Здавалка
Главная | Обратная связь

Электростатическая защита USB устройств



Интерфейсы - USB

 

 

USB сейчас повсюду. Трудно представить, что буквальное еще несколько лет назад USB считался просто перспективным интерфейсом с последовательной передачей данных. А сейчас без USB уже трудно представить современную жизнь. Трудно назвать электронное устройство, в которое не пытались бы «затолкать» USB. Даже люди, далекие от информационных технологий, услышав сочетание букв USB, сразу представляют, о чем идет речь. USB разрабатывался именно как интерфейс массового применения, и поэтому в нем уже предусмотрена возможность «горячего» подключения, и именно эта возможность сбивает многих с толку. Достаточно много людей, считающих себя специалистами, глубоко ошибаются, думая, что разделенное по времени подключение сигнальных и питающих линий во время сопряжения USB-устройств, способно решить абсолютно все проблемы, связанные с электростатической защитой в момент подключения. Так могут считать лишь дилетанты. На практике же, очень много сил и средств тратится на обеспечение электростатической защиты как USB-устройств, так и USB-хабов, а в ремонте множество устройств диагностируется, как «не подлежащие ремонту», по сути, из-за пустяка.

Прежде, чем обсуждать вопрос электрической безопасности USB, вспомним, что собою представляет этот интерфейс на физическом уровне.

Кабель USB

Кабель USB состоит из четырех проводов. Исключение составляют лишь кабели, предназначенные для устройств, поддерживающих спецификацию OTG (On-The-Go – упрощенное соединение двух устройств). В кабелях OTG используется пять проводов и эти кабели достаточно легко узнать – на их концах находятся mini-розетки и mini-вилки (mini-A, mini-B и mini-AB).

Итак, четыре провода кабеля USB представляют собой две пары:

- одна пара используется для подачи питания и состоит из провода схемной земли (GND) и провода питания +5В (Vbus);

- вторая пара предназначена для передачи данных, и линии этой пары обозначаются D+ и D-.

В кабелях спецификации OTG вводится еще одна линия – линия идентификации роли устройства (ID).

USB-кабель имеет максимально-допустимую длину 5м. Ограничения на длину кабеля между USB-хабом и устройством накладывают затухания и задержки, вызванные эквивалентной емкостью кабеля. Регламентируемая задержка на передачу сигналов по кабелю USB составляет не более 26 нс. Именно этими соображениями должны руководствоваться производители USB кабелей. Конструкция кабеля определяется версией USB, а требования к конструктиву описаны в соответствующих стандартах и регламентных документах.

Кабель USB 1.X.Сигнальные провода этого кабеля должны представлять собой витую пару из проводов калибра 28WG с импедансом 90 Ом. Характеристики (затухание, временные задержки и т.п.) для сигнальной пары нормируют в частотном диапазоне до 16 МГц. Линии питания и схемной земли могут изготавливаться из проводов калибра от 20WG до 28WG. Экранировка кабеля в этом стандарте не предусматривалась. Для устройств, работающих исключительно на низкой скорости, мог использоваться кабель и с неперевитой парой сигнальных линий (при этом, длина кабеля не должна была превышать 3м).

Кабель USB 2.X. Основные требования для кабеля точно такие же, что и в USB1.X. Основным отличием является обязательное наличие в кабеле экрана, которому соответствует отдельный проводник. Такой кабель способен обеспечить гарантированную передачу данных с любой скоростью, вплоть до HS (High Speed).

Передача данных по линям D+ и D- не ограничивается лишь дифференциальными сигналами. Приемники и передатчики позволяют использовать множество состояний линий и команд. При этом учитываются не только уровни электрических сигналов, но и время нахождения в том или ином состоянии. Но это буде темой одного из следующих обзоров.

Разъемы

Разъемы USB спроектированы таким образом, чтобы обеспечить наиболее легкое и безопасное подключение. Для поддержания функции «горячего» подключения, разъемы обеспечивают более раннее соединение и более позднее отсоединение питающих цепей, по сравнению с сигнальными цепями. В USB-устройствах можно встретить несколько типов разъемов.

