USB-Lab. Подключение аппаратуры

Статья из цикла питание и заряд. Автор — Kargal.
Скачать PDF

---

Организация USB-лаборатории предполагает комплект контрольно-измерительной аппаратуры, подключаемой к ПК с помощью USB-интерфейса. В него может входить осциллограф, генератор, программатор, логгер, блок электронной нагрузки, микроскоп, внешний накопитель и т.д. Такого рода оборудование, приобретаемое, как правило, под эгидой бюджетности, разрабатывается для «тепличных» условий (подключение к ПК приборов, гальванически не связанных с другими устройствами или просто в единственном экземпляре) и не обладает достаточной способностью корректной работы «в коллективе».

Проблемы подключения к ПК

Приборы с внутренним USB-интерфейсом, мало того, что обычно не имеют изолятора линии, так ещё и запитываются от USB-порта. Наблюдались случаи, когда USB-осциллограф (INSTRUSTAR ISDS210B) периодически порывался «урвать» по питанию более 500 mA, что приводило к просаживанию напряжения и сбоям связи. А импульсные наводки, в том числе и межземельные токи, от блоков питания обследуемой аппаратуры не только провоцируют сбои, но и приводят к отключению USB-порта ПК или даже выгоранию интерфейса.

Приборы с RS232-TTL интерфейсом для подключения к ПК обеспечиваются простеньким (без опто-изоляции) кабелем-адаптером USB/RS232-TTL. Они обычно имеют свой внешний AC/DC блок питания (импульсный, и тоже дешёвенький), самостоятельно обеспечивающий систему наводками. Кроме того такие приборы иногда не стесняются подключать линию GND канала связи к какому-нибудь внутреннему потенциалу и тогда межземельные токи по мощности достаточны для выжигания интерфейса. Вот так, например, выглядит плата отказавшего штатного USB/RS232-TTL адаптера (Prolific PL2303 USB-to-Serial) блока электронной нагрузки EBC-A05 после «удачного» подключения к обследуемому мощному AC/DC источнику питания↓

Есть ещё одно неудобство – для больших систем требуется большое количество USB-портов. Даже если у используемого ПК они есть, то сколько качественных и насколько длинных кабелей-удлинителей потребуется… А если желательно использовать ноутбук?

Структура системы

На рисунке приведена примерная схема реализованной системы. Приведённый набор подключенных устройств условен, наиболее постоянные «жители» – осциллограф и электронная нагрузка.

Наибольшее внимание в схеме уделено дорабатываемому устройству – хабу-концентратору Konoos UK-26 (в китайском «девичестве» – «4-ports USB 2.0 High Speed Hub»).

Задача доработки – обеспечение максимальной надёжности и помехозащищённости. Основная цель – обеспечить защиту от наводок и уравнительных токов, приводящих к сбоям связи и даже к авариям.

В том числе, в порядке эксперимента, на линии данных порта осциллографа установлены быстрые 5V-стабилитроны (U1), предназначенные для защиты именно USB-цепей. (Как они в плане защиты сразу непонятно, но на сигналы в линиях влияют – после их установки для восстановления связи хиленький USB-кабель от хаба к осциллографу пришлось заменить на добротный.)

Внешний хаб-концентратор USB 2.0

Для подключения аппаратуры к ПК привлекательным выглядит использование внешнего хаба-концентратора (USB 2.0, 480Mbps). Размещённый рядом с аппаратурой, он позволяет с помощью единственного USB-кабеля подключить систему из 4÷7 приборов к ПК, удалённому на 1÷3 метра. Типично хабы имеют встроенную косу с разъёмом USB-AM или, иногда, встроенное гнездо mini-USB для подключения к ПК и разъём ввода внешнего питания (обычно – ⌀3,45/1,35 мм).

