USB (Universal Serial Bus) – це універсальний послідовний інтерфейс, що дозволяє підключати до компютера різноманітні периферійні пристрої і одночасно забезпечувати їх харчуванням +5 В Інтерфейс USB в побуті часто називають «шиною», але це тавтологія, оскільки слово «Bus» перекладається з технічної англійської мови як «шина»

Днем народження USB вважати 15 січня 1996 р, коли вийшла у світ перша специфікація параметрів USB-10 Ініціювали створення інтерефейса фірми Compaq Computer, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC, Nortel Відомо кілька специфікацій USB, але для MK загального призначення з них годяться тільки USB-11 і USB-20 (Табл 44)

Таблиця 44 Хронологія специфікацій інтерфейсу USB

Специфікація

Рік

Швидкість

[Мбіт / с]

Особливості, зміни

USB-10

1996

15 12

Початкова версія

USB-11

1998

15 12

Виправлені неточності початковій версії

USB-20

2000

15 12 480

Збільшена швидкість, додані розєми miniUSB

Wireless USB

2005

110 480

Бездротовий USB на відстані 3 .. 10 м

USB-30

2009

4800

Збільшена швидкість і струм живлення, змінений розєм

Чому ж інтерфейс USB витісняє з компютерів звичні СОМ-і LPT-порти, переводячи їх у розряд «legacy» (застарілі) Причин декілька:

• підвищена в 10 .. 1000 разів швидкість передачі даних

• поліпшена перешкодозахищеність (диференціальні сигнали)

• простота організації харчування та можливість «гарячого» підключення

• висока достовірність, зважаючи апаратного виправлення помилок

• можливість розгалуження сигналів від одного розєму через хаби

Недоліки USB: відносно малий радіус дії 18 .. 5 м (без хабів), необхідність установки специфічних драйверів в операційній системі, складність програмування, особливо, для непідготовлених користувачів

Розєми USB-11 і USB-20 бувають двох типів «А» і «В» (Мал 414, a .. r), Тип «А» позначає приналежність до ведучого пристрою (компютер, хаб), тип «В» – до веденого пристрою (MK, принтер, «миша», модем) У саморобних конструкціях, як правило, використовуються розєми «Standard-А», «Standard-В»

Рис 414 Зовнішній вигляд USB-розємів: а) «Standard» у компютері б) «Standard» у віддаленому пристрої в) miniUSB г) microUSB

Призначення контактів розємів USB-11, USB-20 показано в Табл 45 Тут враховано існування мініатюрних пятіконтактний (5-pin) розємів miniUSB і microUSB, застосовуваних, зокрема, в мобільнихтелефонах

Таблиця 45 Розкладка сигналів інтерфейсу USB

4-pin

5-pin

Ланцюг

Розшифровка

Функція

Колір дроту

1

1

VBus

VCC Bus

Харчування +5 В

Червоний

2

2

D-

Data-

Дані «-»

Білий

3

3

D+

Data+

Дані «+»

Зелений

4

5

GND

Ground

Загальний

Чорний

4

(CS)

Chip Select

Для OTG

Електричні параметри і функціональне призначення всіх ланцюгів однаково незалежно від типу розєму Стандартна довжина USB-кабелів: «А-А» -15 30 50 м, «А-В» – 05 10 18 30 50 м Розєми витримують струм 1 .. 15 А, ємність між контактами становить 2 пФ, опір контактів 30 .. 50 мОм

Ланцюг «VBus» згідно стандарту розрахована на струм не більше 100 мА Програмно його можна підвищити до 500 мА, якщо апаратна частина дозволяє це зробити На практиці в багатьох материнських платах ланцюг «VBus» зєднується безпосередньо з блоком живлення +5 В компютера Тому треба дотримуватися обережності, щоб не сталося коротке замикання на загальний провід В іншому випадку спрацює захист і компютер аварійно вимкнеться, що не зберігши інформацію

Розрізняють режими з низькою LS (Low Speed, до 15 Мбіт / с) і повною FS (Fast Speed, до 12 Мбіт / с) швидкістю передачі даних Кожен з режимів має свої схемотехнічні та програмні особливості (Мал 415, a..y)

Рис 415 Схеми підключення компютера через інтерфейс USB до MK (початок):

а) резистор R1 служить розпізнавальним знаком для компютера, що віддалене пристрій (у цьому випадку MK) працює в низкоскоростном LS-режимі Елементи VD1, VD2, R2, R3 огрічівают амплітуду сигналів від MK в компютер до рівня +33 .. +36 В Бажано застосувати стабілітрони VD1, VD2 з низькою ємністю, тобто в скляному корпусі або SMD

б) MK отримує харчування +5 В від компютера через розєм XS1 і фільтр L1, C7, C2 Дільник R1, R2 еквівалентний розпізнавальних резистору R1, що на Рис 415, а Напруга в середній точці дільника близько до +33 В, отже компютер налаштовується в режим з низькою швидкості обміну даними LS Резистор & 2может відсутнім, що перевіряється експериментально для кожної конкретної материнської плати компютера

