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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Comment choisir ou fabriquer un concentrateur USB. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / ordinateurs Aujourd'hui, l'USB est le plus souvent utilisé pour connecter des périphériques à un ordinateur. Mais tôt ou tard, l'utilisateur découvre que tous les ports USB disponibles sur son ordinateur sont occupés par une souris, un clavier, une caméra WEB et d'autres périphériques, et qu'il n'y a nulle part où connecter une imprimante, un tuner TV, un oscilloscope USB ou quoi que ce soit d'autre. . Alors, comment connectez-vous les 127 périphériques promis par la spécification USB à votre ordinateur ? Afin de pouvoir connecter plus d'un appareil à un port USB d'un ordinateur, des hubs sont utilisés (hub anglais - un moyeu de roue dans lequel tous ses rayons sont insérés), également appelés hubs. Le concentrateur possède un port USB "en amont" (en amont) connecté à l'ordinateur et plusieurs ports USB "en aval" (en aval), auxquels des périphériques sont connectés. La spécification USB permet de connecter en guirlande jusqu'à cinq concentrateurs. Dans les magasins vendant des périphériques informatiques, la gamme de concentrateurs USB est assez large - pour tous les goûts, toutes les couleurs et tous les budgets. Il semblerait que choisir n'importe lequel, le design le plus attrayant avec le bon nombre de ports et au prix le plus bas. Après tout, un utilisateur inexpérimenté imagine souvent un concentrateur comme quelque chose comme un appareil permettant de connecter deux téléviseurs à une antenne - à l'intérieur d'une paire de résistances ou d'un transformateur miniature. Cependant, dans ce cas, tout est beaucoup plus compliqué. J'en ai été convaincu lorsque j'ai acheté deux concentrateurs USB, l'un pour une interface numérique vers l'émetteur-récepteur, le second pour connecter un disque dur externe à un PC fixe. Le premier hub pour quatre ports avec le logo "DNS" a été acheté dans un magasin ordinaire, le second - auprès d'un fabricant inconnu pour sept ports - a été commandé dans une boutique en ligne étrangère. Des expériences dans des conditions de laboratoire ont montré que les deux hubs fonctionnent sans problème avec une souris, un clavier, un adaptateur USB-COM et une carte son équipée d'une interface USB. Cependant, seul le hub DNS fonctionne avec un disque dur externe et un lecteur flash. Lors de la connexion de tels périphériques via un concentrateur sans nom, l'ordinateur affiche le message "Périphérique USB non détecté". Des expériences supplémentaires avec l'interface numérique de l'émetteur-récepteur ont montré que le concentrateur DNS fonctionne ici sans problème, mais l'utilisation d'un concentrateur sans nom provoque le "gel" de l'ordinateur à chaque fois que l'émetteur est allumé. Avec une connexion directe de l'adaptateur USB-COM et une carte son externe à l'ordinateur sans concentrateur, tout a fonctionné sans problème. Cette situation m'intriguait. J'ai décidé de découvrir en quoi ces deux hubs diffèrent. Pourquoi l'un remplit-il pleinement ses fonctions et le second, en principe, fonctionne-t-il, mais pas toujours et pas avec tous les appareils? Imaginez ma surprise lorsque, après ouverture des boîtiers, il s'est avéré que les deux moyeux étaient assemblés sur le même élément de base et selon exactement les mêmes schémas ! Seulement dans celui à sept ports, deux puces de contrôleur de concentrateur USB identiques sont installées en série : un port en amont du deuxième contrôleur similaire est connecté à l'un des quatre ports en aval du premier contrôleur. La désactivation du deuxième contrôleur en coupant les conducteurs imprimés n'a pas changé la situation. Pour comprendre la raison, j'ai dû me familiariser avec les bases de l'appareil et le fonctionnement du bus USB. La première spécification USB 1.0 a été publiée au début de 1996, et à l'automne 1998, la spécification 1.1 est apparue, résolvant les problèmes rencontrés dans la première édition. La spécification USB 1.1 