Як вибрати або виготовити USB-хаб. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки / Комп'ютери

 Коментарі до статті

Сьогодні для підключення периферійних пристроїв до комп'ютера найчастіше використовують USB-інтерфейс. Але рано чи пізно користувач виявляє, що всі USB-порти, що є в його комп'ютері, зайняті мишею, клавіатурою, WEB-камерою та іншими пристроями, а знову придбаний принтер, TV-тюнер, USB-осцилограф або що-небудь ще підключити нікуди. Як з'єднати з комп'ютером 127 пристроїв, обіцяних специфікацією USB?

Щоб до одного USB-порту комп'ютера можна було підключити більше одного пристрою, застосовують хаби (англ. hub - маточина колеса, в яку вставлені всі його спиці), звані також концентраторами. Хаб має "висхідний" (upstream) USB-порт, що з'єднується з комп'ютером, і кілька "висхідних" (downstream) USB-портів, до яких приєднують периферійні пристрої. Специфікація USB дозволяє послідовне з'єднання до п'яти хабів.

У магазинах, що торгують комп'ютерною периферією, асортимент USB-хабів досить великий – на будь-який смак, колір та гаманець. Здавалося б, вибирай будь-який, найбільш симпатичного дизайну з необхідним числом портів та за мінімальну ціну. Адже недосвідчений користувач часто уявляє собі хаб чимось на зразок пристрою для підключення двох телевізорів до однієї антени - всередині пара резисторів або мініатюрний трансформатор.

Однак у цьому випадку все набагато складніше. У цьому я переконався, коли придбав два USB-хаби, один – для цифрового інтерфейсу до трансівера, другий – для підключення зовнішнього жорсткого диска до стаціонарного ПК. Перший хаб на чотири порти з логотипом "DNS" було придбано у звичайному магазині, другий - невідомого виробника на сім портів - було замовлено у закордонному інтернет-магазині.

Експерименти в лабораторних умовах показали, що обидва хаби без проблем працюють з мишею, клавіатурою, адаптером USB-COM та звуковою картою, оснащеною інтерфейсом USB. Однак із зовнішнім жорстким диском та FLASH-накопичувачем працює лише хаб DNS. При підключенні таких пристроїв через безіменний хаб комп'ютер видає повідомлення "пристрій USB не визначено".

Додаткові експерименти з цифровим інтерфейсом трансівера показали, що хаб DNS і тут працює без проблем, а ось використання безіменного хаба призводить до зависання комп'ютера при кожному включенні передавача. При безпосередньому без хабу підключенні адаптера USB-COM та зовнішньої звукової карти до комп'ютера все працювало без проблем.

Така ситуація мене зацікавила. Я вирішив з'ясувати, чим різняться ці два хаби. Чому один повністю виконує свої функції, а другий, в принципі, працює, але не завжди не з усіма пристроями?

Яке ж було моє здивування, коли після розтину корпусів з'ясувалося, що обидва хаби зібрані на одній і тій же елементній базі та за абсолютно однаковими схемами! Тільки семипортовому встановлені дві однакові мікросхеми-контролера USB-хаба послідовно: одного з чотирьох низхідних портів першого контролера підключений висхідний порт другого аналогічного контролера. Відключення другого контролера шляхом перерізання друкованих провідників ситуацію не змінило. Щоб зрозуміти причину, довелося знайомитись з основами пристрою та роботи шини USB.

Першу специфікацію USB 1.0 було опубліковано на початку 1996 р., а восени 1998 р. з'явилася специфікація 1.1, яка усунула проблеми, виявлені в першій редакції. Специфікація USB 1.1 визначає два режими передачі: низькошвидкісний (LS - low-speed), що працює зі швидкістю до 1,5 Мбіт/с і повношвидкісний (FS - Full-speed) з граничною швидкістю 12 Мбіт/с.

Навесні 2000 р. було опубліковано специфікацію USB 2.0, що передбачає 40-кратне підвищення пропускної спроможності шини. На додаток до двох раніше швидкісних режимів введений третій - високошвидкісний HS (High-speed), здатний працювати зі швидкістю до 480 Мбіт/с.

У 2008 р. з'явився новий стандарт - USB 3.0 (Super Speed), згідно з яким швидкість передачі доведена до 5 Гбіт/с. Однак, щоб досягти такої швидкості, довелося серйозно змінити конструкцію роз'ємів і кабелів, повної сумісності з попередніми версіями досягти не вдалося. Цей інтерфейс доцільно використовувати для зв'язку з високошвидкісними жорсткими дисками, якщо потрібно часто пересилати файли великого об'єму. Але за ним, безперечно, майбутнє.