Особенности вариантов (для измерительной системы):

• Штатный USB-кабель хаба и кабель-удлинитель подключения к ПК обязательно должны иметь экран-оплётку (ProtectGND), надёжно соединяющую корпуса концевых USB-разъёмов (сопротивление должно не превышать 0.2 Ω) и не соединённую с сигнальной «землёй» USB-GND.Неплохо проявили себя кабели-удлинители с маркировкой «SHIELDED 28AWG/1P+24AWG/2C» на самом кабеле. Правда, доступные кабели в основном китайского производства, с оплёткой выполненной из алюминия и контактирующей с корпусами разъёмов только прижатием оплётки к корпусу разъёма пластиковым кожухом (без пайки). При проверке сопротивления оплётки следует убедиться в надёжности этого контакта – при измерении подвергнуть «хвосты» разъёмов изгибающим усилиям, провоцирующим возможную потерю контакта.
• В самом хабе к ProtectGND должны быть присоединены корпуса разъёмов для подключаемой аппаратуры (и вынужденно допускается соединение с сигнальной «землёй»).
• Хаб-концентратор должен иметь возможность подключения внешнего источника для питания аппаратуры (разъём питания). В качестве внешнего источника вполне пригодны, например, сетевые зарядные устройства (СЗУ) мобильных гаджетов.
• Интересными выглядят хабы с возможностью индивидуального отключения питания на разъёмах подключения аппаратуры. Это позволяют легко изменять конфигурацию системы под сиюминутные нужды.
• Конструктивно более удобны хабы с «поперечным» размещением USB-разъёмов, позволяющие беспроблемно подключать широкие модули USB/RS232-TTL адаптеров и USB-изоляторов. (А если разъёмы размещены с бóльшим шагом, то помещаются ещё и «толстые» модули). У хабов с «продольными» разъёмами шаг их размещения обычно меньше ширины плат этих модулей, и теснота негативно влияет на надёжность подключения.
• Хабы со встроенным разъёмом подключения к ПК типа mini-USBf вызывают недоверие к ним ввиду недостаточной надёжности разъёмов USB mini- и micro-форматов.

На рынке присутствует множество примерно-пригодных хабов-концентраторов, но полностью соответствующих приведённым «заповедям», похоже, нет. Придётся заниматься «допилингом».

Сам я приобрёл (до того, как полностью проникся, но зато быстро и в ближайшем магазине) 4х-портовый хаб Konoos UK-26, имеющий индивидуальные выключатели питания. (На китайском рынке встречается множество его аналогов, то ли прародителей, то ли со-клонов.)

Корпус легко вскрывается. Обнаружилось, что коса к ПК неэкранированная, (не реализуется заземление ProtectGND) и кабель пришлось заменить. Заодно из корпуса голой медной плетёнкой (медь видна на фото) дополнительно выведена ProtectGND для обеспечения возможности прямого подключения заземления, что может оказаться актуальным при использовании ноутбука.

На фото ▼ представлен внешний вид готового «агрегата» в конфигурации для работы с десктопом.

#) Неудобным оказалось продольное размещение USB-разъёмов – широкие платы адаптеров явно конфликтуют с соседями. На фото в канале №2 USB-изолятор (ADUM1360) и USB/RS232-TTL адаптер CH340G.

 

Дополнительное питание

Внешнее подаётся на разъём питания (X1), причём «+5V» подаётся непосредственно на шину питания периферийных USB-разъёмов. Линия «-5V» подключена одновременно (к сожалению) к контактам GND и корпусам периферийных USB-разъёмов.

Микросхема хаба (FE1.1s) запитывается непосредственно от USB-разъёма (кабеля) подключения к хост-порту компьютера. Эта же линия через замешивающий диод шоттки подключена к контактам «+5V» периферийных USB-разъёмов, что позволяет использование маломощной периферии без дополнительного внешнего питания хаба.

