02 мм, а частоту роботи лінії 500 МГц, отримаємо хвильовий опір близько 93 Ом.
Фольга на протилежному боці плати служить екраном. Отвори для монтажу деталей роззенковані. У виділені кольором наскрізні переходи вставлені відрізки дроту, пропаяні з обох сторін плати.
Всі пасивні SMD компоненти типорозмірів 1206 або 0805. Конденсатори C6-С8 танталові. Резистор R1 2,7К +/- 1%. Розетка XS6 USB mini-BF, XS1-XS4 - USB-AF. Кварцовий резонатор ZQ1 12 Мгц. Конденсатори C1-C3, кварцовий резонатор ZQ1 і роз'єм зовнішнього живлення XS5 змонтовані з боку установки деталей, інші елементи - з боку друкованих провідників.
Перемичка S1 встановлюється, якщо HUB буде використовуватися як пасивний, тобто всі підключені до нього пристрої будуть отримувати живлення від комп'ютера. Якщо HUB передбачається використовувати з пристроями, які споживають струм більше 500 мА, харчування від комп'ютера буде недостатньо. В цьому випадку перемичку слід видалити, а до гнізда XS5 підключити стабілізований блок живлення на 5 В з необхідною потужністю.
Якщо можлива експлуатація хаба як в пасивному, так і в активному режимі, замість перемички потрібно встановити діод c бар'єром Шотткі VD1 з допустимим струмом не менше 1 А, наприклад, SS24 для виключення подачі напруги від зовнішнього джерела живлення в USB порт комп'ютера.
В принципі, для зменшення товщини плати, всі деталі можна розмістити з боку друкованих провідників, але без металізації отворів це ускладнює монтаж. Трохи скорегувавши малюнок плати можна змінити її розміри і розташування USB портів під конкретні потреби.
Протестувавши змонтовану плату я виявив, що два з чотирьох портів чудово працюють з флешкою і USB жорстким диском, а два інших - тільки з мишкою. Нова загадка ... Але вплив електромагнітного випромінювання повністю зникло.
Довелося випаять другий контролер з 7-портового хаба і замінити їм перший на саморобній платі. Тепер повноцінно запрацювали три порти з чотирьох. Причому в режимі High Speed перестав працювати порт, який з першим контролером функціонував без проблем.
В Data Sheet на FE1.1s сказано, що всі контролери проходять тестування перед продажем. Очевидно, відбраковані екземпляри відправляються не в сміття, а до безіменним виробникам. Або в контролері є якісь недокументовані опції. Так чи інакше, варіант з трьома повноцінними USB 2.0 портами мене в принципі влаштував.
Звертаю увагу але те, що практично всі дешеві хаби, на яких є роз'єм для підключення зовнішнього блоку живлення, не мають ніякої розв'язки між зовнішнім і внутрішнім харчуванням. Тобто висновки харчування на всіх роз'ємах просто з'єднані між собою. В результаті є шанс вивести з ладу USB порт комп'ютера, подавши на нього напругу з зовнішнього блоку харчування, підключеного до хабу.
Тому, якщо передбачається підключення зовнішнього блоку живлення до придбаного USB хабу, потрібно розкрити його корпус і перерізати доріжку від лінії живлення роз'єму висхідного порту (того, який йде до комп'ютера). Для збереження можливості використання хаба в пасивному режимі в це місце можна запаяти діод, як показано на принциповій схемі. Для зменшення падіння напруги треба використовувати діод з бар'єром Шотткі з струмом не менше 1 А.
Хочу звернути увагу на ще одну важливу деталь - USB кабель. Згідно зі специфікацією USB 2.0 кабель повинен бути обов'язково екранованим. При покупці іноді буває складно визначити, є в кабелі екран чи ні. Єдине, що може свідчити про наявність екрану - це маркування USB 2.0 HIGH SPEED на кабелі. Непрямим ознакою є також наявність феритових засувок на кінцях кабелю.
Однак, ні маркування, ні наявність засувок нічого не говорять про якість екрану. В хорошому кабелі він повинен бути з фольги, оберненої навколо провідників, поверх якої надітий плетений мідний "панчіх". Нерідко виробники здешевлюють виробництво і замість повноцінного екрану використовують кілька обміднений сталевих жилок.
Якщо є можливість, якість екрану можна оцінити, вимірявши мультиметром опір між металевими корпусами роз'ємів на обох кінцях кабелю. Якщо опір близько до нуля - в кабелі повноцінний мідний екран. Якщо опір 3-4 і більше Ом - екран у наявності, але він зі сталевих зволікань. Такий кабель зазвичай тонше, але він може призводити до збоїв при роботі в умовах електромагнітних перешкод. Наприклад, якщо поруч з кабелем покласти стільниковий телефон.
Якщо мультиметр показує нескінченність, значить кабель не екранований і для роботи в режимі High Speed не придатний. У будь-якому випадку корпус роз'єму не повинен з'єднуватися ні з одним з контактів. Ніякі самостійні пайки, зрощування, екранування або заміна роз'ємів в кабелі неприпустимі.
Найнадійніший критерій вибору - це прозора зовнішня оболонка кабелю, через яку чітко проглядається якісна екрануюча обплетення. А якщо при цьому на обох кінцях є ферритові засувки, то такий кабель сміливо можна віднести до категорії PRO.
Підсумовуючи сказане, сформулюю основні критерії вибору якісного USB 2.0 концентратора для роботи по високошвидкісному інтерфейсу.
• Купувати USB концентратор краще в роздрібних магазинах, заздалегідь обумовлюючи можливість повернення або обміну на іншу модель.
• На упаковці і корпусі повинен бути логотип "USB 2.0 Hi Speed" і явне вказівку на підтримку швидкості 480 Мбіт / сек.
• Відразу після покупки, а по можливості до неї, слід протестувати роботу всіх портів хаба з високошвидкісним пристроєм, наприклад з флешкою USB 2.0.
• Якщо для підключення пристроїв до хабу або хаба до комп'ютера планується використання сполучних кабелів, перевагу краще віддати тим моделям хабів, у яких всі роз'єми змонтовані в корпусі на платі, тому що стирчать "хвостики" з роз'ємами майже напевно не мають екранів. В результаті один кінець екрана підключеного кабелю виявиться висить в повітрі, що може привести до збоїв в роботі в режимі High Speed.
• Якщо передбачається використовувати хаб із зовнішнім блоком живлення, будьте готові до того, що напевно буде потрібно доопрацювання хаба, як було описано вище.
• Ніякого захисту від перевантаження в дешевих хабах немає, щоб там не було написано на упаковці. Передбачається, що вона є в USB портах комп'ютера. Повноцінний хаб із захистом від перевантаження - це вже зовсім інша цінова категорія.
• Купуйте якісний екранований кабель з написом HIGH SPEED на ньому, по можливості з прозорою зовнішньою оболонкою.
• Якщо жодна із продаваних моделей хабів Вас не влаштовує - зробіть USB концентратор самі, як я описав вище.
Якщо це простий пристрій вас зацікавило, можете завантажити його опис в форматі pdf, креслення друкованої плати в Sprint Layout, схему в sPplan, а також програму для розрахунку хвильового опору ліній TX-LINE.
© 2014-2015г.
Куди ж підключати обіцяні в USB специфікації 127 пристроїв?