в) особливість схеми – низьковольтне живлення MK Конденсатори С /, С2устраняют «дзвін» на фронтах сигналів Резистор R2 не обовязковий Його ставлять до харчування або до GND, щоб вхід MK «не висів у повітрі», якщо передбачається робота при відключеному USB-кабелі

г) аналогічно Ріс415, б, але з одним розпізнавальним резистором R3, який підключається до ланцюга «VBus» компютера Харчування MK може відрізнятися від стандартних +5 В

д) аналогічно Рис 415, б, але з одним розпізнавальним резистором R3, який фізично підключається до джерела живлення +5 В при високому рівні на вихідний лінії MK Гідність – можливість програмного відключення пристрою від USB, для чого на виході MK треба встановити НИЗЬКИЙ рівень

е) спеціалізований MK з вбудованим інтерфейсом USB-20, наприклад, з серії PIC18Fxx5x Конденсатор C1 шунтирует вузол внутрішнього ІОН по високій частоті Розпізнавальні резистори знаходяться всередині MK Швидкість обміну LS або FS задається програмно

ж) спеціалізований MK має вбудований апаратний інтерфейс USB-20 Напруга на виведення KREF вузла ІОН становить +33 В Це дозволяє підключити до нього розпізнавальний резистор R3, який розцінюється компютером як знак того, що віддалене пристрій (у цьому випадку MK) готове працювати в високошвидкісному FS-режимі Дросель L1 усуває високочастотні перешкоди, що генеруються від MK в лінію «VBus» і випромінюються через дроти зєднувального кабелю Конденсатори С /, C2 згладжують «дзвін» на фронтах сигналів

з) захист інформаційних ланцюгів інтерфейсу USB складанням сапрессоров DA1 (фірма Texas Instruments), які витримують імпульси струму 3 .. 9 А

і) два способи зменшення ВЧ-випромінювань – введення дроселів L1, L2 і екранування розєму XS1 Рекомендовані парамери дроселів: постійний струм не менше 05 А, опір 220 .. 600 Ом на частоті 100 МГц Іноді ставлять дроселі спрощеної конструкції, наприклад, у вигляді дроту, пропущеного через феритову трубку («Koralik»), або ж намотують кілька витків дроту ПЕВ-02 на ферритові кільце відповідного діаметру

к) MK отримує харчування від розєму USB через стабілізатор DA1 Решті вузлам пристрої доступні на вибір два напруги: +33 В або +5 В, при цьому сумарна навантаження по струму не повинна перевищувати 01 А Замість DA1 можна поставити два послідовних діода 1 N4148

л) захист вхідних ланцюгів інтерфейсу XS1 самовідновлюватися запобіжником FU1 і поверхнево-вмонтовуваними варисторами RUl .. RU3 \

м) запобіжник FU1 може бути звичайним або Polyswitch П-подібний LC-фільтр на елементах L /, C1 .. C3сніжает перешкоди з харчування від MK до компютера і від компютера до MK

Рис 415 Схеми підключення компютера через інтерфейс USB до MK (продовження):

н) фільтрація напруги харчування проводиться елементами C1 .. C4, R1 \ о) світлодіод HL1 виконує дві функції По-перше, индицирует робочий стан MK, по-друге, знижує його напруга живлення з +5 до +33 В

п) «підсилювач USB-струму» Розєм XI вхідний, X2 – вихідний Спочатку MK перевіряє наявність напруги на дільнику R1, & 2вцепі «VBus» розєму XI Якщо воно є, то МК відкривають транзистор VT1 і подає живлення від потужного джерела +5 В в ланцюг «VBus» розєму X2 \ p) резистор R1 підключається до ланцюга «D +» при низькому рівні на виході MK, при цьому починає світитися індикатор HL1 (нормальна робота в LS-режимі) ВИСОКИМ рівнем на виході МК звязок по USB переривається, світлодіод HL1 гасне

з) особливості – інший тип DA1 з іншого цоколевкой висновків, світлодіоди HL1, НЬ2цдя індикації прийому / передачі, місцевий (SB1) і віддалений (VT1) скидання MK

т) конвертор USB-UART на мікросхемі DA1 фірми FTDI Програмно формований сигнал низького рівня виведенні RTS # віддалено скидає MK через діод VD1

у) конвертор USB-UART на мікросхемі DA1 фірми Silicon Laboratories MK отримує харчування +3 В від внутрішнього стабілізатора мікросхеми DA1

Джерело: Рюмік, С М, 1000 і одна мікроконтролерна схема Вип 2 / С М Рюмік – М: ЛР Додека-ХХ1, 2011 – 400 с: Ил + CD – (Серія «Програмовані системи»)