Неплохо подошло СЗУ типа YGY-053000 ▼, номинирующееся на DC 5V/3A (реально 5.2V), и со встроенным кабелем 20AWG (1 м), но оканчивающимся неподходящим разъёмом (DC ⌀2.5/⌀0.7 мм), который пришлось заменить на DC ⌀3,45/1,35 мм. Нагрузочная характеристика (напряжение на разъёмах подключения приборов) представлена на рисунке красным цветом. Точка перехвата тока портом ПК отмечена ромбиком – 4.8V/1.45A. К сожалению, оказалось, что штатный кабель имеет суммарное сопротивление ~260 mΩ (что больше соответствует 24AWG) и внешнее питание полноценно происходит только до тока ~1 A.

Другой вариант – использование СЗУ с «компенсацией падения напряжения на кабеле». Например, номинированное на 2 ампера «стройненькое» СЗУ типа ETA-U90EWE (именно с тремя USB-разъёмами), имея исходно 5.15V без нагрузки, поднимает напряжение до 5.36V при нагрузке 1A и до 5.47V при нагрузке 2.1A (собственная нагрузочная характеристика СЗУ представлена коричневой штриховой). (Правда в этом СЗУ «компенсация» происходит нелегально, в основном за счёт температурной зависимости Uвых – TCU=~+6mV/°C, но перегрев примерно пропорционален потребляемому току). В таком комплекте полноценное внешнее питание происходит до тока 2÷2.2A без перехвата тока портом ПК (при использовании качественного кабеля 20AWG/0,5 мм² не гипертрофированной длины).

Дополнительная возможность повышения эффективности внешнего питания – повышение напряжения источника питания до 5.4÷5.45 V для компенсации падения напряжения на кабеле (практически все подключаемые периферийные устройства имеют рабочий диапазон питания до 5.5V, а микросхема хаба питается от порта компьютера).

Обеспечение безопасности (помехозащищенности)

Основную неприятность представляют межземельные токи, возникающие при выравнивании потенциалов «земель» (GND) всех приборов, соединяемых в систему. Если принять за «базовую землю» (BaseGND) металлический корпус десктопа, автоматически подключаемый к «нейтрали» питающей сети стандартным кабелем, то оказывается, что на землях других устройств (на линиях GND интерфейсов связи) имеются напряжения относительно BaseGND, даже если эти устройства питаются от той же сети. Причины возникновения этих напряжений (наводок) могут быть разными:

• Паразитная связь внутренних цепей устройств с линиями сети (емкостная и индуктивная) – обеспечивает наводки промышленной частоты, импульсные наводки от пусковых токов рядом расположенных устройств и высокочастотные наводки от сетевых ШИМ-преобразователей питания устройств, в том числе и входящих в организуемую контрольно-измерительную систему.
• Падение напряжения (в основном импульсного и высокочастотного) на индивидуальных штатных линиях заземления устройств, входящих в систему.
• Разряды статического электричества на корпуса устройств (в том числе и ноутбуков) или соединительные кабели.

 

При агрегатировании приборов в систему линиями связи без гальванической развязки эти потенциалы обязательно выравниваются возникающими межземельными токами, величина которых может оказаться очень заметной. Вопрос в том, каким путем эти токи проходят. Например, при подключении к USB-порту десктопа уравнительные токи текут по сигнальной GND USB-интерфейса, поступают на материнскую плату ПК и добираются до реального заземления (ProtectGND) по печатным проводникам материнки. (Такой расклад, как правило, гарантирован при подключении к разъёмам на передней панели ПК).

Эти токи (особенно импульсные и высокочастотные) могут оказаться достаточной величины, чтобы заметно «растащить» потенциалы разных концов печатного GND-проводника материнки до величины допустимого обратного смещения логических входов (или даже порогов) и породить если не аварию, то по крайней мере сбой.

Правильное заземление

Основной мерой «предохранения» является создание для этих токов эффективных путей обхода сигнальных линий – подключение к USB-порту ПК только надёжным кабелем с заземляющей оплёткой, а для десктопа – только к разъёмам с заземлённым корпусом (на задней металлической стенке корпуса).

К сожалению, в Konoos UK-26 SignalGND и ProtectGND выполнены за одно целое и полезно перераспределить уравнительные токи полностью невозможно.

