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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK So wählen oder erstellen Sie einen USB-Hub. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Computer Heutzutage wird die USB-Schnittstelle am häufigsten zum Anschluss von Peripheriegeräten an einen Computer verwendet. Doch früher oder später stellt der Benutzer fest, dass alle USB-Anschlüsse seines Computers mit einer Maus, einer Tastatur, einer WEB-Kamera und anderen Geräten belegt sind und es keinen Ort gibt, an dem er einen neu gekauften Drucker, einen TV-Tuner, ein USB-Oszilloskop oder etwas anderes anschließen kann. Wie schließen Sie die 127 Geräte, die die USB-Spezifikation verspricht, an Ihren Computer an? Damit mehr als ein Gerät an einen USB-Anschluss eines Computers angeschlossen werden kann, werden Hubs verwendet (englisch hub – die Nabe eines Rades, in die alle seine Speichen stecken), auch Konzentratoren genannt. Der Hub verfügt über einen „Upstream“-USB-Port, der an einen Computer angeschlossen wird, und mehrere „Downstream“-USB-Ports, an die Peripheriegeräte angeschlossen werden. Die USB-Spezifikation ermöglicht die Verkettung von bis zu fünf Hubs. In Geschäften, die Computerperipherie verkaufen, ist das Sortiment an USB-Hubs recht groß – für jeden Geschmack, jede Farbe und jedes Budget. Es scheint, dass Sie jedes beliebige, attraktivste Design mit der erforderlichen Anzahl von Anschlüssen und zum Mindestpreis auswählen können. Schließlich stellt sich ein unerfahrener Nutzer unter einem Hub oft so etwas wie ein Gerät zum Anschluss zweier Fernseher an eine Antenne vor – im Inneren steckt ein Paar Widerstände oder ein Miniaturtransformator. Allerdings ist in diesem Fall alles viel komplizierter. Davon war ich überzeugt, als ich zwei USB-Hubs kaufte, einen für die digitale Schnittstelle zum Transceiver, den zweiten für den Anschluss einer externen Festplatte an einen Desktop-PC. Der erste Hub für vier Ports mit dem „DNS“-Logo wurde in einem regulären Laden gekauft, der zweite – von einem unbekannten Hersteller für sieben Ports – wurde in einem ausländischen Online-Shop bestellt. Laborexperimente zeigten, dass beide Hubs problemlos mit Maus, Tastatur, USB-COM-Adapter und einer Soundkarte mit USB-Schnittstelle funktionieren. Allerdings funktioniert nur der DNS-Hub mit einer externen Festplatte und einem FLASH-Laufwerk. Wenn solche Geräte über einen unbenannten Hub angeschlossen werden, zeigt der Computer die Meldung „USB-Gerät nicht erkannt“ an. Zusätzliche Experimente mit der digitalen Schnittstelle des Transceivers zeigten, dass der DNS-Hub hier problemlos funktioniert, die Verwendung eines unbenannten Hubs jedoch dazu führt, dass der Computer bei jedem Einschalten des Senders einfriert. Beim direkten Anschluss des USB-COM-Adapters und einer externen Soundkarte an den Computer ohne Hub funktionierte alles ohne Probleme. Diese Situation hat mich interessiert. Ich beschloss herauszufinden, worin sich diese beiden Hubs unterscheiden. Warum erfüllt eines seine Funktionen vollständig, während das zweite im Prinzip funktioniert, aber nicht immer und nicht mit allen Geräten? Stellen Sie sich meine Überraschung vor, als sich nach dem Öffnen der Gehäuse herausstellte, dass beide Naben auf derselben Elementbasis und nach absolut identischen Schaltkreisen montiert waren! Nur beim Modell mit sieben Ports sind zwei identische USB-Hub-Controller-Chips in Reihe installiert: Der Upstream-Port des zweiten ähnlichen Controllers ist mit einem der vier Downstream-Ports des ersten Controllers verbunden. Das Deaktivieren des zweiten Controllers durch Durchtrennen der Leiterbahnen änderte nichts an der Situation. Um den Grund zu verstehen, musste ich mich mit den Grundlagen des Aufbaus und der Funktionsweise des USB-Busses vertraut machen. Die erste USB 1.0-Spezifikation wurde Anfang 1996 veröffentlicht, und im Herbst 1998 erschien die 1.1-Spezifikation, mit der die in der ersten Ausgabe festgestellten Probleme behoben wurden. Die