Como escolher ou fazer um hub USB. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica

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Hoje, a interface USB é usada com mais frequência para conectar dispositivos periféricos a um computador. Mas, mais cedo ou mais tarde, o usuário descobre que todas as portas USB de seu computador estão ocupadas por mouse, teclado, câmera WEB e outros dispositivos, e não há lugar para conectar uma impressora recém-adquirida, sintonizador de TV, osciloscópio USB ou qualquer outra coisa. Como você conecta os 127 dispositivos prometidos pela especificação USB ao seu computador?

Para que mais de um dispositivo possa ser conectado a uma porta USB de um computador, são utilizados hubs (hub inglês - o cubo de uma roda no qual são inseridos todos os seus raios), também chamados de concentradores. O hub possui uma porta USB “upstream” que se conecta a um computador e várias portas USB “downstream” às quais dispositivos periféricos são conectados. A especificação USB permite o encadeamento de até cinco hubs.

Nas lojas que vendem periféricos de computador, a variedade de hubs USB é bastante grande - para todos os gostos, cores e bolsos. Parece que você pode escolher qualquer um, o design mais atraente, com o número necessário de portas e pelo preço mínimo. Afinal, um usuário inexperiente muitas vezes imagina um hub como algo como um dispositivo para conectar duas TVs a uma antena - dentro há um par de resistores ou um transformador em miniatura.

Porém, neste caso tudo é muito mais complicado. Fiquei convencido disso quando comprei dois hubs USB, um para a interface digital do transceptor e o segundo para conectar um disco rígido externo a um PC de mesa. O primeiro hub para quatro portas com o logotipo "DNS" foi adquirido em uma loja regular, o segundo - de um fabricante desconhecido para sete portas - foi encomendado em uma loja online estrangeira.

Experimentos de laboratório mostraram que ambos os hubs funcionam sem problemas com mouse, teclado, adaptador USB-COM e placa de som equipada com interface USB. No entanto, apenas o hub DNS funciona com um disco rígido externo e uma unidade FLASH. Ao conectar esses dispositivos através de um hub sem nome, o computador exibe a mensagem “Dispositivo USB não detectado”.

Experimentos adicionais com a interface digital do transceptor mostraram que o hub DNS funciona aqui sem problemas, mas o uso de um hub sem nome faz com que o computador congele toda vez que o transmissor é ligado. Ao conectar o adaptador USB-COM e uma placa de som externa ao computador diretamente sem hub, tudo funcionou sem problemas.

Esta situação me interessou. Decidi descobrir como esses dois hubs diferem. Por que um desempenha plenamente suas funções, enquanto o segundo, em princípio, funciona, mas nem sempre e nem com todos os dispositivos?

Qual foi minha surpresa quando, após abrir as caixas, descobri que ambos os hubs foram montados na mesma base de elemento e de acordo com circuitos absolutamente idênticos! Apenas o de sete portas possui dois chips controladores de hub USB idênticos instalados em série: a porta upstream do segundo controlador semelhante é conectada a uma das quatro portas downstream do primeiro controlador. Desativar o segundo controlador cortando os condutores do circuito impresso não mudou a situação. Para entender o motivo, tive que me familiarizar com os fundamentos do projeto e operação do barramento USB.

A primeira especificação USB 1.0 foi publicada no início de 1996 e, no outono de 1998, apareceu a especificação 1.1, eliminando os problemas encontrados na primeira edição. A especificação USB 1.1 define dois modos de transferência de informações: baixa velocidade (LS - baixa velocidade), operando em velocidades de até 1,5 Mbit/s e velocidade total (FS - Full-speed) com velocidade máxima de 12 Mbit/s. S.

Na primavera de 2000, a especificação USB 2.0 foi publicada, proporcionando um aumento de 40 vezes na largura de banda do barramento. Além dos dois modos de velocidade disponíveis anteriormente, um terceiro foi introduzido - HS (High-speed) de alta velocidade, capaz de operar em velocidades de até 480 Mbit/s.

