Zaloguj
- Płytka o wymiarach 103×62 mm
- Zasilanie z portu USB Hosta
- Interfejs USB kompatybilny z USB 1.1, USB 2.0
- Liczba portów USB: 4
- Tryby pracy: Full-Speed, Low-Speed oraz High-Speed
- Automatyczne wykrywanie zwarcia obwodów zasilających porty USB
- Optyczna sygnalizacja stanu portów USB
- Systemy operacyjne: Windows XP, Vista
Pierwsze urządzenia z interfejsem USB mogły się komunikować z prędkością 1,5 Mb/s lub 12 Mb/s (USB 1.1 Full Speed). Wraz z rozpowszechnieniem się standardu USB, wprowadzono USB 2.0 (Hi-Speed), w którym urządzenia mogą się komunikować z prędkością do 480 Mb/s. Aktualnie jest już zapowiadany standard USB 3.0 (SuperSpeed), w którym urządzenia będą mogły się komunikować z prędkością aż do 4,8 Gb/s. Duża liczba urządzeń z interfejsem USB stwarza zapotrzebowanie na huby USB, które umożliwiają powielenie liczby dostępnych portów USB w komputerze, których z wyżej wymienionego powodu może być zbyt mało. W artykule jest przedstawiony 4-portowy Hub USB zgodny ze specyfikacją 2.0, czyli umożliwiający komunikację urządzeń z prędkością do 480 Mb/s. Proponowany hub jest zgodny ze starszym interfejsem USB 1.1 i jest zasilany z portu USB Hosta (jest to hub pasywny), dlatego też jego porty nie powinny być obciążane dużym prądem.
Kontroler CY7C65640
Hubem USB steruje kontroler CY7C65640 firmy Cypress. Kontroler ten jest bardzo wydajną jednostką, zawierającą niezbędną logikę do komunikowania się z hostem (komputerem). Na rys. 1 przedstawiono schemat blokowy kontrolera CY7C65640. Widoczny tu blok Transaction Translator, dostępny dla każdego z portów USB, umożliwia konwersję danych z niższej prędkości na wyższą, co jest wykorzystywane w przypadku urządzeń działających z prędkością do 12 Mb/s (urządzeń z USB 1.1). Kontroler jest taktowany przebiegiem o częstotliwości 24 MHz i do poprawnej pracy nie wymaga wielu dodatkowych elementów. Można do niego dołączyć zewnętrzną pamięć EEPROM, w której w zależności od przeznaczenia kontrolera mogą być przechowywane jego parametry, np. sposób działania portów, nazwa urządzenia, czy identyfikatory VID i PID.
Opis działania układu
Na rys. 2 pokazano schemat ideowy huba USB 2.0. Port J1 (D–, D+) układu sterującego przeznaczony jest do przyłączenia huba USB do hosta. Dodatkowe cztery porty huba USB zostały wyprowadzone na gniazda J2...J5. Są to porty USB przeznaczone do podłączenia dowolnych urządzeń z interfejsem USB. Zastosowano w nich kontrolę napięcia i prądu.
Dostarczanie napięcia i kontrolę prądu do gniazd J2...J5 realizuje układ U3. Na rys. 3 przedstawiono schemat blokowy dwóch z czterech kluczy prądowych układu TPS2044. W tym układzie prócz bloków zabezpieczeń, można wyróżnić blok sterowania tranzystorami wyjściowymi, pompy ładunkowe wytwarzające wyższe napięcie, które jest przeznaczone do zasilania bramek tranzystorów wyjściowych oraz blok UVLO monitorujący napięcie wejściowe. Spadek napięcia na wejściu poniżej 2 V będzie powodował wyłączenie danego klucza. Blok UVLO gwarantuje poprawną pracę urządzeń dołączonych do portów USB. Wyjścia PWR#x sterujące włączaniem zasilania w poszczególnych portach USB układu U1 zostały dołączone do wejść EN/x układu U3. Umożliwiają one załączenie napięcia na danym wyjściu OUTx. Jest ono doprowadzone wprost do odpowiednich gniazd J2...J5 (do gniazd jest dostarczane napięcie +5 V). Obwody CS (Current Sense) układu U3 są czujnikami prądowymi współpracującymi z ogranicznikami prądowymi. Każdy z czterech kluczy prądowych zawartych w TPS2044 może dostarczyć do 500 mA prądu. Przeciążenie danego klucza jest sygnalizowane stanem niskim na odpowiadającym mu wyjściu OC/x. Każde z wyjść OC/x zostało dołączone do wejść OVR#x układu U1. Wystąpienie przeciążenia jest sygnalizowane układowi U1, dzięki czemu może on wyłączyć przeciążony klucz, zapobiegając uszkodzeniu jego samego oraz dołączonego do niego urządzenia. O przeciążeniu danego portu informowany jest także system operacyjny, co ma dla jego poprawnej pracy duże znaczenie. Rezystory R16...R23 podciągają wyjścia OCx i wejścia ENx do dodatniego napięcia +3,3 V. Kondensatory C4...C11 filtrują napięcia zasilające dodatkowe porty USB.
Kontroler U1 jest taktowany sygnałem o częstotliwości 24 MHz z generatora X1, a stabilizator U4 typu Low–Drop stabilizuje napięcie zasilające kontroler na poziomie +3,3 V. Elementy R3 i C3 są odpowiedzialne za poprawne zerowanie kontrolera U1 po włączeniu napięcia zasilającego. Pamięć EEPROM U2 z interfejsem SPI jest opcjonalna i może służyć do przechowywania parametrów i sposobu działania układu U1. Rezystory R8...R15 ograniczają prąd diod D1...D8 służących do sygnalizacji stanu pracy portów huba USB. Na każdy port przypada dioda zielona i czerwona. Poprawna praca portu USB z dołączonym do niego urządzeniem sygnalizowana jest świeceniem diody zielonej. W przypadku braku dołączonego urządzenia do danego portu nie świeci żadna z diod. Przeciążenie portu USB jest sygnalizowane miganiem diody czerwonej. Kondensatory C15...C24 filtrują napięcie zasilające hub.
Montaż i uruchomienie
Schemat montażowy huba USB 2.0 przedstawiono na rys. 4. Hub został zbudowany w większości z elementów SMD. Montaż należy rozpocząć od wlutowania układów scalonych, przy czym największy problem może być z układem U1, który został umieszczony w obudowie QFN (8×8 mm). Do wlutowania układu U1 nie wystarczy zwykła lutownica. Potrzebna będzie lutownica na gorące powietrze oraz topnik. Na samym początku można pocynować pola lutownicze, do których będzie lutowany układ U1. Następnie należy na nie nanieść sporą ilość topnika.
Po naniesieniu topnika, można przyłożyć do pól lutowniczych układ kontrolera, dokładnie go pozycjonując. Po odpowiednim ustawieniu układu można go przygnieść od góry i podgrzać pola lutownicze lutownicą na gorące powietrze. Po odpowiednim podgrzaniu pola lutownicze powinny się połączyć z końcówkami układu. Wlutowanie kontrolera będzie wymagało dużej precyzji i staranności, ale jest możliwe. Po wlutowaniu układu kontrolera, z montażem pozostałych elementów nie powinno być już problemów. Opcjonalnej pamięci EEPROM można nie montować. Montaż należy zakończyć wlutowaniem elementów przewlekanych (gniazda, diody itp.). Po zakończeniu montażu należy dokładnie sprawdzić czy na płytce drukowej nie wystąpiły podczas montażu zwarcia, które mogą być później trudne do odszukania lub mogą spowodować uszkodzenie któregoś z układów urządzenia. Ze znalezieniem odpowiedniej obudowy dla przedstawionego huba USB nie powinno być problemów. Oferta obudów dostępnych w sklepach jest dość obszerna.
Hub jest dołączony do komputera dowolnym przewodem USB-A/USB-B. Urządzenie jest wykrywane w systemie jako Rodzajowy koncentrator USB (rys. 5). Potrzebne sterowniki znajdują się już w systemach Windows XP/Vista. Właściwości tego urządzenia przedstawiono na rys. 6.
Jak widać hub posiada 4 porty USB i ze względu na zasilanie z portu komputera można go obciążyć prądem nie większym niż 500 mA. Po przyłączeniu urządzenia do jednego z portów USB J2...J5 zapala się przyporządkowana mu zielona dioda LED (oczywiście jeśli wszystko jest w porządku). Diody sygnalizacyjne D1...D8 są bardzo pomocne przy diagnostyce i wykrywaniu ewentualnych awarii. Opcjonalną pamięć EEPROM należy zamontować, jeśli hub USB będzie musiał posiadać inne identyfikatory VID, PID, lub posiadać inną konfigurację. Dokładne informacje na temat programowania i zawartości pamięci EEPROM można znaleźć w dokumentacji układu CY7C65640.
Marcin Wiązania