USB 1.1-Spezifikation definiert zwei Modi der Informationsübertragung: Low-Speed (LS – Low-Speed), Betrieb mit Geschwindigkeiten bis zu 1,5 Mbit/s und Full-Speed (FS – Full-Speed) mit einer maximalen Geschwindigkeit von 12 Mbit/s. S. Im Frühjahr 2000 wurde die USB 2.0-Spezifikation veröffentlicht, die eine 40-fache Steigerung der Busbandbreite vorsah. Zusätzlich zu den beiden bisher verfügbaren Geschwindigkeitsmodi wurde ein dritter eingeführt – Hochgeschwindigkeits-HS (High-Speed), der Geschwindigkeiten von bis zu 480 Mbit/s ermöglicht. Im Jahr 2008 erschien ein neuer Standard – USB 3.0 (Super Speed), nach dem die Übertragungsgeschwindigkeit auf 5 Gbit/s erhöht wurde. Um solche Geschwindigkeiten zu erreichen, war es jedoch notwendig, das Design der Anschlüsse und Kabel grundlegend zu ändern, während eine vollständige Kompatibilität mit früheren Versionen nicht erreicht werden konnte. Diese Schnittstelle empfiehlt sich für die Kommunikation mit Hochgeschwindigkeitsfestplatten, wenn häufig große Dateien übertragen werden müssen. Aber es ist zweifellos die Zukunft. Mit dem „USB 2.0“-Logo ist ein subtiler Punkt verbunden. Obwohl der maximale Durchsatz dieser Schnittstelle 480 Mbit/s beträgt, sieht die Spezifikation auch die Möglichkeit des Betriebs im LS- und FS-Modus vor. Somit können 480 Mbit/s Durchsatz nur von Geräten bereitgestellt werden, die im HS-Modus arbeiten können. USB-Entwickler empfehlen, das „USB 2.0“-Logo nur für HS-Geräte zu verwenden, aber der Markt hat seine eigenen Gesetze und viele Hersteller verwenden dieses Logo für FS-Geräte, die tatsächlich nur der USB 1.1-Spezifikation entsprechen. Mit anderen Worten: Die Aufschrift „USB 2.0“ auf der Verpackung hat keine Bedeutung. Geräte, die dieser Spezifikation vollständig entsprechen, müssen mit „USB 2.0 HI-SPEED“ gekennzeichnet sein und deutlich die 480-Mbit/s-Fähigkeit angeben. Das über eine Kommunikationsleitung mit einer Geschwindigkeit von 480 Mbit/s übertragene Signal ist ein Rechteckimpuls mit einer Frequenz von bis zu 480 MHz. Jeder, der sich mit Funktechnik mehr oder weniger auskennt, weiß, dass für die unverzerrte Übertragung von Rechteckimpulsen dieser Frequenz bei der Entwicklung einer Leiterplatte die Anforderungen an den Wellenwiderstand von Übertragungsleitungen zwischen Mikroschaltungen und Anschlüssen und deren strikt eingehalten werden müssen Konstanz über die gesamte Länge der Linie. Die charakteristische Impedanz der zweiadrigen Differenzsignalleitung auf der Platine sollte 90 Ohm ± 10 % betragen. Die Leitung muss symmetrisch sein und der Abstand zu anderen Leiterbahnen auf der Platine muss mindestens fünfmal so groß sein wie der Abstand zwischen den Leitungsleitern. Darunter sollte sich auf der Rückseite der Platine durchgehend eine durchgehende Folienschicht befinden – ein Schirm (gemeinsamer Draht). Leitungsabschnitte, in denen diese Anforderungen nicht erfüllt sind (z. B. Zugänge zu Mikroschaltungsstiften oder Steckerkontakten), müssen eine Mindestlänge aufweisen. Typische Fehler beim Verfolgen solcher Kommunikationsleitungen sind in Abb. dargestellt. 1, wobei 1 der Bildschirmumbruch unterhalb der Linie ist; 2 - Abzweig vom Außenleiter; 3 - Nichtparallelität der Leiter und Veränderung des Abstands zwischen ihnen; 4 - Fremdleiter neben der Leitung.
Und natürlich müssen Sie die üblichen Anforderungen für die Installation von Hochfrequenzschaltungen einhalten. Alle Leiter müssen eine Mindestlänge haben und Sperrkondensatoren sollten so nah wie möglich an den entsprechenden Pins der Mikroschaltungen angebracht werden. Wenn man sich die Fotos von Leiterplatten gekaufter Hubs ansieht, erkennt man, dass diese Anforderungen im DNS-Hub (Abb. 2) mehr oder weniger erfüllt sind. Die Entwickler des unbenannten Hubs (Abb. 3) verwendeten darin eine einseitige Leiterplatte, sodass die charakteristische Impedanz der Kommunikationsleitungen stark von den standardmäßigen 90 Ohm abweicht und eine hohe Empfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen besteht.