Em 2008, surgiu um novo padrão - USB 3.0 (Super Speed), segundo o qual a velocidade de transferência foi aumentada para 5 Gbit/s. No entanto, para atingir tais velocidades, foi necessário alterar seriamente o design dos conectores e cabos, mas não foi possível alcançar a compatibilidade total com as versões anteriores. Esta interface é aconselhável para comunicação com discos rígidos de alta velocidade se forem necessárias transferências frequentes de arquivos grandes. Mas é sem dúvida o futuro.

Há um ponto sutil associado ao logotipo “USB 2.0”. Embora o throughput máximo desta interface seja de 480 Mbit/s, a especificação também inclui a possibilidade de sua operação nos modos LS e FS. Assim, a taxa de transferência de 480 Mbit/s só pode ser fornecida por dispositivos capazes de operar no modo HS.

Os desenvolvedores de USB recomendam usar o logotipo “USB 2.0” apenas para dispositivos HS, mas o mercado tem suas próprias leis e muitos fabricantes usam esse logotipo para dispositivos FS que, na verdade, atendem apenas à especificação USB 1.1. Ou seja, a inscrição na embalagem “USB 2.0” não significa nada. Os dispositivos que atendem totalmente a esta especificação devem ser rotulados como "USB 2.0 HI-SPEED" e indicar claramente a capacidade de 480 Mbps.

O sinal transmitido por uma linha de comunicação a uma velocidade de 480 Mbit/s é um pulso retangular, viajando a uma frequência de até 480 MHz. Qualquer pessoa com mais ou menos conhecimento em engenharia de rádio entende que para a transmissão sem distorções de pulsos retangulares dessa frequência, ao desenvolver uma placa de circuito impresso, é necessário atender rigorosamente aos requisitos de impedância característica das linhas de transmissão entre microcircuitos e conectores e seu constância ao longo de todo o comprimento da linha.

A impedância característica da linha de sinal diferencial de dois fios na placa deve ser de 90 ohms ± 10%. A linha deve ser simétrica e a distância entre ela e os demais condutores impressos na placa deve ser de pelo menos cinco vezes a distância entre os condutores da linha. Abaixo deles, na parte traseira da placa, deve haver uma camada contínua de papel alumínio - uma tela (fio comum). As seções da linha onde esses requisitos não são atendidos (por exemplo, abordagens para pinos de microcircuitos ou contatos de conectores) devem ter comprimento mínimo.

Erros típicos ao rastrear tais linhas de comunicação são mostrados na Fig. 1, onde 1 é a quebra de tela abaixo da linha; 2 - ramal do condutor da linha; 3 - não paralelismo de condutores e alteração do vão entre eles; 4 - condutor estranho próximo à linha.

Figura.1

E, claro, é necessário cumprir os requisitos habituais para a instalação de circuitos de alta frequência. Todos os condutores devem ter comprimento mínimo e os capacitores de bloqueio devem estar localizados o mais próximo possível dos pinos correspondentes dos microcircuitos.

Ao olhar as fotos das placas de circuito impresso dos hubs adquiridos, você pode ver que no hub DNS (Fig. 2) esses requisitos são mais ou menos atendidos. Os desenvolvedores do hub sem nome (Fig. 3) usaram nele uma placa de circuito impresso unilateral, portanto a impedância característica das linhas de comunicação é muito diferente do padrão de 90 Ohms e há uma alta sensibilidade à interferência eletromagnética.

Fig. 2

Fig. 3

Ambos os hubs usam os mesmos chips controladores de hub USB FE1.1. O site do fabricante jfd-ic.com, infelizmente, está disponível apenas em chinês. Um possível diagrama de conexão para este microcircuito é mostrado na Fig. 4. Difere do padrão pela ausência de indicadores LED de portas ativas e um chip de memória não volátil adicional. Mais detalhes sobre as características e funcionalidades do chip FE1.1s podem ser encontrados em [1] (em inglês).

Fig. 4

Para testar a suposição de que o baixo desempenho do hub é causado pela ignorância dos requisitos da especificação USB para a topologia PCB, desenvolvi minha própria versão da placa. Um desenho de condutores impressos em seu lado convencionalmente superior é mostrado na Fig. 5. A folha da parte inferior está totalmente preservada, com exceção dos furos escareados para os fios das peças que não estão conectadas ao fio comum. A localização das peças em ambos os lados da placa é mostrada na Fig. 6. Pedaços de fio estanhado, soldados em ambos os lados da placa, são inseridos nos orifícios de passagem (eles são mostrados preenchidos).

