USB-разъем типа C для промышленных применений

USB представляет собой интерфейс, широко применяемый в различных отраслях электронной техники благодаря малой стоимости и гибкости. Характеристики разъемов USB, зарекомендовавших себя как недорогие и надежные электрические соединители, давно привлекли внимание разработчиков промышленного оборудования. Однако существуют препятствия для простого перехода на новый тип разъема. Разберем способы их преодоления, а также рассмотрим приложения, в которых применение разъемов USB 2.0 и USB 3.0 типа C дает наибольшие преимущества.

Разъемы USB стали широко применяться с середины 90-х годов. Вначале стандарт USB был ориентирован на компьютерную промышленность — прямоугольный разъем типа A использовался в USB-концентраторах, которые встраивались, в частности, в персональные компьютеры (ПК). Разъем типа Bимел в сечении квадратную форму и применялся в основном в периферийных устройствах — сканерах и принтерах. Таким образом, тип A и тип B получили широкое распространение в качестве кабелей для подключения ПК к периферийным устройствам.

Последовательный интерфейс на основе USB-разъемов типов A и B между главным и периферийными устройствами был заимствован производителями различного промышленного оборудования. Некоторые производители использовали USB как замену для использовавшихся ранее последовательных портов, в то время как другие применяли USB для подключения внешних периферийных устройств, обновления программного обеспечения или как диагностический порт.

По мере внедрения USB в материнские платы промышленных ПК стала очевидной возможность использования USB в качестве стандартного разъема. Эта тенденция усилилась по мере развития стандартов USB и появления новых версий, каждая из которых, как правило, повышала пропускную способность интерфейса и расширяла его функциональные возможности (рисунок 1). USB 2.0, появившийся в 2000 г., позволил поднять максимальную скорость с 12 до 480 Мбит/с. Последовавший за ним в 2008 г. стандарт USB 3.0 увеличил максимальную скорость до 5 Гбит/с, а затем, в 2013 г., был принят стандарт USB 3.1 с максимальной теоретической скоростью 10 Гбит/с.

Рис. 1. Разъем USB типа C и протокол USB PD позволяют реализовать на основе дисплея системный концентратор электропитания

Одновременно с протоколом USB 3.1 был разработан стандарт разъема USB типа C, определивший его новый типоразмер. По сравнению с предыдущими версиями разъемов USB, тип C способен передавать более высокую мощность (до 100 Вт) и обладает осевой симметрией, допускающей подключение с разворотом на 180 o , что особенно важно при его коммутации в труднодоступных местах, например, при обслуживании промышленного оборудования.

Сочетание большой мощности питания и высокой скорости передачи данных открывает новые возможности применения разъема USB - например, использование дисплея в качестве концентратора, управляющего мощными высокоскоростными периферийными устройствами. Линия передачи данных может быть также сконфигурирована для работы с другими протоколами, например, I 2 C. По мере внедрения разъема USB типа C в качестве стандартного порта в материнские платы ПК, а затем и в одноплатные компьютеры, он становится так же популярен в промышленных применениях, как и более ранние модификации разъемов USB. Высокая скорость передачи данных USB типа C отвечает параметрам потокового видео высокой четкости, что позволяет применять данный тип разъемов в системах машинного зрения.

Применение USB C-типа в промышленных условиях определило повышенные требования к поставщикам разъемов, так как эти изделия должны сочетать в себе механическую прочность и способность передавать большую мощность. Производителям интегральных микросхем также была поставлена задача по разработке контроллеров, способных поддерживать возросший уровень мощности и, в то же время, иметь достаточно малые габариты для размещения в корпусе разъема.

Одним из главных отличий разъема USB типа C является новый стандарт электропитания — USB Power Delivery (USB PD), характеризующийся большей гибкостью профилей электропитания. Протокол подачи питания является двунаправленным, что позволяет передавать мощность до 100 Вт по направлению от концентратора к периферийному устройству и обратно. Протокол USB PD позволяет также адаптировать уровень энергопотребления, питая устройство той мощностью, которая ему необходима и которую устройство может изменить по запросу своего приложения. Адаптивное энергопотребление в сочетании с высокоскоростным конфигурируемым потоком данных, передаваемым по тому же кабелю, открывает для интерфейса USB большое число новых вариантов применения.

Согласно руководству для разработчиков USB PD, спецификация интерфейса транспортного уровня устанавливает протокол для использования в различных периферийных устройствах. Структура, указанная в главе 9 спецификации USB PD, может быть расширена для использования с другими шинами. Данная спецификация позволяет стандартизировать протокол связи между контроллером USB PD и контроллерами управления устройствами и системой, а также управление питанием периферийных устройств, например, преобразователей постоянного тока.

В качестве практического примера можно привести разъемы USB типа C компании TE Connectivity, которые обеспечивают скорость передачи данных до 10 Гбит/с и максимальную мощность нагрузки до 100 Вт (рис. 2).

Рис. 2. Внешний вид разъема USB типа C производства компании TE: а) вид сверху, б) вид снизу, в) вид сзади

С помощью переходников малогабаритные разъемы USB могут поддерживать также ряд других протоколов, включая HDMI, VGA и Display Port.

Конструкции разъемов USB типа C и их физические свойства подразумевают? простоту использования, а также защиту от электрических и механических повреждений. Разъем имеет осесимметричную конструкцию, обеспечивающую простое подключение и надежное электрическое соединение. Корпус из нержавеющей стали предотвращает излучение радиочастотных помех, в то же время обеспечивая надежную фиксацию и механическую прочность разъема, что очень важно для промышленных применений.