Beide Hubs verwenden die gleichen FE1.1s USB-Hub-Controller-Chips. Die Website ihres Herstellers jfd-ic.com ist leider nur auf Chinesisch verfügbar. Ein möglicher Anschlussplan für diese Mikroschaltung ist in Abb. dargestellt. 4. Der Unterschied zum Standard besteht darin, dass keine LED-Anzeigen für aktive Ports und ein zusätzlicher nichtflüchtiger Speicherchip vorhanden sind. Weitere Details zu den Eigenschaften und Merkmalen des FE1.1s-Chips finden Sie in [1] (auf Englisch).
Um die Annahme zu testen, dass die schlechte Leistung des Hubs durch die Nichtbeachtung der Anforderungen der USB-Spezifikation für die PCB-Topologie verursacht wird, habe ich meine eigene Version der Platine entwickelt. Eine Zeichnung der Leiterbahnen auf der herkömmlichen Oberseite ist in Abb. dargestellt. 5. Die Folie auf der Unterseite ist vollständig erhalten, mit Ausnahme der Senklöcher für die Leitungen von Teilen, die nicht mit dem gemeinsamen Draht verbunden sind. Die Lage der Teile auf beiden Seiten der Platine ist in Abb. dargestellt. 6. Verzinnte Drahtstücke, die auf beiden Seiten der Platine angelötet sind, werden in die Durchgangslöcher eingeführt (sie sind ausgefüllt dargestellt).
Die geometrischen Abmessungen der Signalleitungen zur Erzielung der erforderlichen charakteristischen Impedanz wurden mit dem Programm TX-LINE [2] berechnet. Es ist kostenlos und kann nach der Registrierung auf der Website heruntergeladen werden. Das Programm erfordert keine Installation, die Bedienung ist intuitiv. Wenn Sie das Programm starten und zur Registerkarte gekoppelte Mikrostreifenleitungen (gekoppelte MS-Leitung) gehen, sollten Sie das Material der Leitungsleiter auswählen – Kupfer (Kupfer), die Dielektrizitätskonstante von Glasfaser gleich 5,5 und die Abmessungen der Leitung eingeben . Bei einer Glasfaserdicke von 1 mm, einer Breite der Leiterbahnen von 0,7 mm, einem Abstand zwischen ihnen von 0,5 mm und einer Foliendicke von 0,02 mm ergibt sich ein Wellenwiderstand von etwa 500 Ohm bei einer Frequenz von 93 MHz. Alle für die Oberflächenmontage vorgesehenen passiven Elemente haben die Standardgröße 1206 oder 0805. Die Oxidkondensatoren C1, C3, C5, der Quarzresonator ZQ1 und der externe Stromanschluss XS5 sind auf der Seite der Vollfolie montiert, die restlichen Elemente sind auf der Seite der gedruckten Folie montiert Dirigenten. Wenn der Hub nur passiv verwendet wird (alle daran angeschlossenen Geräte werden vom Computer mit Strom versorgt), kann die VD1-Diode durch einen Jumper ersetzt werden. Beim Anschluss von Geräten, die mehr als 500 mA verbrauchen, an den Hub reicht die Leistung des Computers nicht aus. In diesem Fall sollte der Jumper entfernt werden und ohne Installation der VD1-Diode eine stabilisierte Spannungsquelle mit 5 V der erforderlichen Leistung an den XS5-Anschluss angeschlossen werden. Um den Hub sowohl im passiven als auch im aktiven Modus ohne Löten zu betreiben, muss eine Schottky-Diode VD1 darin installiert werden. Dadurch wird verhindert, dass Spannung vom externen Netzteil in den USB-Anschluss des Computers gelangt. Um die Dicke der Platine zu reduzieren, können grundsätzlich alle Teile auf der Seite der Leiterbahnen platziert werden, allerdings erschwert dies ohne Metallisierung der Löcher die Montage. Bei Bedarf können Sie die Abmessungen der Platine und die Position der USB-Anschlüsse ändern, indem Sie das Muster der gedruckten Leiter leicht anpassen. Ich habe den FE1.1-Chip aus meinem Sieben-Port-Hub entfernt, er kann aber auch separat im Internet erworben werden. Dies ist einer der wenigen USB-Hub-Controller, die im SSOP-28-Gehäuse mit einem Pinabstand von 0,64 mm hergestellt werden. Eine Platine für ein solches Gehäuse lässt sich leicht durch thermische Übertragung eines Designs auf Folie herstellen. Beim Testen des hergestellten Hubs stellte ich fest, dass der Einfluss elektromagnetischer Strahlung vollständig verschwunden war. Zwei seiner vier Anschlüsse funktionieren hervorragend mit einem FLASH-Laufwerk und einer USB-Festplatte, die anderen beiden funktionieren jedoch nur mit einer Maus. Ich musste den zweiten Controller vom Sieben-Port-Hub