Fig. 5

Fig. 6

As dimensões geométricas das linhas de sinal para obtenção da impedância característica necessária foram calculadas utilizando o programa TX-LINE [2]. Ele é gratuito e está disponível para download após cadastro no site. O programa não requer instalação, trabalhar com ele é intuitivo.

Ao iniciar o programa e acessar a aba de linhas de microfita acopladas (linha MS acoplada), deve-se selecionar o material dos condutores da linha - cobre (cobre), inserir a constante dielétrica da fibra de vidro igual a 5,5, e as dimensões da linha . Com espessura de fibra de vidro de 1 mm, largura de condutores impressos de 0,7 mm, distância entre eles de 0,5 mm e espessura de folha de 0,02 mm, obtemos uma impedância de onda de cerca de 500 Ohms na frequência de 93 MHz.

Todos os elementos passivos destinados à montagem em superfície são de tamanho padrão 1206 ou 0805. Os capacitores de óxido C1, C3, C5, o ressonador de quartzo ZQ1 e o conector de alimentação externo XS5 são montados na lateral da folha sólida, os demais elementos são montados na lateral da folha impressa condutores.

Se o hub for usado apenas como passivo (todos os dispositivos conectados a ele receberão energia do computador), o diodo VD1 poderá ser substituído por um jumper. Ao conectar dispositivos que consomem mais de 500 mA ao hub, a energia do computador não será suficiente. Neste caso, o jumper deve ser removido e, sem instalar o diodo VD1, conectar uma fonte de tensão estabilizada de 5 V da potência necessária ao conector XS5.

Para operar o hub nos modos passivo e ativo sem soldagem, um diodo de barreira Schottky VD1 deve ser instalado nele. Isso impedirá que a tensão da fonte de alimentação externa entre na porta USB do computador.

A princípio, para diminuir a espessura da placa, todas as peças podem ser colocadas na lateral dos condutores impressos, mas sem a metalização dos furos isso dificulta a instalação. Se necessário, você pode alterar as dimensões da placa e a localização dos conectores USB ajustando levemente o padrão dos condutores impressos.

Removi o chip FE1.1 do meu hub de sete portas, mas ele também pode ser adquirido separadamente na Internet. Este é um dos poucos controladores de hub USB produzidos no pacote SSOP-28 com passo de pino de 0,64 mm. Uma placa para tal caso pode ser facilmente feita transferindo termicamente um desenho para uma folha.

Testando o hub fabricado, descobri que a influência da radiação eletromagnética havia desaparecido completamente, duas de suas quatro portas funcionam muito bem com um pen drive e um disco rígido USB, mas as outras duas só funcionam com mouse.

Tive que remover o segundo controlador do hub de sete portas e substituí-lo pelo primeiro em uma placa caseira. Agora, três dos quatro portos estão totalmente operacionais. Além disso, a porta que funcionava sem problemas com o primeiro controlador parou de funcionar no modo HS.

A documentação do chip FE1.1 diz que todas as suas cópias passam por inspeção final após a fabricação. Obviamente, cópias defeituosas não são enviadas para o lixo, mas para fabricantes anônimos. Ou o controlador possui algumas opções de design não documentadas. De uma forma ou de outra, a opção com três portas USB 2.0 completas me convinha.

Observe que quase todos os hubs baratos com conector para conectar uma fonte de alimentação externa não possuem nenhum isolamento entre os circuitos de alimentação externo e interno. Os contatos de potência de todos os conectores são simplesmente conectados entre si. Como resultado, existe a possibilidade de danificar a porta USB do computador aplicando-lhe tensão de uma fonte de alimentação externa conectada ao hub.

Se você planeja conectar uma fonte de alimentação externa ao hub adquirido, será necessário abrir a caixa do hub e cortar o condutor que vem do pino 1 do conector da porta upstream (aquele que está conectado ao computador). Para manter a capacidade de usar o hub no modo passivo, um diodo pode ser soldado neste local, semelhante ao VD1 no diagrama da Fig. 4. Deve ser com barreira Schottky (para reduzir queda de tensão) e com corrente direta permitida de pelo menos 1 A.