USB-изолятор

Второй, более надежный (но и более дорогой) вариант – оборудование всех (или только самых «важных») каналов связи модулями гальванической развязки. Наиболее универсальным является присутствующий на рынке «1ch USB-изолятор» ($16÷20 min) на основе ADUM1360 (1.5kV) или, подороже, ADUM1460 (3kV) фирмы ADI. Модуль питается от hostUSB-порта, имеет встроенный DC/DC-преобразователь (B0505S-1W/MORNSUN, защита от КЗ – до 1 сек) для питания изолированной части и подключаемого устройства ограниченной мощности (до 200 mA суммарно). При подключении более мощного клиента (USB-осциллограф, винчестер) необходимо на «изолированной» стороне организовать для него отдельное изолированное же внешнее питание (например, СЗУ подходящей мощности).

Для приборов с интерфейсом RS232-TTL теоретически возможности гораздо шире. Существует множество компонентов для USB/RS232-TTL адаптеров и TTL-изоляторов. Вполне реально, например, самостоятельно создать композицию на основе CP2102 и Si8442 фирмы SiLabs – что-нибудь вроде решения, представленного на рисунке (и зарекомендовавшего себя 10-летним опытом эксплуатации):

R11 – 560÷750-вольтовый варистор (защита Si8442 от статики);

RL1, RL2 – высокочастотные (материал «Y») импедеры от TDK, уменьшающие «звоны» на линиях данных (можно закоротить);

Z1 – быстрые 5.6V-стабилитроны защиты (можно не ставить).

Питание «изолированной» части Si8442 (Vdd-isol) можно взять из подключаемого прибора (если есть) или добавить в схему DC/DC-преобразователь (тот же B0505S или B0503S).

USB/RS232-TTL адаптеры

Из наличия на рынке подобрать что-либо полностью готовое, с изоляцией и приемлемое (и до привлекательности дешёвое) не удалось. Встречается множество готовых модулей неизолированных USB/RS232-TTL адаптеров на основе WCH CH340G, SiLabs CP2102, Prolific PL2303 и FTDI FT232RL.

#) Цоколёвки штыревых разъёмов модулей USB/RS232-TTL адаптеров разных типов несовместимы. Для каждого придётся изготавливать свой кабель.

Но маленького и простенького модуля TTL-изолятора не встречается. (В основном предлагаются огромные и недешёвые RS232-изоляторы, с разъёмами DB9 и непонятным уровнем сигнала, а у штатного RS232 – ±8÷15V). 

Пришлось вернуться к идее спарки модуля USB-изолятор с модулем USB/RS232-TTL.

По универсальности наиболее привлекателен 6-штырьковый «STC USB 2.0 to TTL UART модуль» на основе CP2102. Кроме минимально-приличного набора сигналов на штыревом разъёме (RXD, TXD, DTR), на плате имеются 8 контактов-отверстий для подключения всех остальных COM-порт сигналов.

Аналогичный ему по функциям FTDI FT232RL имеет смущающий ненадежностью разъём типа miniUSB-Bf и не сопрягается с хабом без дополнительного кабеля.

Другие типы модулей имеют ограниченный набор доступных сигналов, но с распространёнными простенькими требованиями (9.6 kBaud, RXD, TXD) вполне справляются.

Лично мне понравился модуль на основе CH340G (имеет только RXD, TXD). С драйвером версии 3.4.2014.08 никаких проблем с подключением не возникло (Windows7, 64k).

На плате есть три светодиода, индицирующие наличие питания (красный) и прохождение информационных посылок (два зеленых, каждый для своего направления), что иногда помогает предотвратить недоумение.