entfernen und den ersten auf einer selbstgebauten Platine damit ersetzen. Jetzt sind drei der vier Ports voll funktionsfähig. Darüber hinaus funktionierte der Port, der mit dem ersten Controller problemlos funktionierte, im HS-Modus nicht mehr. In der Dokumentation des FE1.1-Chips heißt es, dass alle Exemplare nach der Herstellung einer Endkontrolle unterzogen werden. Offensichtlich landen fehlerhafte Exemplare nicht im Müll, sondern an namenlose Hersteller. Oder der Controller verfügt über einige undokumentierte Designoptionen. Auf die eine oder andere Weise hat mir die Option mit drei vollwertigen USB 2.0-Anschlüssen gefallen. Bitte beachten Sie, dass fast alle günstigen Hubs mit Anschluss zum Anschluss einer externen Stromversorgung über keine Trennung zwischen externem und internem Stromversorgungskreis verfügen. Die Stromkontakte aller Steckverbinder werden einfach miteinander verbunden. Daher besteht die Gefahr, dass der USB-Anschluss des Computers beschädigt wird, wenn Spannung von einem externen Netzteil an den Hub angelegt wird. Wenn Sie vorhaben, eine externe Stromversorgung an den gekauften Hub anzuschließen, müssen Sie das Hub-Gehäuse öffnen und den Leiter abschneiden, der von Pin 1 des Upstream-Port-Steckers (der mit dem Computer verbunden ist) kommt. Um den Hub im passiven Modus nutzen zu können, kann an dieser Stelle eine Diode eingelötet werden, ähnlich wie bei VD1 im Diagramm in Abb. 4. Es muss eine Schottky-Barriere (zur Reduzierung des Spannungsabfalls) und ein zulässiger Durchlassstrom von mindestens 1 A vorhanden sein. Gemäß der USB 2.0-Spezifikation muss das Anschlusskabel geschirmt sein. Beim Kauf eines Kabels kann es allerdings schwierig sein, festzustellen, ob es einen Bildschirm hat oder nicht. Der einzige Hinweis auf das Vorhandensein eines Bildschirms ist die Markierung „USB 2.0 High Speed“ auf dem Kabel. Ein indirektes Zeichen sind die rauschunterdrückenden Ferrit-„Laschen“ an seinen Enden. Allerdings sagen weder die Markierungen noch die Riegel etwas über die Qualität des Bildschirms aus. Bei einem guten Kabel sollte der Kabelbaum mit Folie umwickelt und ein geflochtener Kupferstrumpf darüber gelegt sein. Hersteller senken häufig die Produktionskosten, indem sie statt eines Vollschirms mehrere verkupferte Stahlkerne verwenden. Die Qualität der Abschirmung kann beurteilt werden, indem der Widerstand zwischen den Metallgehäusen der Steckverbinder an beiden Enden des Kabels gemessen wird. Liegt er nahe bei Null, ist das Kabel vollkupfergeschirmt. Ab einem Widerstand von 3...4 Ohm liegt zwar eine Abschirmung vor, diese besteht jedoch aus Stahldrähten. Dieses Kabel ist normalerweise dünner, aber die Verwendung in einer Umgebung mit elektromagnetischen Störungen kann zu Fehlfunktionen Ihres Computers führen. Zum Beispiel, wenn sich neben dem Kabel ein Mobiltelefon befindet oder in der Nähe ein Amateurfunkgerät arbeitet. Wenn der Widerstand zwischen den Steckergehäusen unendlich ist, bedeutet dies, dass das Kabel nicht abgeschirmt ist und für den Betrieb im High-Speed-Modus ungeeignet ist. Auf keinen Fall sollte der Steckerkörper mit einem seiner Pins verbunden sein. Eigenständiges Löten, Spleißen von Drähten, Abschirmen oder Austauschen von Steckern im Kabel ist nicht gestattet. Das zuverlässigste Auswahlkriterium ist der transparente Außenmantel des Kabels, durch den das hochwertige Schirmgeflecht deutlich sichtbar ist. Und wenn an beiden Enden Ferritriegel vorhanden sind, dann kann ein solches Kabel getrost als PRO eingestuft werden. Um das Gesagte zusammenzufassen, formuliere ich die Hauptkriterien für die Auswahl eines USB 2.0-Hubs für den Hochgeschwindigkeits-Informationsaustausch: - Es ist besser, einen Hub in einem Einzelhandelsgeschäft zu kaufen und im Voraus die Möglichkeit einer Rückgabe oder eines Umtauschs gegen ein anderes Modell zu vereinbaren.
Sollte Ihnen keines der verkauften Nabenmodelle zusagen, fertigen Sie es wie oben beschrieben selbst an. PCB-Datei im Format Sprint Layout 6.0: ftp://ftp.radio.ru/pub/2014/11/hub.zip Literatur
Autor: N. Khlyupin
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