Интерфейс USB в схемах на микроконтроллере

March 30, 2014 by admin Комментировать »

USB (Universal Serial Bus) — это универсальный последовательный интерфейс, позволяющий подключать к компьютеру разнообразные периферийные устройства и одновременно обеспечивать их питанием +5 В. Интерфейс USB в быту часто называют «шиной», но это тавтология, поскольку слово «Bus» переводится с технического английского языка как «шина».

Днем рождения USB считают 15 января 1996 г., когда вышла в свет первая спецификация параметров USB-1.0. Инициировали создание интерефейса фирмы Compaq Computer, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC, Nortel. Известно несколько спецификаций USB, но для MK общего назначения из них годятся только USB-1.1 и USB-2.0 (Табл. 4.4).

Таблица 4.4. Хронология спецификаций интерфейса USB

Спецификация

Год

Скорость

[Мбит/с]

Особенности, изменения

USB-1.0

1996

1.5; 12

Начальная версия

USB-1.1

1998

1.5; 12

Исправлены неточности начальной версии

USB-2.0

2000

1.5; 12; 480

Увеличена скорость, добавлены разъёмы miniUSB

Wireless USB

2005

110; 480

Беспроводной USB на расстоянии 3…10 м

USB-3.0

2009

4800

Увеличена скорость и ток питания, изменён разъём

Почему же интерфейс USB вытесняет из компьютеров привычные СОМ- и LPT-порты, переводя их в разряд «legacy» (устаревшие)? Причин несколько:

•                 повышенная в 10… 1000 раз скорость передачи данных;

•                 улучшенная помехозащищённость (дифференциальные сигналы);

•                 простота организации питания и возможность «горячего» подключения;

•                 высокая достоверность, ввиду аппаратного исправления ошибок;

•                 возможность разветвления сигналов от одного разъёма через хабы.

Недостатки USB: относительно малый радиус действия 1.8…5 м (без хабов), необходимость установки специфических драйверов в операционной системе, сложность программирования, особенно, для неподготовленных пользователей.

Разъёмы USB-1.1 и USB-2.0 бывают двух типов «А» и «В» (Рис. 4.14, a…r), Тип «А» обозначает принадлежность к ведущему устройству (компьютер, хаб), тип «В» — к ведомому устройству (MK, принтер, «мышь», модем). В самодельных конструкциях, как правило, используются разъёмы «Standard-А», «Standard-В».

Рис. 4.14. Внешний вид USB-разъёмов: а) «Standard» в компьютере; б) «Standard» в удалённом устройстве; в) miniUSB; г) microUSB.

Назначение контактов разъёмов USB-1.1, USB-2.0 показано в Табл. 4.5. Здесь учтено существование миниатюрных пятиконтактных (5-pin) разъёмов miniUSB и microUSB, применяемых, в частности, в мобильныхтелефонах.

Таблица 4.5. Раскладка сигналов интерфейса USB

4-pin

5-pin

Цепь

Расшифровка

Функция

Цвет провода

1

1

VBus

VCC Bus

Питание +5 В

Красный

2

2

D-

Data-

Данные «-»

Белый

3

3

D+

Data+

Данные «+»

Зелёный

4

5

GND

Ground

Общий

Чёрный

4

(CS)

Chip Select

Для OTG

Электрические параметры и функциональное назначение всех цепей одинаково вне зависимости от типа разъёма. Стандартная длина USB-кабелей: «А-А»—1.5; 3.0; 5.0 м, «А-В» — 0.5; 1.0; 1.8; 3.0; 5.0 м. Разъёмы выдерживают ток 1…1.5 А, ёмкость между контактами составляет 2 пФ, сопротивление контактов 30…50 мОм.

Цепь «VBus» согласно стандарту рассчитана на ток не более 100 мА. Программно его можно повысить до 500 мА, если аппаратная часть позволяет это сделать. На практике во многих материнских платах цепь «VBus» соединяется напрямую с блоком питания +5 В компьютера. Поэтому надо соблюдать осторожность, чтобы не случилось короткое замыкание на общий провод. В противном случае сработает защита и компьютер аварийно выключится, не сохранив информацию.

Различают режимы с низкой LS (Low Speed, до 1.5 Мбит/с) и полной FS (Fast Speed, до 12 Мбит/с) скоростью передачи данных. Каждый из режимов имеет свои схемотехнические и программные особенности (Рис. 4.15, a…y).