З логотипом USB 2.0 пов'язаний один тонкий момент. Хоча гранична пропускна спроможність цього інтерфейсу 480 Мбіт/с, у специфікації закладена можливість його роботи в режимах LS і FS. Таким чином, пропускну здатність 480 Мбіт/с можуть забезпечити лише пристрої, здатні працювати в режимі HS.

Розробники USB рекомендують використовувати логотип "USB 2.0" тільки для HS-пристроїв, але на ринку свої закони та багато виробників використовують цей логотип і для FS-пристроїв, які задовольняють, по суті, лише специфікації USB 1.1. Іншими словами, напис на упаковці USB 2.0 ще ні про що не говорить. Пристрої, що повністю задовольняють цю специфікацію, повинні мати маркування "USB 2.0 HI-SPEED" і явну вказівку на можливість роботи зі швидкістю 480 Мбіт/с.

Сигнал, що передається по лінії зв'язку зі швидкістю 480 Мбіт/с, є прямокутними імпульсами, що йдуть з частотою до 480 МГц. Будь-якому більш-менш обізнаному в радіотехніці людині зрозуміло, що для неспотвореної передачі прямокутних імпульсів такої частоти необхідно при розробці друкованої плати жорстко дотримуватися вимог до хвильового опору ліній передачі між мікросхемами і роз'ємами і його сталості по всій довжині лінії.

Хвильовий опір двопровідної диференціальної сигнальної лінії на платі має бути 90 Ом ± 10%. Лінія повинна бути симетричною, а відстань між нею та іншими друкарськими провідниками на платі – не менше п'ятикратної відстані між провідниками лінії. Під ними зі зворотного боку плати протягом усього має бути суцільний шар фольги - екран (загальний провід). Ділянки лінії, на яких ці вимоги не виконуються (наприклад, підходи до висновків мікросхем або контактів роз'ємів), повинні бути мінімальної довжини.

Типові помилки при трасуванні таких ліній зв'язку показано на рис. 1 де 1 - розрив екрану під лінією; 2 - відведення від провідника лінії; 3 - непаралельність провідників і зміна зазору між ними; 4 - сторонній провідник поруч із лінією.

Ріс.1

Ну і, звичайно, потрібно дотримуватись звичайних вимог до монтажу високочастотних ланцюгів. Усі провідники мають бути мінімальної довжини, а блокувальні конденсатори розташовуватиметься якомога ближче до відповідних висновків мікросхем.

При погляді фотографії друкованих плат покупних хабів видно, що у хабі DNS (рис. 2) цих вимог більш-менш дотримані. Розробники ж безіменного хаба (рис. 3) застосували в ньому односторонню друковану плату, тому хвильовий опір ліній зв'язку сильно відрізняється від стандартних 90 Ом і спостерігається висока чутливість до електромагнітних перешкод.

Рис. 2

Рис. 3

В обох хабах використані однакові мікросхеми-контролери USB-хабу FE1.1s. Сайт їх виробника jfd-ic.com доступний, на жаль, лише китайською мовою. Можлива схема включення цієї мікросхеми показано на рис. 4. Вона відрізняється від типової відсутністю світлодіодних індикаторів активних портів та додаткової мікросхеми енергонезалежної пам'яті. Докладніше з характеристиками та особливостями мікросхеми FE1.1s можна ознайомитись у [1] (англійською мовою).

Рис. 4

Щоб перевірити, що погана робота хаба викликана ігноруванням вимог специфікації USB до топології друкованої плати, я розробив свій варіант плати. Креслення друкованих провідників на її умовно верхній стороні зображено на рис. 5. Фольга на нижній стороні збережена повністю, за винятком зенковки отворів для висновків деталей, що не з'єднуються із загальним дротом. Розташування деталей по обидва боки плати - на рис. 6. У перехідні отвори (вони показані залитими) вставлені відрізки лудженого дроту, пропаяні з обох боків плати.

Рис. 5

Рис. 6

Геометричні розміри сигнальних ліній для отримання необхідного опору хвильового розраховані за допомогою програми TX-LINE [2]. Вона безкоштовна та доступна для скачування після реєстрації на сайті. Програма не потребує інсталяції, робота з нею інтуїтивно зрозуміла.