1. Тип «А» (рис.1-а). Гнезда устанавливаются на нисходящих портах хабов. Вилки типа «А» устанавливаются на шнурах периферийных устройств или восходящих портов хабов.

2. Тип «В» (рис.1-б). Гнезда этого типа используются для шнуров, отсоединяемых от периферийных устройств (принтеры, сканеры и т.п.) и восходящих портов хабов. На устройстве в этом случае устанавливается гнездо, а на кабеле – вилка.

3. Тип «mini-B» (рис.1-в). Гнезда этого типа устанавливаются на отсоединяемых шнурах малогабаритных устройств (например, цифровые фотокамеры).

4. Тип «mini-A» (рис.1-д). Вилки этого типа используются для подключения устройств OTG к портам малогабаритных устройств с гнездом «mini-AB».

5. Тип «mini-AB» (рис.1-е). Гнезда этого типа устанавливаются на портах двухролевых устройств OTG. Такое двухролевое устройство ведет себя как хост, если в гнездо вставлена вилка «mini-A», и как периферийное устройство, если в гнездо вставлена вилка «mini-B».

Рис.1

На системных платах часто встречаются штырьковые разъемы для подключения кабелей-«выкидышей», которыми подключаются дополнительные разъемы USB, устанавливаемые на передней или боковой панели корпуса компьютера. На эти штырьковые разъемы выводится два USB-порта, и возможные конфигурации этих разъемов показаны на рис.2. Ошибки при подключении к штырьковым разъемам приводят к неработоспособности порта.

Рис.2

Все кабели USB являются «прямыми», т.е. провода кабеля соединяют одноименные контакты двух разъемов, расположенных на противоположных концах кабеля. Исключением является лишь кабель OTG, в котором сигнал ID либо соединен с GND (на вилке mini-A), либо не соединен с GND (на вилке mini-B).

Ошибки в подключении цепей GND, +5V и линий данных приводят к нагреванию кабелей и разъемов. Кроме того, неправильная полярность питающего напряжения (GND и +5V перепутаны местами) может приводить к повреждению подключаемого устройства.

Приемопередатчики

Для передачи сигналов используются две линии: D+ и D-. Для формирования, приема и выделения сигналов, передаваемых по этим линиям, со стороны хаба и подключенного устройства должны иметься следующие устройства:

1) Дифференциальный приемник, на выходе которого сигнал появляется в момент приема данных.

2) Управляемый, т.е. отключаемый, дифференциальный передатчик для скоростей FS/LS. Этот передатчик является источником напряжения, который позволяет формировать не только дифференциальные сигналы, но и «линейный 0» (SE0). Этот передатчик может отключаться ля обеспечения полудуплексного обмена данными.

3) Линейные приемники, которые анализируют текущее состояние сигнальных линий D+ и D-.

4) Подтягивающие резисторы, с помощью которых задаются уровни напряжений на линиях D+ и D-. Со стороны устройства или восходящего порта хаба устанавливаются резисторы Ruf и Rul (по 1.5 кОм), которые смещают линии D+ и D- на величину +2.7В...+3.6В. Со стороны нисходящего порта хаба устанавливаются резисторы Rd1 и Rd2 (по 15 кОм), включаемые между сигнальными линиями и «землей».

Для устройств USB 2.0, которые поддерживают высокую скорость передачи HS, вводятся еще и дополнительные элементы:

- коммутатор, отключающий резистор Ruf при выборе высокой скорости HS;

- последовательные резисторы Rz1 и Rz2 на выходах дифференциального передатчика, обеспечивающие согласование с линией;

- управляемый дифференциальный источник тока;

- детектор амплитуды сигналов;

- детектор отключения (для нисходящих портов хаба).

Уровни сигналов передатчиков FS/LS в статическом режиме должны быть ниже 0.3В, что соответствует низкому уровню, или выше 2.8В, что соответствует высокому уровню. Приемники должны выдерживать входное напряжение, находящееся в диапазоне от -0.5В до +3.В. Чувствительность дифференциальных приемников составляет 200 мВ при синфазном напряжении 08В-2.5В. Линейные приемники должны обладать гистерезисом с нижним порогом 0.8В и верхним порогом 2В.

Графическое представление физической части интерфейса USB дает изображение на рис.3.

Рис.3







©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.