Рис. 4.15. Схемы подключения компьютера через интерфейс USB к MK (начало):

а) резистор R1 служит опознавательным знаком для компьютера, что удалённое устройство (в данном случае MK) работает в низкоскоростном LS-режиме. Элементы VD1, VD2, R2, R3 огричивают амплитуду сигналов от MK в компьютер до уровня +3.3…+3.6 В. Желательно применить стабилитроны VD1, VD2 с низкой ёмкостью, т.е. в стеклянном корпусе или SMD;

б) MK получает питание +5 В от компьютера через разъём XS1 и фильтр L1, C7, C2. Делитель R1, R2 эквивалентен опознавательному резистору R1, что на Рис. 4.15, а. Напряжение в средней точке делителя близко к +3.3 В, следовательно компьютер настраивается в режим с низкой скорости обмена данными LS. Резистор &2может отсутствовать, что проверяется экспериментально для каждой конкретной материнской платы компьютера;

в) особенность схемы — низковольтное питание MK. Конденсаторы С/, С2устраняют «звон» на фронтах сигналов. Резистор R2 не обязателен. Его ставят к питанию или к GND, чтобы вход MK «не висел в воздухе», если предусматривается работа при отключённом USB-кабеле;

г) аналогично Рис.4.15, б, но с одним опознавательным резистором R3, который подключается к цепи «VBus» компьютера. Питание MK может отличаться от стандартных +5 В;

д) аналогично Рис. 4.15, б, но с одним опознавательным резистором R3, который физически подключается к источнику питания +5 В при ВЫСОКОМ уровне на выходной линии MK. Достоинство — возможность программного отключения устройства от USB, для чего на выходе MK надо установить НИЗКИЙ уровень;

е) специализированный MK с встроенным интерфейсом USB-2.0, например, из серии PIC18Fxx5x. Конденсатор C1 шунтирует узел внутреннего ИОН по высокой частоте. Опознавательные резисторы находятся внутри MK. Скорость обмена LS или FS задаётся программно;

ж) специализированный MK имеет встроенный аппаратный интерфейс USB-2.0. Напряжение на выводе KREF узла ИОН составляет +3.3 В. Это позволяет подключить к нему опознавательный резистор R3, который расценивается компьютером как знак того, что удалённое устройство (в данном случае MK) готово работать в высокоскоростном FS-режиме. Дроссель L1 устраняет высокочастотные помехи, генерируемые от MK в линию «VBus» и излучаемые через провода соединительного кабеля. Конденсаторы С/, C2 сглаживают «звон» на фронтах сигналов;

з) защита информационных цепей интерфейса USB сборкой сапрессоров DA1 (фирма Texas Instruments), которые выдерживают импульсы тока 3…9 А;

и) два способа уменьшения ВЧ-излучений — введение дросселей L1, L2 и экранирование разъёма XS1. Рекомендуемые парамеры дросселей: постоянный ток не менее 0.5 А, сопротивление 220…600 Ом на частоте 100 МГц. Иногда ставят дроссели упрощённой конструкции, например, в виде провода, пропущенного через ферритовую трубку («Koralik»), или же наматывают несколько витков провода ПЭВ-0.2 на ферритовое кольцо подходящего диаметра;

к) MK получает питание от разъёма USB через стабилизатор DA1. Остальным узлам устройства доступны на выбор два напряжения: +3.3 В или +5 В, при этом суммарная нагрузка по току не должна превышать 0.1 А. Вместо DA1 можно поставить два последовательных диода 1 N4148;

л) защита входных цепей интерфейса XS1 самовосстанавливающимся предохранителем FU1 и поверхностно-монтируемыми варисторами RUl…RU3\

м) предохранитель FU1 может быть обычным или Polyswitch. П-образный LC-фильтр на элементах L/, C1…C3снижает помехи по питанию от MK к компьютеру и от компьютера к MK;

 Рис. 4.15. Схемы подключения компьютера через интерфейс USB к MK (продолжение):

н) фильтрация напряжения питания производится элементами C1…C4, R1\ о) светодиод HL1 выполняет две функции. Во-первых, индицирует рабочее состояние MK, во-вторых, снижает его напряжение питания с +5 до +3.3 В;

п) «усилитель USB-тока». Разъём XI входной, X2 — выходной. Сначала MK проверяет наличие напряжения на делителе R1, &2вцепи «VBus» разъёма XI. Если оно имеется, то МК  открывают транзистор VT1 и подаёт питание от мощного источника +5 В в цепь «VBus» разъёма X2\ p) резистор R1 подключается к цепи «D+» при НИЗКОМ уровне на выходе MK, при этом начинает светиться индикатор HL1 (нормальная работа в LS-режиме). ВЫСОКИМ уровнем на выходе МК  связь по USB прерывается, светодиод HL1 гаснет;

с) особенности — другой тип DA1 с другой цоколевкой выводов, светодиоды HL1, НЬ2цдя индикации приёма/передачи, местный (SB1) и удалённый (VT1) сброс MK;

т) конвертор USB-UART на микросхеме DA1 фирмы FTDI. Программно формируемый сигнал НИЗКОГО уровня на выводе RTS# удалённо сбрасывает MK через диод VD1;

у) конвертор USB-UART на микросхеме DA1 фирмы Silicon Laboratories. MK получает питание +3 В от внутреннего стабилизатора микросхемы DA1.

Источник: Рюмик, С. М., 1000 и одна микроконтроллерная схема. Вып. 2 / С. М. Рюмик. — М.:ЛР Додэка-ХХ1, 2011. — 400 с.: ил. + CD. — (Серия «Программируемые системы»).

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты