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无线电电子与电气工程百科全书 如何选择或制作 USB 集线器。 无线电电子电气工程百科全书
如今，USB 最常用于将外围设备连接到计算机。 但迟早，用户会发现计算机上所有可用的 USB 端口都被鼠标、键盘、网络摄像头和其他设备占用，而没有地方可以连接新购买的打印机、电视调谐器、USB 示波器或其他任何设备。 那么如何将USB规范所承诺的127种设备连接到您的计算机上呢？ 为了能够将多个设备连接到一台计算机的一个 USB 端口，就使用了集线器（英文 hub - 一种轮毂，其所有辐条都插入其中），也称为集线器。 集线器有一个连接计算机的“上游”（upstream）USB端口，以及几个连接外围设备的“下游”（downstream）USB端口。 USB 规范允许最多五个集线器以菊花链方式连接。 在销售计算机外围设备的商店中，USB 集线器的范围相当广泛 - 适合各种品味、颜色和预算。 似乎可以选择任何最具吸引力的设计、正确的端口数量和最低的价格。 毕竟，没有经验的用户经常将集线器想象成一种将两台电视连接到一根天线的设备 - 位于一对电阻器或微型变压器内。 然而，在这种情况下，一切都复杂得多。 当我购买两个 USB 集线器时，我确信了这一点，一个用于收发器的数字接口，第二个用于将外部硬盘驱动器连接到固定 PC。 第一个带有“DNS”标志的四个端口集线器是在一家正规商店购买的，第二个集线器是从一家未知制造商那里购买的七个端口，是从一家国外在线商店订购的。 实验室条件下的实验表明，两个集线器在使用鼠标、键盘、USB-COM 适配器和配备 USB 接口的声卡时都可以正常工作。 但是，只有 DNS 集线器可与外部硬盘驱动器和闪存驱动器配合使用。 通过未命名的集线器连接此类设备时，计算机会显示消息“未检测到 USB 设备”。 对收发器数字接口的其他实验表明，DNS 集线器在这里工作没有问题，但使用未命名的集线器会导致计算机在每次打开发射器时“冻结”。 通过将 USB-COM 适配器和外部声卡直接连接到计算机（无需集线器），一切工作都没有问题。 这种情况引起了我的兴趣。 我决定找出这两个中心有何不同。 为什么第一个可以完全执行其功能，而第二个原则上可以工作，但并非总是有效，也不适用于所有设备？ 想象一下，当我打开箱子后，发现两个花鼓都是按照完全相同的方案组装在同一个元件底座上时，我会感到多么惊讶！ 仅在七端口中，两个相同的USB集线器控制器芯片串联安装：第二个类似控制器的上游端口连接到第一个控制器的四个下游端口之一。 通过切断印刷导体来禁用第二个控制器并没有改变这种情况。 为了理解其中的原因，我必须熟悉该设备的基础知识和 USB 总线的操作。 第一个 USB 1.0 规范于 1996 年初发布，1998 年秋季，1.1 规范出现，修复了第一版中发现的问题。 USB 1.1 规范定义了两种信息传输模式：低速（LS - 低速），运行速度高达 1,5 Mbps 和全速（FS - 全速），最高速度为 12 Mbps。 2000 年春天，USB 2.0 规范发布，总线带宽增加了 40 倍。 除了之前提供的两种速度模式外，还引入了第三种模式 - 高速 HS（高速），能够以高达 480 Mbps 的速度运行。 2008年，出现了一个新标准——USB 3.0（超高速），根据该标准，传输速度提高到5 Gb / s。 然而，为了达到这个速度，连接器和电缆的设计必须进行重大改变，同时无法实现与以前版本的完全兼容。 如果需要频繁传输大文件，此接口对于与高速硬盘驱动器通信非常有用。 但对他来说，当然是未来。 一个微妙的点是与“USB 2.0”标志相关。 尽管该接口的最大吞吐量为 480 Mbps，但该规范还包括其在 LS 和 FS 模式下运行的可能性。 因此，只有能够在 HS 模式下运行的设备才能提供 480 Mbps 的吞吐量。 USB 开发人员建议仅对 HS 设备使用“USB 2.0”徽标，但市场有其自己的法律，许多制造商将此徽标用于 FS 设备，而实际上仅符合 USB 1.1 规范。 也就是说，包装上的“USB 2.0”字样仍然没有说明什么。 完全符合此规范的设备必须贴有“USB 2.0 HI-SPEED”标签，并明确指示 480 Mbps 功能。 通过通信线路以 480 Mbps 的速度传输的信号是频率高达 480 MHz 的矩形脉冲。 任何对无线电工程有或多或少了解的人都知道，为了不失真地传输这种频率的矩形脉冲，在开发印刷电路板时必须严格遵守微电路和连接器之间的传输线的波阻抗及其沿线的全长恒定性的要求。 板上两线差分信号线的特性阻抗必须为90Ω±10%。 线路必须是对称的，并且它与板上其他印刷导体之间的距离必须至少是线路导体之间距离的五倍。 在它们的下面，在板的背面，应该有一个贯穿整个长度的连续箔层 - 一个屏幕（公共线）。 不满足这些要求的生产线部分（例如，接近微电路引脚或连接器触点）必须具有最小长度。 跟踪此类通信线路的典型错误如图 1 所示。 1、其中 2 - 屏幕断线下； 3——线路导体的分支； 4 - 导体不平行以及导体之间的间隙变化； XNUMX - 线路旁边有无关导体。
当然，您必须遵守高频电路安装的通常要求。 所有导体应尽可能短，旁路电容器应尽可能靠近微电路的相应引脚。 当查看购买的集线器的印刷电路板照片时，可以看出，在 DNS 集线器（图 2）中，这些要求或多或少得到了满足。 无名集线器（图3）的开发者在其中使用了单面印刷电路板，因此通信线的波阻抗与标准的90欧姆有很大不同，并且对电磁干扰有很高的敏感性。
两个集线器都使用相同的 FE1.1s USB 集线器控制器芯片。 遗憾的是，其制造商 jfd-ic.com 的网站仅提供中文版本。 用于开启该微电路的可能电路如图 4 所示。 1.1. 它与标准的不同之处在于没有活动端口的 LED 指示灯和附加的非易失性存储芯片。 关于FE1s芯片的特性和特点的更多详细信息可以参见[XNUMX]（英文）。
为了测试集线器性能不佳是由于忽略 USB 规范对 PCB 拓扑的要求而导致的假设，我开发了自己的板版本。 图 5 所示为有条件上侧的印刷导体图。 6. 底部的箔片被完全保留，除了不连接到公共电线的部件引线的埋头孔之外。 板两侧零件的位置 - 如图所示。 XNUMX. 通孔（如图所示已填充）用镀锡线填充，焊接在电路板的两侧。
使用 TX-LINE 程序计算获得所需波阻抗的信号线的几何尺寸 [2]。 它是免费的，在网站上注册后即可下载。 该程序不需要安装，使用起来很直观。 启动程序并进入耦合微带线（耦合 MS 线）选项卡后，您应该选择线路导体的材料 - 铜（铜），输入玻璃纤维的介电常数等于 5,5，以及线路尺寸。 玻璃纤维厚度为 1 毫米，印刷导体宽度为 0,7 毫米，导体之间的距离为 0,5 毫米，箔厚度为 0,02 毫米，我们在 500 MHz 频率下获得约 93 欧姆的波阻抗。 所有用于表面安装的无源元件尺寸均为 1206 或 0805。氧化物电容器 C1、C3、C5、石英谐振器 ZQ1 和外部电源连接器 XS5 安装在固体箔一侧，其余元件安装在印刷导体一侧。 如果集线器仅用作无源集线器（连接到集线器的所有设备均由计算机供电），则可以用跳线替换 VD1 二极管。 将消耗超过 500 mA 的设备连接到集线器时，计算机的电量将不够。 在这种情况下，应拆下跳线，并且在不安装 VD1 二极管的情况下，将所需电源的 5 V 稳压源连接到 XS5 连接器。 为了在无焊接的情况下以无源和有源模式操作集线器，必须在其中安装带有 VD1 肖特基势垒的二极管。 它将阻止外部电源的电压进入计算机的 USB 端口。 原则上，为了减少电路板的厚度，所有零件都可以放置在印刷导体的一侧，但不电镀孔，这使安装变得复杂。 如有必要，您可以通过稍微调整印刷导体的图案来更改电路板的尺寸和 USB 连接器的位置。 我从我的七端口集线器上拆下了 FE1.1s 芯片，但您也可以在互联网上单独购买。 这是少数采用 SSOP-28 封装、引脚间距为 0,64mm 的 USB 集线器控制器之一。 用于这种情况的板可以通过将图案热转印到箔上来制造。 对制作好的集线器进行测试，发现电磁辐射的影响完全消失了，四个端口中的两个可以完美地连接闪存驱动器和USB硬盘，但另外两个只能连接鼠标。 我不得不从七端口集线器上拆下第二个控制器，并将其替换为自制板上的第一个控制器。 现在，四分之三的端口已完全正常工作。 此外，第一个控制器正常工作的端口在 HS 模式下停止工作。 FE1.1 芯片的文档称其所有副本在制造后都会经过最终控制。 显然，有缺陷的副本不会被扔进垃圾桶，而是被送到无名的制造商那里。 或者控制器有一些未记录的版本。 无论如何，具有三个成熟 USB 2.0 端口的选项适合我。 我提请您注意这样一个事实：几乎所有带有用于连接外部电源的连接器的廉价集线器在外部和内部电源电路之间都没有任何去耦。 所有连接器的电源触点均简单互连。 因此，通过连接到集线器的外部电源向计算机的 USB 端口施加电压，就有可能禁用计算机的 USB 端口。 如果需要将外部电源连接到购买的集线器上，则需要打开集线器外壳并剪断来自上游端口连接器（连接到计算机的那个）引脚 1 的导线。 为了保留在无源模式下使用集线器的可能性，可以在该位置焊接一个二极管，类似于图 1 中的 VD4。 1. 必须带有肖特基势垒（以减少电压降），并且允许的正向电流至少为 XNUMX A。 根据USB 2.0规范，连接电缆必须是屏蔽的。 然而，在购买电缆时，可能很难确定它是否有屏幕。 唯一可以表明屏幕存在的是电缆上的“USB 2.0 High Speed”标记。 一个间接的标志是其两端的干扰抑制铁氧体“闩锁”。 然而，标记和闩锁都没有说明屏幕的质量。 好的电缆应在线束周围包裹箔纸，并在其上套上编织铜“长袜”。 通常，制造商通过使用多根镀铜钢丝而不是成熟的屏幕来降低生产成本。 屏幕的质量可以通过测量电缆两端连接器金属外壳之间的电阻来评估。 如果它接近于零，则电缆具有成熟的铜屏蔽。 如果电阻为 3 ... 4 欧姆或更大 - 有一个屏蔽，但它是由钢丝制成的。 该电缆通常较细，但在 EMI 环境中使用它可能会导致计算机出现故障。 例如，当电缆旁边有手机或业余收发器在附近工作时。 如果连接器外壳之间的电阻无穷大，则电缆没有屏蔽，不适合高速操作。 在任何情况下，连接器的主体都不得连接到其任何引脚。 不允许自焊、拼接、屏蔽或更换电缆中的连接器。 最可靠的选择标准是电缆的透明外护套，透过它可以清晰地看到高质量的屏蔽编织层。 如果两端同时有铁氧体锁存器，那么这种电缆可以安全地归类为 PRO。 总结上述内容，我将制定选择用于高速信息交换的 USB 2.0 集线器的主要标准： - 最好在零售店购买轮毂，并提前规定退货或更换为其他型号的可能性；
如果出售的花鼓型号都不适合您，请按照上述说明自行制作。 Sprint Layout 6.0 格式的 PCB 文件：ftp://ftp.radio.ru/pub/2014/11/hub.zip 文学
作者：N. Khlyupin
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