Особая прелесть CH340G заключается в том, что, подключенная через внешний хаб комбинация USB-изолятор(ADUM1360)/CH340G при выключении-включении ее питания индивидуальным тумблером хаба не теряется COM-порт (при потере usbview видит «Uknown Device» Vid_0000&Pid_0000, в Диспетчере Устройств теряется соответствующий COM-порт и появляется тоже «Uknown Device» в разделе «Контроллеры USB» с причитанием «Это устройство было остановлено, поскольку оно сообщило о возникновении неполадок. (Код 43)»). А модуль-адаптер на основе PL2303 и CP2102 приходилось после включения питания вытаскивать из модуля-изолятора и снова его вставлять.

(Я даже приспосабливал спец-модуль отключения питания для облегчения ручного доступа для этой операции при использовании PL2303 и CP2102 – 2 разъёма и тумблер между ними в разрыве шины +5V) ▼

Народные приметы

• Источник дополнительного питания должен уметь быстро реагировать на изменение (увеличение) тока нагрузки. Например, USB-диск Seagate 9SD2A2-500 (Portable Hard Drive 2.5″, 250GB) при старте рывком потребляет до 0.8A и, если блок питания за ним не успевает, то напряжение просаживается, диск не стартует, не определяется системой и, соответственно, не подключается. (Остальные «члены коллектива» тоже нервничают.) Такое проявилось при использовании СЗУ типа YGY-053000 при нулевом начальном токе. Если же при подключении USB-диска блок питания был уже нагружен по другим каналам хаба (до ~0.5A), то диск определяется и подключается. Кстати, Seagate 9SD2A2-500 в такой конфигурации свои 30MB/s честно отрабатывает (на длинных файлах).
• Для работы с ардуино 6-ножечный CH340G-адаптер возможно и не подойдет (уж без доработки – заведомо), легкодоступного контакта выхода DTR, используемого для сброса у него нет, а добраться до выхода микросхемы (pin8) – не просто. Удобнее воспользоваться модулем CP2102-адаптера, у которого во всех 6-ножечных вариантах DTR выводится на один из штырей разъёма (существуют ещё 5-ножечные варианты, без DTR). Или, на худой конец, адаптером на основе FTDI FT232RL.
• Изолированный DC/DC модуль питания B0505S-1W удобно использовать для гальванической развязки индивидуального питания панельных амперметров, у которых обычно токоизмерительный шунт встроен в отрицательную шину, что не позволяет их использовать в многоканальных источниках питания с общей землей. (Ещё лучше для этой цели подошли бы двухканальный D0505S-1W и четырехканальный J0505N-1W с раздельными каналами, но они почему-то не встречаются на рынке).

 

#) Модуль B0505S-1W, в отличие от B0505S-1WR2, имеет только кратковременную (до 1 сек) защиту от короткого замыкания и требует «деликатного обхождения». При попытке нагрузить его током Iнагр=~0.7A (напряжение просело до ~1.7V) преобразователь благополучно вышел из строя.

Ссылки

http://www.aliexpress.com/snapshot/298213567.html – YGY-053000 СЗУ 3.0A;
http://www.aliexpress.com/snapshot/7246231931.html – 3xUSB ETA-U9EWE СЗУ 2.0A;
http://www.aliexpress.com/snapshot/7560852969.html – usb to usb isolator ADUM3160 module;
http://www.aliexpress.com/snapshot/7764511072.html – B0505S-1W, изолированный DC5V/DC5V модуль питания;
— CP2102 USB 2.0 To TTL UART Module 6 Pin Serial Converter STC Replace FT232
— Upgrade PL2303HX USB to RS232 TTL Chip Converter Adapter Module Board
— FT232 USB UART Board Type A FT232RL to RS232 TTL Serial Module Kit
http://www.aliexpress.com/snapshot/7157471302.html – WCH CH340G, USB/RS232-TTL адаптер;
http://www.aliexpress.com/snapshot/7764511064.html – SiLabs CP2102, USB/RS232-TTL адаптер;
http://www.aliexpress.com/snapshot/7157471298.html – Prolific PL2303, USB/RS232-TTL адаптер с кабелем (корпус USB-разъёма легко вскрывается);

---