De acordo com a especificação USB 2.0, o cabo de conexão deve ser blindado. Ao comprar um cabo, entretanto, pode ser difícil determinar se ele possui tela ou não. A única coisa que pode indicar a presença de tela é a marcação “USB 2.0 High Speed” no cabo. Um sinal indireto são as “travas” de ferrite supressoras de ruído em suas extremidades.

No entanto, nem as marcações nem as travas dizem nada sobre a qualidade da tela. Um bom cabo deve ter uma folha enrolada em volta do chicote de fios, com uma "meia" de cobre trançada colocada sobre ele. Os fabricantes muitas vezes reduzem o custo de produção usando vários núcleos de aço revestidos de cobre em vez de uma tela inteira.

A qualidade da blindagem pode ser avaliada medindo a resistência entre os invólucros metálicos dos conectores em ambas as extremidades do cabo. Se estiver próximo de zero, o cabo possui uma blindagem totalmente de cobre. Se a resistência for 3...4 Ohms ou mais, existe uma tela, mas ela é feita de fios de aço. Esse cabo geralmente é mais fino, mas usá-lo em um ambiente com interferência eletromagnética pode causar mau funcionamento do computador. Por exemplo, quando há um telefone celular próximo ao cabo ou um transceptor amador está funcionando nas proximidades.

Se a resistência entre as carcaças dos conectores for infinita, significa que o cabo não está blindado e não é adequado para operação no modo Alta Velocidade. Em qualquer caso, o corpo do conector não deve ser conectado a nenhum dos seus pinos. Não é permitida nenhuma soldagem independente, emenda de fios, blindagem ou substituição de conectores no cabo.

O critério de seleção mais confiável é a bainha externa transparente do cabo, através da qual a trança de blindagem de alta qualidade é claramente visível. E se houver travas de ferrite em ambas as extremidades, esse cabo poderá ser classificado com segurança como PRO.

Para resumir o que foi dito, formularei os principais critérios para a escolha de um hub USB 2.0 para troca de informações em alta velocidade:

- é preferível adquirir o hub em loja de varejo, estipulando antecipadamente a possibilidade de devolução ou troca por outro modelo;
- a embalagem e o invólucro do hub devem ostentar o logotipo “USB 2.0 High Speed” e uma indicação clara da capacidade de operar a uma velocidade de 480 Mbit/s;
- imediatamente após a compra (e, se possível, antes dela), você deve verificar o funcionamento de todas as portas do hub com um dispositivo de alta velocidade, por exemplo, um pen drive USB 2.0;
- se você planeja usar cabos de conexão para conectar dispositivos a um hub ou um hub a um computador, é melhor dar preferência aos hubs em que todos os conectores estão montados na placa, já que as “caudas” salientes com conectores quase certamente não têm telas. Como resultado, uma extremidade da blindagem do cabo não será conectada em nenhum lugar, o que pode levar a falhas ao operar no modo Alta Velocidade;
- se você planeja usar um hub com fonte de alimentação externa, esteja preparado para o fato de que o hub precisará ser modificado conforme descrito acima;
- não há proteção contra sobrecarga em hubs baratos, não importa o que esteja escrito na embalagem. Presume-se que esteja disponível nas portas USB do computador. Um hub completo com proteção contra sobrecarga é uma categoria de preço completamente diferente;
- Compre um cabo blindado de alta qualidade com a inscrição "Alta velocidade", se possível com uma bainha externa transparente.

Se nenhum dos modelos de hub vendidos for adequado para você, faça você mesmo conforme descrito acima.

Arquivo PCB no formato Sprint Layout 6.0: ftp://ftp.radio.ru/pub/2014/11/hub.zip

Literatura

1. Controlador de hub de 1.1 portas FE2.0s USB 4 de alta velocidade. - URL: jfd-ic.com/Documents/FEI.1 s%2oData%20Sheet%20(Rev.%201.0).pdf.
2. TX-LINE: Calculadora de Linha de Transmissão. - URL: awrcorp.com/products/optional-products/tx-line-transmission-line-calculator.

Autor: N. Khlyupin

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