Запустивши програму і перейшовши на вкладку пов'язаних мікросмужкових ліній (coupled MS line), слід вибрати матеріал провідників лінії - мідь (copper), ввести діелектричну проникність (dielectric constant) склотекстоліту, що дорівнює 5,5, та розміри лінії. При товщині склотекстоліту 1 мм, ширині друкованих провідників 0,7 мм, відстані між ними 0,5 мм та товщині фольги 0,02 мм отримуємо на частоті 500 МГц хвильовий опір близько 93 Ом.

Усі призначені для поверхневого монтажу пасивні елементи – типорозміру 1206 або 0805. Оксидні конденсатори C1, C3, С5, кварцовий резонатор ZQ1 та роз'єм зовнішнього живлення XS5 змонтовані з боку суцільної фольги, інші елементи – з боку друкарських провідників.

Якщо хаб використовуватиметься лише як пасивний (всі підключені до нього пристрої будуть отримувати живлення від комп'ютера), то діод VD1 можна замінити перемичкою. При підключенні до хаба пристроїв, що споживають більше 500 мА, живлення від комп'ютера буде недостатньо. У цьому випадку перемичку слід видалити і, не встановлюючи діод VD1, підключити до роз'єму XS5 джерело стабілізованої напруги 5 необхідної потужності.

Для експлуатації хаба як пасивному, так і в активному режимі без перепайок діод з бар'єром Шотки VD1 в ньому повинен бути встановлений. Він виключить попадання напруги зовнішнього блока живлення до USB-порту комп'ютера.

В принципі, для зменшення товщини плати всі деталі можна розмістити з боку друкарських провідників, але без отворів це ускладнює монтаж. Якщо потрібно, можна змінити розміри плати та розташування роз'ємів uSb, трохи скоригувавши малюнок друкованих провідників.

Мікросхему FE1.1 s я випаяв зі свого семіпортового хаба, але в Інтернеті її можна придбати окремо. Це один із небагатьох контролерів USB-хаба, що випускаються в корпусі SSOP-28 з кроком виводів 0,64 мм. Плата під такий корпус може бути виготовлена ​​методом термоперенесення малюнка на фольгу.

Випробовуючи виготовлений хаб, я виявив, що вплив електромагнітного випромінювання повністю зник, два з чотирьох його портів чудово працюють з FLASH-накопичувачем і жорстким диском з інтерфейсом USB, але два інших - тільки з мишею.

Довелося випаяти із семипортового хаба другий контролер і замінити їм перший на саморобній платі. Тепер повноцінно заробили три порти із чотирьох. Причому перестав працювати у режимі HS той порт, який із першим контролером функціонував без проблем.

У документації на мікросхему FE1.1 s сказано, що її екземпляри після виготовлення проходять вихідний контроль. Очевидно, браковані екземпляри вирушають не на сміття, а до безіменних виробників. Або контролер має якісь недокументовані варіанти виконання. Так чи інакше, варіант із трьома повноцінними портами USB 2.0 мене влаштував.

Звертаю увагу, що практично всі дешеві хаби з роз'ємом для підключення зовнішнього блока живлення не мають жодної розв'язки між ланцюгами зовнішнього та внутрішнього живлення. Контакти живлення всіх роз'ємів просто з'єднані між собою. В результаті є шанс вивести з ладу USB порт комп'ютера, подавши на нього напругу зовнішнього блоку живлення, підключеного до хаба.

Якщо до придбаного хаба передбачається підключення зовнішнього блока живлення, потрібно розкрити корпус хаба і перерізати провідник, що йде від контакту 1 роз'єму порту, що сходить (того, який з'єднують з комп'ютером). Для збереження можливості використання хаба в пасивному режимі, у це місце можна впаяти діод аналогічно VD1 на схемі рис. 4. Він має бути з бар'єром Шоттки (для зменшення падіння напруги) та з допустимим прямим струмом не менше 1 А.

Відповідно до специфікації USB 2.0, з'єднувальний кабель має бути обов'язково екранованим. При покупці кабелю буває, однак, складно визначити, чи є в ньому екран чи ні. Єдине, що може свідчити про наявність екрану – маркування "USB 2.0 High Speed" на кабелі. Непрямою ознакою служать завадодавні феритові "заскочки" на його кінцях.

Однак ні маркування, ні клямки нічого не говорять про якість екрану. У хорошому кабелі він повинен бути з фольги, обгорненої навколо джгута проводів, поверх якої одягнена плетена мідна "панчоха". Нерідко виробники здешевлюють виробництво, використовуючи замість повноцінного екрану кілька сталевих жил, що обмежують.

