USB

针对新型系统保护配置而优化了 USB3.2 SuperSpeed 的全新解决方案

Nexperia 是分立元件、逻辑元件与 MOSFET 元件方面的全球领先供应商。Nexperia 今日宣布:已优化其用于 C 型 USB 接口的 TrEOS ESD 保护二极管系列。新的 USB3.2 标准在 Rx 输入端引用了一个可选电容器,因此 Nexperia 现在推出了两组元件:一组元件在连接器和电容器之间提供极高的浪涌抗扰度,另一组元件则具有极低的触发电压,用于放置在电容器和系统芯片之间。

Nexperia 的 TrEOS ESD 保护技术采用有源硅控整流器,可实现极低电容(低至 0.1pF)、极低的钳位(动态电阻低至 0.1Ω)以及非常高的浪涌和 ESD 脉冲抗扰度(对于非常快速的数据线,最高可达 20A 8/20µs)的最佳组合。接通时间也非常快,约为 0.5ns,器件可承受高达 30kV 的接触放电,超过 IEC 61000-4-2 标准 4 级水平。在 8/20 IEC61000-4-5 标准下,保护装置放置于电容器之前的 TrEOS 应用器件目前可用于业界领先的峰值脉冲电流额定值 9.5、15 和 20A。在电容器之后使用的 TrEOS 器件同样具有业界领先的性能,具有低至 4.3V 的最低触发电压 (Vt1)。这些特性也适用于 A 型 USB 和 MicroUSB 接口。

Nexperia 产品经理 Stefan Seider 表示:“C 型 USB 和 USB Power Delivery 提供的选项非常具有吸引力:为确保最终用户可以享受高达 20Gbps 的数据速度和高达 100W 的充电速度,Nexperia 提供了两种 TrEOS 保护系列,可支持围绕新型 USB3.2 Rx 电容的每一种保护策略,用于防止敏感收发器遭受可能的故障条件影响。”

TrEOS 保护二极管采用广泛使用的 0603 规格进行封装。DSN0603-2 (SOD962-2) 封装非常紧凑且稳健,其优点是没有封装接线,可消除另一种故障模式,并产生最低的电感,以实现最快的保护。该封装非常适合移动和计算应用项目。还提供了其他节省空间的封装。Nexperia 提供了全面的参数化 USB 保护搜索指南(单击此处),以帮助设计人员为其系统配置选择最佳组件。

如需更多信息,请访问:
https://assets.nexperia.com/documents/leaflet/Nexperia_document_leaflet_...

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该可编程控制器集五个芯片的功能于一体,可用于移动PC扩展坞

全球领先的嵌入式解决方案提供商赛普拉斯半导体公司(纳斯达克代码:CY)日前宣布,推出业界首款支持USB 协商供电(PD)协议的七端口 USB-C Hub控制器。可编程的 EZ-USB® HX3PD Hub 控制器集五个芯片的功能于一体,简化了USB-C扩展坞的设计,降低了物料成本(BOM),并可将电路板尺寸缩小 50%。这款高度集成的控制器适用于笔记本电脑和平板电脑扩展坞、显示器扩展坞以及多功能 USB-C 外设产品。

USB-C 扩展坞的设计非常复杂,需要两个 USB Hub 来实现内部和外部的连接,支持 USB PD 充电的每一个USB-C 端口都需要一个专用控制器,以及一个 USB Billboard、USB-C 桥接控制器来报告运行状态和连接失败的情况。EZ-USB HX3PD Hub 控制器集成以上这些芯片的功能,从根本上简化了系统的设计。此外,它还采用了 12 毫米×12 毫米的封装,从而减少了芯片面积。该控制器包括一个七端口 10-Gbps 的 USB 3.1 Gen 2 Hub、两个支持 USB PD 3.0 充电的 USB-C 端口以及一个支持USB Billboard 功能和安全固件下载的扩展坞管理控制器。该控制器具备可编程特性,从而使设计人员能够紧跟 USB-C 和 USB PD 规范的更迭,并且更好地解决相关的互操作性问题。该控制器还集成了一个可配置的 USB PHY 以防止 USB 信号的衰减,从而提高信号质量、满足乃至超过 USB协议的要求。欲了解更多有关HX3PD解决方案的信息,请访问 www.cypress.com/hx3pd

赛普拉斯有线连接事业部副总裁 Ajay Srikrishna 表示:“全新的 HX3PD Hub 解决方案包括了 HX3和HX3C 两款产品,为用于扩展坞解决方案的 USB Hub 产品带来了 10Gbps 的性能表现,充分展现了我们在 USB-C 和 USB PD 上的技术优势。过去,我们的 USB-C 解决方案在市场上一马当先,并且在 SuperSpeed USB领域处于业界领先地位,该高度集成解决方案进一步巩固了我们的领先优势。”

USB Type-C 和 PD 标准可实现纤薄的工业设计,其接口和线缆具有极佳的易用性,可支持多种传输协议,并具有高达100瓦的供电能力,因而正在快速得到顶尖电子产品制造商的青睐。USB Type-C标准的 2.4 毫米连接头比现有的 4.5 毫米 USB Standard-A 连接头显著缩小。想要了解更多有关赛普拉斯 USB-C 和 协商供电解决方案的信息,请访问 www.cypress.com/Type-C

产品供货情况

目前,EZ-USB HX3PD Hub 控制器系列产品目前处于样品阶段,预计将于 2018 年第三季度量产,采用 192-ball BGA封装。

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MAX22505可避免任何故障对端口的损害,包括高达±40V的地电位差;并将方案尺寸减小50%以上

Maxim 宣布推出MAX22505 ±40V高速USB故障保护器,帮助设计者排除任何故障对USB口的损害,包括高达±40V的地电位差,避免了竞争方案参数折中。器件可用于保护24V交流或40V直流供电的工业设备数据线及电源线,方案尺寸缩小50%以上,以支持工业应用。

MAX22505技术细节: https://www.maximintegrated.com/cn/products/power/protection-control/pro...
高清图片: https://www.maximintegrated.com/content/dam/images/newsroom/2018/MAX2250...

当今工业环境中,开发人员仍在不断地努力减小方案尺寸,提高生产力和产量,保持更高的系统稳定性和更长的正常运行时间。因此,由于连接器尺寸变得更小,自动化设备开始采用USB口替代RS232口。随着工业环境采用USB口支持实时诊断、可编程逻辑控制器(PLC)的编程/服务或摄像头视觉系统,以获取更快的通信速度,需要对USB口的过压和地电位差等故障提供有效保护,同时还要兼顾高达480Mbps的高数据率要求。这些系统可能发生对主机侧和设备侧的同时损害,需要实现高压故障保护的独特方案。目前市场上已有的USB故障保护方案无法同时兼顾USB的工作速度和数据线、电源线的限压/限流保护。所以,市场上的现有方案成本昂贵,且不能为高速USB提供有效的故障保护。

MAX22505的推出迎合了市场需求,是业内唯一能够提供工业高速USB故障保护 (480Mbps) ,并可以灵活地支持主机或设备侧应用,包括便携式 (OTG) USB的解决方案。器件可保护设备不受来自电源和数据线上的过压或负压、以及设备之间地电位差造成的损害。与竞争方案相比,器件可将方案尺寸减小50%以上,同时在恶劣环境下确保可靠通信,以及实现高成效、更简单的设计。器件采用24引脚、4mm x 4mm TQFN封装,工作在-40°C至+105°C温度范围。支持包括楼宇自动化、工业PC、PLC以及USB诊断端口等应用。

主要优势

  •   可靠通信:防止过压、负压、地电位差造成的损害;集成VBUS/GND电源线 ±50VDC保护;集成D+/D-数据线 ±40.7VDC保护

  •   小尺寸:相比竞争方案,尺寸减小50%以上

  •   高性能:支持高速率(480Mbps)、全速(12Mbps)和低速(1.5Mbps) USB工作速率

评价

  •   “在此之前,业界尚无适用于高速USB故障保护的方案,”Databeans研发总监Susie Inouye表示:“Maxim的方案为提高工业系统的可靠性铺平了道路,特别是在当今工业设备诊断端口越来越普及的形势下。”

  •   “随着Maxim在通信可靠性领域的投入进一步增强,我们的客户得以实现针对工业电压应用的高速USB故障保护。”Maxim Integrated工业与医疗健康事业部执行业务经理Timothy Leung表示。

供货及价格

  •   MAX22505的价格为2.24美元 (1000片起,美国离岸价) ,可通过Maxim网站及特许经 销商购买

  •   提供MAX22505EVKIT# 评估板,价格为110美元

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基本功能

在本设计中,数据的处理可以使用PC机的MATLAB等功能强大的软件,但是这类现有的数据处理软件并不能对特有的数据采集系统的下位机采集模块进行直接控制,因此需要针对特定的数据采集系统编写对应的上位机软件,上位机软件是针对上述目的而设计与编写的,是整个采集系统的控制前端和数据存储及处理中心。控制功能主要包括控制下位机采集的开始与终止,采集的频率等,数据处理功能主要包括绘制波形图,将数据显示于列表,将数据存储于文件,其中将数据存储于文件将便于使用现有的数据处理软件对数据进行一些数值算法处理,以达到科学研究,结论验证等目的。

开发环境

C++程序设计语言可以很好地实现面向对象的编程思想,采用C++编写上位机程序,可以将每一个功能模块封装成一个类,修改某个类的实现,增加类的功能不会影响整个程序的框架,这样就很容易维护和扩展功能;加之我们要实现的软件功能中需要调用大量的windows API函数库,所以采用VC++6.0作为上位机的开发环境。

程序功能模块划分

总的功能模块主要包括三个模块,即HID设备读写模块,数据采集模块,数据处理模块。

基于PIC的数据采集系统---上位机设计

HID设备的查找与读写

(1)枚举

USB主机在检测到USB设备插入后,就要对设备进行枚举了。枚举就是从设备读取一些信息,知道设备是什么样的设备,如何进行通信,这样主机就可以根据这些信息来加载合适的驱动程序。

(2)HID

人机接口设备(HID)是指直接和人进行互动的设备,如鼠标、键盘等. 在Windows 中,具有相似属性和提供相似服务的设备被归为一种设备类型,一种类型的设备可以使用一个通用的设备驱动程序. 在运行Windows 98 或更高版本的PC 机上,应用程序可以使用操作系统内置的HID 类驱动程序与HID 通信. 这样使得符合HID 类的USB 设备很容易开发与运行.

(3)HID设备的查找

在Windows操作系统中内置很多与HID有关的API函数,调用这些函数,就可以开始对指定的HID设备进行查找,查找HID设备的最终目的是获得该设备的路径名,设备的存取容量等信息,为以后对该设备进行读写做好准备。

基于PIC的数据采集系统---上位机设计

(4)HID设备的读写

在取得了HID设备的路径全面后,即可开始对HID设备进行读写,对设备的读写也是通过调用相应的函数来实现的。

控制下位机进行数据采集

上位机向下位机发送命令,控制下位机进行数据采集,并从下位机获取数据,在这个过程中,要处理好两个线程的同步的问题,即数据采集线程和数据处理线程能够协调工作,保正系统能正确稳定的工作。具体的解决方法是实现对某些数据访问的原子操作,即一个线程在对公共数据进行访问时,另一个线程不能打扰,直到操作线程操作完成,放弃对数据的使用权,另一个线程才能够访问数据。

下位机获取了关于采集的有关参数后,即可开始采集,每隔一定时间采集一个数据,当采集数据数目达到限制值个数后,本次采集完成,此时下位机才开始将采集数据发送给上位机。

基于PIC的数据采集系统---上位机设计

上位机对采集的数据的处理

上位机在将数据采集命令发送给下位机后,所要做的就是等待下位机采集完成并接收数据,因此上位机将循环查询下位机工作状态,一旦检测到下位机采集结束的标志,上位机就开始对数据进行处理。

数据处理分为三种:

(1)绘制波形图

绘制波形图的要求有两点:第一是不能频繁闪烁,影响观察;二是波形图是动态的,因为绘制区域有限,而所采集的数据是源源不断增加的,因此要求波形图能够动态的更新。

(2)添加到列表显示

可直观地查看目前所采集的所有数据。

(3)保存到文件

运用功能强大的数据处理软件对数据进行更深的处理。

界面显示

采集单极性正弦波工作界面

基于PIC的数据采集系统---上位机设计

代码

转自:markmin214

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我们把所设计的数据采集系统功能分解为三大部分:数据采集部分、数据通信部分、数据处理部分。

数据采集部分应包含:A/D转换器,时序、模式控制,数据缓冲功能。它应能接受来自主机的命令,按不同模式控制A/D转换器采集数据,暂存于数据缓冲区,再根据主机命令发给主机。这部分功能由一个单片机及接口来实现是最优方式。

数据通信部分应包含:简单、高效、通用的数据通信模式和软硬件支持。它应能在数据采集和数据处理两部分之间实现目前最好的连接和沟通。因为USB作为一种外部总线标准,用于规范电脑与外部设备的连接和通讯,并具有传输速度快,使用方便,支持热插拔,连接灵活,独立供电等优点,所以这部分功能采用USB接口连接最好。

数据处理部分应包含:强大、高效、通用、适应性好的软硬件支持平台。它应能完成主控和数据处理两大功能。主控就是根据用户需要,给数据采集部分下达命令,采集数据,同时管理数据通信部分,实现信息的上传下达,读取数据。数据处理就是要提供方便实用的数据的分析、处理、存储、显示、输出等各种应用功能,满足用户的尽可能多的需求。这部分功能自然非PC机莫属。

系统功能安排是:PC机作为主机(也称上位机),单片机(也称下位机)负责数据采集与缓冲保存,USB接口负责两者之间的数据通信。

具体工作流程是:PC机接收用户的应用命令,按系统功能配置数据采集参数,通过USB接口,给单片机发送控制命令,单片机按下达的命令控制A/D转换进行数据采集,并将采集到的数据作缓冲保存,采集好一批数据后,再按主机要求通过USB接口发送给PC机,PC机完成数据的存储、简单分析、处理、显示、输出等基本应用。更进一步还可以对数据进行格式转换,供其它专业数据处理软件作输入数据,实现更多高级数据处理功能。

MCU选型

为实现设计要求,微处理器必须含有具有A/D转换功能和USB通信功能的两个基本模块,以及其它实现拓展功能的模块。

基于PIC单片机USB接口的数据采集系统设计

上图所示为设想的功能板图,控制器通过它的功能模块与外围设备进行联系: USB模块与PC机连接,进行USB通信;A/D模块接模拟量输入,进行A/D转换;D/A模块接模拟量输出,产生输出波形;I/O接口外接输入输出;I2C模块与传感器等含I2C的器件连接,进行I2C通信;SPI模块与外围设备相连,使单片机与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。

USB总线的数据采集方案一般有两种,一种是采用专用的USB通信芯片。另一种是利用具有USB接口功能的单片机。考虑到实际情况,本设计选用第二种方案。

PIC18F4550是Microchip公司生产的带全速USB接口的8位高档单片机,该单片机具有精简指令集、哈佛结构等特点,运行速度快、执行效率高。它的硬件资源非常丰富,并集成有多个功能模块: ICSP接口模块,可以通过PICkit™ 3与PC机联系,进行程序的烧写和调试;它的全速USB 2.0接口模块,可以方便、快捷的实现USB通信。

由此,我们选用PIC18F4550单片机来进行设计。它的优势在于:

1、利用它的USB接口,可以实现与PC机之间通信,不需要另加USB接口芯片。

2、利用它的ICSP模块,可以实现PC机对单片机进行程序的直接烧写,并进行在线调试。

3、能够让电路的设计更为简洁、实用,既提高了整个设计的安全性和可靠性,又降低整个系统的功耗。

4、Microchip公司提供了集成开发环境Mplab和汇编语言、C语言编译器,使我们在程序调试,模拟运行方面更容易、更方便快捷。Microchip公司同时还提供了USB通信的范例和demo子程序,使我们在使用USB通信功能时更加的简单、快捷。

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1、引言

USB接口以其数据传输快、连接简单、易于扩展、支持热插拔等特点已成为外设与PC通信的主要方式之一。随着嵌入式系统的发展,嵌入式微处理器需增加通用的USB接口,以便实现与PC等USB主机系统的通信。针对这样的需求,这里采用PHILIPS公司的USB接口器件PDIUSBD12和Atmel公司的AVR系列单片机ATmega8设计一种通用的USB接口模块。该模块可方便为各种嵌入式微处理器增加USB接口,从而实现与USB主机系统的高速通信。

2、系统硬件设计

该系统模块的控制核心是AVR高速单片机ATmega8。AVR单片机是新一代基于哈佛结构的高速RISC微控制器,具有速度快、价格低、可靠性高,I/O口线驱动能力强和片内集成外设资源丰富等特点,其内部集成有可进行ISP下载编程的Flash,EEPROM、熔丝位和锁定位。AVR单片机的ISP下载电缆制作简单、成本低廉,还有免费的下载软件(例如PONyProg)支持。PDIUSBD12是一款高性价比USB接口器件,完全符合USB1.l规范,易于与各种微处理器接口。

由于AVR单片机具有高速性,可利用I/O端口线以软件方式模拟PDIUSBD12的时序,对其读写。这种方式可根据不同的微处理器速度灵活控制PDIUSBD12的时序和地址,无需译码电路,从而简化硬件设计,降低成本。

由于ATmega8片内集成了UART,SPI,I2C等接口,该接口模块可利用这些接口与其他系统通信,使得该接口模块成为通用的接口转换器。

3、USB固件程序设计

本系统模块的USB固件程序采用符合ANSI C标准的GCC编译器设计,结合分层次的模块化结构,可移植性强,只需稍微修改硬件接口层即可将其移植到别的硬件平台,可重复利用代码。

USB固件程序设计是基于状态机和标准的前后台式程序架构。整个同件程序的模块化层次结构如图3所示。首先编写硬件接口层hal.c和PDIUSBD12器件的命令接口层,以供上层模块调用。硬件接口层含有对PDIUSBD12写指令和读写数据的函数,以供上层模块调用。当CPU不同时,只需修改这些函数即可。由于CPU访问PDIUS-BD12与普通存储器一样,只需根据硬件连接关系,在硬件抽象层中编写对PDIUSBD12写指令、写读数据的函数,供上层调用即可。实现PDIUSBD12的命令接口层需调用硬件抽象层函数,供上层模块调用。再设计前后台程序及标准设备请求程序模块。

先利用C语言的共用体与位域定义一个全局状态变量如下所示:
AVR单片机的通用USB接口模块设计
AVR单片机的通用USB接口模块设计
用户可根据需要增加相应的状态标志位,如UART,SPI,I2C等接口收发数据完成标志来满足各种情况下的需要,然后定义一个结构体变量用于存放USB的标准设备请求。

在前台主程序中首先初始化全局变量和其他外围设备,然后在while(1)的死循环中检测状态变量值有无变化,根据不同的状态变量值调用下层的相应函数完成相关操作。在后台的中断服务程序中,根据读取的中断寄存器值一方面将PDIUSBD12接收到的数据移入CPU内存或将内存中的数据写入PDIUSBD12发送端点的缓冲区;另一方面根据具体情况改变状态变量值。

以下给出了前台主程序的程序代码:以下为后台中断服务程序:
AVR单片机的通用USB接口模块设计
AVR单片机的通用USB接口模块设计

当前台主程序检测到状态变量收到SETUP包事件bEvent_flags.bits.setup_packet为1时,该标志位清零,再调用标准设备请求模块stdreq.c的control_handler()函数完成对USB设备的枚举。

设计标准设备请求模块,首先利用结构体定义USB枚举所需的各种描述符,以供不同设备请求使用,其次编写11个标准的设备请求处理函数。本层请求模块重要函数是协议控制子程序control han-dler(),它根据ControlData中标识的不同USB设备请求类型调用11个函数中的任意一个。除此之外,本层请示求模块还实现中断服务程序调用的控制端点接收与发送中断处理函数。

4、系统集成与应用

4.1 PC机驱动程序与应用程序的设计

利用该系统模块实现PC机通讯,需对PC机编写相关驱动程序和应用程序,可利用DriverStudio软件生成该系统模块在Windows环境下的驱动程序。应用程序的设计可使用诸如VB、VC、Delphi以及应用普遍的虚拟仪器软件开发工具LabVIEW等软件开发工具,直接调用驱动程序生成的动态链接库中的API函数,可根据具体任务编写相关应用程序。

4.2 应用于其他系统

利用AVR单片机的多种外设接口特点,例如UART、SPI、I2C接口等可以有效地实现与其他微处理器的通信,将该模块嵌入各种系统,实现与其他器件的通讯。固件程序中预留有UART、SPI、I2C等接口程序,只需通过简单的跳线连接就可选择相应的接口,从而实现应用系统增加USB接口。

4.3 固件程序移植其他平台

由于固件程序最大限度考虑到可移植性,所以将固件程序稍加修改即可应用于各种已拥有C语言编译器的微处理器,实现PDIUSBD12直接与微处理器的通讯。

移植固件程序主要工作有:根据硬件连接关系,修改硬件抽象层中的3个读写函数,实现CPU与器件之间的通信;通过调用PDIUSBD12命令接口层的读取芯片ID函数返回值是否为0x1012,测试CPU与器件之间的通讯是否正常。

5、在数据采集器中的应用

由于ATmega8片内集成有逐次比较型ADC,具有6路的模拟输入通道,所以只需要针对采集的物理量选用相应传感器,并将输出信号调整至0~Vcc的范围内就可利用该模块实现USB数据采集器。AVR单片机集成有ADC自带采样保持电路,具有内部参考电压和基于睡眠模式的噪声抑制器,从而大大提高ADC精度,实现高精度的数据采集。而设计只需在相应的固件程序巾增加获取ADC结果的函数,并设置相应的状态标志位即可完成USB数据采集器的设计。

6、结束语

以ATmega8和PDIUSBD12为核心,实现通用的USB接口模块设计,并应用于基于USB接口的数据采集器中。实验结果表明,该USB接口模块运行稳定可靠,通信速度快,易于修改移植,满足嵌人式系统对USB接口的需求,并能快速为各种微处理器增加USB接口,具有广泛的应用前景。

来源:21ic

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