Благодаря осевой симметрии разъема, при подключении имеется возможность идентификации контакта Vconn, что позволяет определить ориентацию разъема и установить, какие контакты используются для подключения восходящего (UFP) и нисходящего (DFP) портов и мощного источника питания. При этом некоторые контакты разъема при подключении соединяются в первую очередь.

Разъемы производства компании TE Connectivity могут использоваться в жестких условиях эксплуатации, включая промышленное оборудование и системы автоматизации, медицинские приборы, зарядные устройства, а также автомобильные информационно-развлекательные приложения.

Для максимальной совместимости разъем USB типа C поддерживает протоколы USB 2.0 и USB 3.1 первого и второго поколений, обеспечивая максимальную скорость передачи данных 10 Гбит/с. Разъем рассчитан на максимальное напряжение 30 В и максимальный ток контактов Vbus, Vconn и сигнальных контактов, соответственно, 5; 6,25 и 0,25 А.

Некоторые компании, например, Amphenol, рассматривают разъемы USB не как интерфейс передачи данных с возможностью подачи питания определенной мощности, а в первую очередь как способ питания периферийных устройств с возможностью передачи данных. Для реализации дополнительных функций эти компании разрабатывают изделия с контроллером, встроенным в корпус разъема. Производство подобных контроллеров осуществляют несколько компаний, в том числе - Cypress Semiconductor (рис. 3).

Рис. 3. Контроллер CCG2 производства компании Cypress Semiconductor, встроенный в корпус разъема USB типа C

Среди широкого разнообразия продуктов разработчики могут выбирать функции, необходимые для конкретного проекта. Например, для устройств, не требующих полного диапазона мощностей USB PD, компания Fairchild Semiconductor выпускает контроллер FUSB301ATMX, в котором реализованы функции UFP, DFP и совместимость с интерфейсом I 2 C посредством программного обеспечения. Контроллер FUSB301 поддерживает в автоматическом режиме все стандартные функции USB типа C, включая подключение, определение ориентации по Vbus и установку уровня тока заряда.

Для того чтобы предоставить разработчикам больше гибкости в проектах с интерфейсом USB, некоторые производители пошли по пути увеличения вычислительной мощности контроллеров. Например, компания Cypress Semiconductor освоила выпуск встраиваемого в разъем USB типа C контроллера второго поколения CCG2, базирующегося на цифровом ядре ARM Cortex-M0 с тактовой частотой 48 МГц (рис. 4). Контроллер выпускается в трех вариантах корпусов и содержит блок контроля контакта Vconn, приемопередатчик, оконечные резисторы и схему защиты от электростатического разряда амплитудой до ±8 кВ. Все типы корпусов CCG2 имеют разное количество портов ввода-вывода: корпус QFNимеет 14 портов, корпус меньшего размера DFN — 7, наиболее миниатюрный корпус WLCSP — 9. Также контроллер CCG2 позволяет реализовать законченные решения для пассивного и активного кабелей EMCA, адаптеров, мониторов и электронных ключей. Помимо этого, однокристальный контроллер содержит набор таймеров, счетчиков, формирователей ШИМ и два блока последовательной связи, которые для расширения возможностей спецификации PD могут быть сконфигурированы в качестве интерфейсов I 2 C, SPI и UART.

Рис. 4. Однокристальный контроллер CCG2 производства Cypress Semiconductor, построенный на основе процессора ARM Cortex-M0

О большой гибкости устройств с разъемом USB типа C можно судить на примере контроллера TPS65982 производства компании Texas Instruments. Микросхема содержит шесть основных блоков: контроллер USB PD, блок подключения и определения ориентации разъема, порт коммутации питания, мультиплексор данных, блок управления питанием и цифровое ядро (рис. 5).

Рис. 5. Шесть основных блоков контроллера интерфейса USB типа C TPS65982 производства Texas Instruments

Сразу после подключения определяется наличие соединения и идентифицируется ориентация разъема, при этом функции физического уровня протокола USB PD обеспечивает контроллер USB PD. В зависимости от ориентации разъема данные передаются через контакты C_CC1 или C_CC2. После завершения процедуры подключения TPS65982 устанавливает путь подачи питания и настраивает внутренние и, при необходимости, внешние мультиплексоры.

Заключение

Разъем USB типа C и протокол USB 3.1 являются дальнейшим развитием предыдущих стандартов USB и, благодаря новым функциональным возможностям, найдут применение в новых образцах промышленного и медицинского оборудования. Однако новые возможности USB типа C, - в частности его осевая симметрия, - создают некоторые трудности при его использовании в новых проектах. На практике незначительные проблемы, связанные с внедрением USB типа C, легко преодолеваются за счет применения специализированных контроллеров в интегральном исполнении.

По сравнению с другими высокоскоростными интерфейсами широко распространенный разъем USB предоставляет простое и проверенное решение для подключения дисплеев высокого разрешения, а также открывает новые возможности применения данного типа разъемов.

Одним из существенных отличий разъема USB типа C является возможность питания нагрузок с большой потребляемой мощностью. Простое применение разъема USB позволяет существенно снизить сложность разрабатываемой системы за счет большой мощности питания, предоставляемого периферийным устройствам, и высокой скорости обмена данными с ними. USB типа C открывает возможность преобразования дисплея в системный USB-концентратор, что не только снижает сложность системы, но также значительно сокращает расходы на разработку и время вывода изделия на рынок.

Москва, Новохохловская ул. д. 23, стр. 1, БП Ринг Парк Телефоны: +7 (495) 221-78-04