Якість екрана можна оцінити, вимірявши опір між металевими корпусами роз'ємів на обох кінцях кабелю. Якщо воно близько до нуля, повний мідний екран у кабелі. Якщо опір 3...4 Ом і більше – екран є, але він із сталевих дротів. Такий кабель зазвичай тонший, але його використання в умовах електромагнітних перешкод може призводити до збоїв комп'ютера. Наприклад, коли поруч із кабелем лежить мобільний телефон або поблизу працює аматорський трансівер.

Якщо опір між корпусами роз'ємів нескінченний, це означає, що кабель не екранований і для роботи в режимі High Speed ​​непридатний. У будь-якому випадку корпус роз'єму не повинен з'єднуватися з жодним з його контактів. Ніякі самостійні паяння, зрощення проводів, екранування чи заміна роз'ємів у кабелі неприпустимі.

Найнадійніший критерій вибору - прозора зовнішня оболонка кабелю, через яку чітко проглядається якісна оплетка. А якщо при цьому на обох кінцях є феритові засувки, такий кабель сміливо можна віднести до категорії PRO.

Підсумовуючи це, сформулюю основні критерії вибору хаба USB 2.0 для високошвидкісного обміну інформацією:

- купувати хаб краще у роздрібному магазині, заздалегідь обумовлюючи можливість його повернення чи обміну в іншу модель;
- на упаковку та корпус хаба повинні бути нанесені логотип "USB 2.0 High Speed" та явна вказівка ​​на можливість роботи зі швидкістю 480 Мбіт/с;
- відразу після покупки (а по можливості до неї) слід перевірити роботу всіх портів хаба з високошвидкісним пристроєм, наприклад, з FLASH-накопичувачем USB 2.0;
- якщо для підключення пристроїв до хаба або хаба до комп'ютера планується використання з'єднувальних кабелів, перевагу краще віддати тим хабам, у яких всі роз'єми змонтовані на платі, оскільки "хвостики", що стирчать, з роз'ємами майже напевно не мають екранів. В результаті один кінець екрану кабелю виявиться нікуди не підключеним, що може призвести до збоїв під час роботи в режимі High Speed;
- якщо передбачається використовувати хаб із зовнішнім блоком живлення, будьте готові до того, що знадобиться доробка хаба, описана вище;
- ніякого захисту від перевантаження в дешевих хабах немає, щоб там не було написано на упаковці. Передбачається, що вона є в портах USB комп'ютера. Повноцінний хаб із захистом від навантаження - це зовсім інша цінова категорія;
- Купуйте високоякісний екранований кабель з написом "High Speed" на ньому, по можливості з прозорою зовнішньою оболонкою.

Якщо жодна з моделей хабів не влаштовує, зробіть його самі, як описано вище.

Файл друкованої плати у форматі Sprint Layout 6.0: ftp://ftp.radio.ru/pub/2014/11/hub.zip

література

1. FE1.1s USB 2.0 High Speed ​​4-Port Hub Controller. - URL: jfd-ic.com/Documents/FEI.1 s%2oData%20Sheet%20(Rev.%201.0).pdf.
2. TX-LINE: Transmission Line Calculator. - URL: awrcorp.com/products/optional-products/tx-line-transmission-line-calculator.

Автор: Н. Хлюпін

Дивіться інші статті розділу Комп'ютери.

Читайте та пишіть корисні коментарі до цієї статті.

<< Назад

Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:

Штучна шкіра для емуляції дотиків 15.04.2024

У світі сучасних технологій, де віддаленість стає дедалі більш повсякденною, збереження зв'язку й почуття близькості грають значної ролі. Нещодавні розробки німецьких учених із Саарського університету в галузі штучної шкіри становлять нову еру у віртуальних взаємодіях. Німецькі дослідники з університету Саарського розробили ультратонкі плівки, які можуть передавати відчуття дотику на відстані. Ця передова технологія надає нові можливості для віртуального спілкування, особливо для тих, хто виявився далеко від своїх близьких. Ультратонкі плівки, розроблені дослідниками, товщиною всього 50 мікрометрів, можуть бути інтегровані в текстильні вироби та носитися як друга шкіра. Ці плівки діють як датчики, що розпізнають тактильні сигнали від мами чи тата, і як виконавчі механізми, що передають ці рухи дитині. Дотики батьків до тканини активують датчики, які реагують на тиск та деформують ультратонку плівку. Ця ...>>