définit deux modes de transfert d'informations : à faible vitesse (LS - low-speed), fonctionnant à des vitesses allant jusqu'à 1,5 Mbps et à pleine vitesse (FS - Full-speed) avec une vitesse maximale de 12 Mbps. Au printemps 2000, la spécification USB 2.0 a été publiée, prévoyant une multiplication par 40 de la bande passante du bus. En plus des deux modes de vitesse précédemment disponibles, un troisième a été introduit - le haut débit HS (haut débit), capable de fonctionner à des vitesses allant jusqu'à 480 Mbps. En 2008, une nouvelle norme est apparue - USB 3.0 (Super Speed), selon laquelle la vitesse de transfert a été augmentée à 5 Gb / s. Cependant, pour atteindre cette vitesse, la conception des connecteurs et des câbles a dû être sérieusement modifiée, tandis qu'une compatibilité totale avec les versions précédentes n'a pas pu être obtenue. Cette interface est utile pour la communication avec des disques durs à grande vitesse, si un transfert fréquent de fichiers volumineux est requis. Mais pour lui, bien sûr, l'avenir. Un point subtil est lié au logo "USB 2.0". Bien que le débit maximal de cette interface soit de 480 Mbps, la spécification inclut également la possibilité de son fonctionnement en modes LS et FS. Ainsi, seuls les appareils capables de fonctionner en mode HS peuvent fournir un débit de 480 Mbps. Les développeurs USB recommandent d'utiliser le logo "USB 2.0" uniquement pour les appareils HS, mais le marché a ses propres lois et de nombreux fabricants utilisent ce logo pour les appareils FS qui, en fait, ne répondent qu'aux spécifications USB 1.1. Autrement dit, l'inscription sur l'emballage "USB 2.0" ne dit toujours rien. Les appareils qui sont entièrement conformes à cette spécification doivent être étiquetés "USB 2.0 HI-SPEED" avec une indication claire de la capacité de 480 Mbps. Le signal transmis sur la ligne de communication à une vitesse de 480 Mbps est une impulsion rectangulaire suivant à une fréquence allant jusqu'à 480 MHz. Toute personne plus ou moins compétente en ingénierie radio comprend que pour une transmission sans distorsion d'impulsions rectangulaires d'une telle fréquence, il est nécessaire de respecter strictement les exigences relatives à l'impédance d'onde des lignes de transmission entre microcircuits et connecteurs et à sa constance sur toute la longueur de la ligne lors du développement d'une carte de circuit imprimé. L'impédance caractéristique de la ligne de signal différentiel à deux fils sur la carte doit être de 90 Ω ± 10 %. La ligne doit être symétrique et la distance entre elle et les autres conducteurs imprimés sur la carte doit être d'au moins cinq fois la distance entre les conducteurs de ligne. Sous eux, au verso de la planche, il devrait y avoir une couche continue de papier d'aluminium sur toute la longueur - un écran (fil commun). Les sections de la ligne où ces exigences ne sont pas satisfaites (par exemple, les approches des broches de microcircuit ou des contacts de connecteur) doivent être d'une longueur minimale. Les erreurs typiques dans le traçage de ces lignes de communication sont illustrées à la Fig. 1, où 1 - coupure d'écran sous la ligne; 2 - branche du conducteur de ligne; 3 - non-parallélisme des conducteurs et modification de l'écart entre eux; 4 - conducteur étranger à côté de la ligne.
Et, bien sûr, vous devez vous conformer aux exigences habituelles pour l'installation de circuits haute fréquence. Tous les conducteurs doivent être aussi courts que possible et les condensateurs de dérivation doivent être situés aussi près que possible des broches correspondantes des microcircuits. En regardant les photographies des cartes de circuits imprimés des concentrateurs achetés, on constate que dans le concentrateur DNS (Fig. 2), ces exigences sont plus ou moins remplies. Les développeurs du hub sans nom (Fig. 3) y ont utilisé une carte de circuit imprimé simple face, de sorte que l'impédance d'onde des lignes de communication est très différente de la norme 90 Ohm et qu'il existe une sensibilité élevée aux interférences électromagnétiques.
Les deux hubs utilisent les mêmes puces de contrôleur de hub USB FE1.1s. Le site de leur fabricant jfd-ic.com n'est malheureusement disponible qu'en chinois. Un circuit possible pour allumer ce microcircuit est illustré à la Fig. 4. Il diffère du standard par l'absence d'indicateurs LED pour les ports actifs et une puce mémoire non volatile supplémentaire. Plus de détails sur les caractéristiques et fonctionnalités de la puce FE1.1s peuvent être trouvés dans [1] (en anglais).
Pour tester l'hypothèse selon laquelle les mauvaises performances du hub sont dues au non-respect des exigences de la spécification USB pour la topologie PCB, j'ai développé ma propre version de la carte. Un dessin de conducteurs imprimés sur sa face conditionnellement supérieure est illustré à la Fig. 5. La feuille sur le côté inférieur est complètement préservée, à l'exception du fraisage des trous pour les fils des pièces qui ne se connectent pas à un fil commun. L'emplacement des pièces des deux côtés de la planche - sur la fig. 6. Les vias (montrés remplis) sont remplis de morceaux de fil étamé, soudés des deux côtés de la carte.
Les dimensions géométriques des lignes de signal pour obtenir l'impédance d'onde requise ont été calculées à l'aide du programme TX-LINE [2]. Il est gratuit et disponible en téléchargement après inscription sur le site. Le programme ne nécessite pas d'installation, son utilisation est intuitive. Après avoir lancé le programme et être allé dans l'onglet des lignes microruban couplées (ligne MS couplée), vous devez sélectionner le matériau des conducteurs de ligne - cuivre (cuivre), entrer la constante diélectrique de la fibre de verre égale à 5,5 et les dimensions de la ligne. Avec une épaisseur de fibre de verre de 1 mm, une largeur de conducteurs imprimés de 0,7 mm, une distance entre eux de 0,5 mm et une épaisseur de feuille de 0,02 mm, on obtient une impédance d'onde d'environ 500 ohms à une fréquence de 93 MHz. Tous les éléments passifs destinés au montage en surface sont de taille 1206 ou 0805. Les condensateurs à oxyde C1, C3, C5, le résonateur à quartz ZQ1 et le connecteur d'alimentation externe XS5 sont montés du côté de la feuille solide, le reste des éléments sont du côté de l'imprimé conducteurs. Si le concentrateur ne sera utilisé que de manière passive (tous les appareils qui y sont connectés seront alimentés par un ordinateur), la diode VD1 peut être remplacée par un cavalier. Lors de la connexion d'appareils consommant plus de 500 mA au concentrateur, l'alimentation de l'ordinateur ne sera pas suffisante. Dans ce cas, le cavalier doit être retiré et, sans installer la diode VD1, connectez une source de tension stabilisée de 5 V de la puissance requise au connecteur XS5. Pour faire fonctionner le concentrateur en modes passif et actif sans soudure, une diode avec une barrière Schottky VD1 doit y être installée. Cela empêchera la tension de l'alimentation externe d'entrer dans le port USB de l'ordinateur. En principe, pour réduire l'épaisseur de la carte, toutes les pièces peuvent être placées du côté des conducteurs imprimés, mais sans plaquer les trous, cela complique l'installation. Si nécessaire, vous pouvez modifier les dimensions de la carte et l'emplacement des connecteurs usb en ajustant légèrement le motif des conducteurs imprimés. J'ai dessoudé la puce FE1.1s de mon concentrateur à sept ports, mais vous pouvez également l'acheter séparément sur Internet. C'est l'un des rares contrôleurs de concentrateur USB disponibles dans le boîtier SSOP-28 avec un pas de broche de 0,64 mm. Une planche pour un tel boîtier peut très bien être réalisée par transfert thermique d'un motif sur un foil. En testant le hub fabriqué, j'ai constaté que l'influence des rayonnements électromagnétiques disparaissait complètement, deux de ses quatre ports fonctionnent parfaitement avec un lecteur FLASH et un disque dur USB, mais les deux autres ne fonctionnent qu'avec une souris. J'ai dû dessouder le deuxième contrôleur du concentrateur à sept ports et le remplacer par le premier sur une carte maison. Désormais, trois ports sur quatre sont entièrement fonctionnels. De plus, le port qui fonctionnait sans problème avec le premier contrôleur a cessé de fonctionner en mode HS. La documentation de la puce FE1.1 indique que toutes ses copies subissent un contrôle final après fabrication. Évidemment, les copies défectueuses ne sont pas envoyées à la poubelle, mais à des fabricants anonymes. Ou le contrôleur a des versions non documentées. D'une manière ou d'une autre, l'option avec trois ports USB 2.0 à part entière me convenait. J'attire votre attention sur le fait que presque tous les concentrateurs bon marché avec un connecteur pour connecter une alimentation externe n'ont aucun découplage entre les circuits d'alimentation externe et interne. Les contacts de puissance de tous les connecteurs sont simplement interconnectés. En conséquence, il est possible de désactiver le port USB de l'ordinateur en lui appliquant une tension à partir d'une alimentation externe connectée au concentrateur. Si une alimentation externe est censée être connectée au concentrateur acheté, vous devez ouvrir le boîtier du concentrateur et couper le conducteur provenant de la broche 1 du connecteur du port en amont (celui qui est connecté à l'ordinateur). Pour conserver la possibilité d'utiliser le concentrateur en mode passif, une diode peut être soudée à cet endroit de manière similaire à VD1 dans le schéma de la Fig. 4. Il doit être doté d'une barrière Schottky (pour réduire la chute de tension) et d'un courant direct admissible d'au moins 1 A. Selon la spécification USB 2.0, le câble de raccordement doit être blindé. Lors de l'achat d'un câble, cependant, il peut être difficile de déterminer s'il a un écran ou non. La seule chose qui peut indiquer la présence d'un écran est le marquage "USB 2.0 High Speed" sur le câble. Un signe indirect est les "verrous" de ferrite supprimant les interférences à ses extrémités. Cependant, ni les marquages ni les loquets ne disent quoi que ce soit sur la qualité de l'écran. Dans un bon câble, il doit être enroulé dans une feuille d'aluminium autour du faisceau de câbles, sur lequel un "bas" en cuivre tressé est enfilé. Souvent, les fabricants réduisent les coûts de production en utilisant plusieurs fils d'acier cuivrés au lieu d'un écran à part entière. La qualité du blindage peut être appréciée en mesurant la résistance entre les boîtiers métalliques des connecteurs aux deux extrémités du câble. S'il est proche de zéro, le câble a un écran en cuivre à part entière. Si la résistance est de 3 ... 4 ohms ou plus - il y a un écran, mais il est fait de fils d'acier. Ce câble est généralement plus fin, mais son utilisation dans un environnement EMI peut entraîner un dysfonctionnement de votre ordinateur. Par exemple, lorsqu'il y a un téléphone portable à côté du câble ou qu'un émetteur-récepteur amateur fonctionne à proximité. Si la résistance entre les boîtiers des connecteurs est infinie, le câble n'est pas blindé et n'est pas adapté au fonctionnement à grande vitesse. Dans tous les cas, le corps du connecteur ne doit être relié à aucune de ses broches. Aucune auto-soudure, épissure, blindage ou remplacement de connecteurs dans le câble n'est autorisé. Le critère de sélection le plus fiable est la gaine extérieure transparente du câble, à travers laquelle une tresse de blindage de haute qualité est clairement visible. Et si en même temps il y a des verrous de ferrite aux deux extrémités, alors un tel câble peut être classé en toute sécurité comme PRO. En résumant ce qui a été dit, je formulerai les principaux critères de choix d'un concentrateur USB 2.0 pour l'échange d'informations à haut débit : - il est préférable d'acheter un moyeu dans un magasin de détail en stipulant à l'avance la possibilité de le retourner ou de l'échanger contre un autre modèle ;
Si aucun des modèles de moyeux vendus ne vous convient, fabriquez-le vous-même, comme décrit ci-dessus. Fichier PCB au format Sprint Layout 6.0 : ftp://ftp.radio.ru/pub/2014/11/hub.zip littérature
Auteur : N. Khlyupin
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