Котячий унітаз Petgugu Global 15.04.2024

Турбота про домашніх тварин часто може бути викликом, особливо коли йдеться про підтримку чистоти в будинку. Представлено нове цікаве рішення стартапу Petgugu Global, яке полегшить життя власникам кішок та допоможе їм тримати свій будинок в ідеальній чистоті та порядку. Стартап Petgugu Global представив унікальний котячий унітаз, здатний автоматично змивати фекалії, забезпечуючи чистоту та свіжість у вашому будинку. Цей інноваційний пристрій оснащений різними розумними датчиками, які стежать за активністю вашого вихованця в туалеті та активуються для автоматичного очищення після його використання. Пристрій підключається до каналізаційної системи та забезпечує ефективне видалення відходів без необхідності втручання з боку власника. Крім того, унітаз має великий обсяг сховища, що змивається, що робить його ідеальним для домашніх, де живуть кілька кішок. Котячий унітаз Petgugu розроблений для використання з водорозчинними наповнювачами та пропонує ряд додаткових матеріалів. ...>>

Привабливість дбайливих чоловіків 14.04.2024

Стереотип про те, що жінки віддають перевагу "поганим хлопцям", довгий час був широко поширений. Однак нещодавні дослідження, проведені британськими вченими з Університету Монаша, пропонують новий погляд на це питання. Вони розглянули, як жінки реагують на емоційну відповідальність та готовність допомагати іншим у чоловіків. Результати дослідження можуть змінити наше уявлення, що робить чоловіків привабливими в очах жінок. Дослідження, проведене вченими з Університету Монаша, призводить до нових висновків щодо привабливості чоловіків для жінок. В рамках експерименту жінкам показували фотографії чоловіків з короткими історіями про їхню поведінку в різних ситуаціях, включаючи їхню реакцію на зіткнення з бездомною людиною. Деякі з чоловіків ігнорували безпритульного, тоді як інші надавали йому допомогу, наприклад, купуючи їжу. Дослідження показало, що чоловіки, які виявляють співчуття і доброту, виявилися більш привабливими для жінок порівняно з т ...>>

Випадкова новина з Архіву Електровелосипед з автопілотом 20.07.2021 Інженер Huawei Чжихуей Цзюнь (Zhihui Jun) розробив та зібрав повністю функціональний прототип електричного велосипеда з функцією автономного водіння. Цзюнь задумався над ідеєю електровелосипеда з автопілотом після травмування в велосипедній аварії. Згодом він розробив транспортний засіб з низкою високоточних датчиків, який здатний допомагати водієві безпечно пересуватися в щільному міському трафіку. Є датчики глибини, LiDAR, акселерометр та гіроскоп. Велосипед обладнаний двома потужними безщітковими електродвигунами, один з яких відповідає за кермо. Найцікавішим у конструкції електровелосипеда є система підтримки рівноваги, реалізована аналогічно системам, що застосовуються у супутниках. Набір високоточних датчиків дозволяє виявляти навіть найменші нахили і негайно відправляти дані в модуль керування, який, у свою чергу, перехопить керування кермом велосипеда та запобігатиме падінню. Живиться електровелосипед з автопілотом від літій-іонної батареї, заряду якої вистачає на 2-3 години.

Інші цікаві новини:

▪ Таблетки від похмілля

▪ Будується найбільший у світі магніт

▪ Попит на LCD панелі зростає

▪ AR-окуляри для військових собак

▪ Гідрогель для мускулатури роботів

Стрічка новин науки та техніки, новинок електроніки

Цікаві матеріали Безкоштовної технічної бібліотеки:

▪ розділ сайту Зорові ілюзії. Добірка статей

▪ стаття Сіддхартха Гаутама (Будда). Знамениті афоризми

▪ стаття Чим до 1873 року японський поділ доби на годинник відрізнявся від західного? Детальна відповідь

▪ стаття Начальник господарського відділу. Посадова інструкція

▪ стаття Автомобільні охоронні системи на PIC12F629 Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

▪ стаття Інгібітори із рослин. Хімічний досвід

Залишіть свій коментар до цієї статті:

All languages ​​of this page

Arabic	Hebrew	Polish
Bengali	Hindi	Portuguese
Chinese	Italian	Spanish
English	Japanese	Turkish
French	Korean	Ukrainian
German	Malay	Vietnamese

Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт

www.diagram.com.ua
2000-2024