Czteroportoy hub z interfejsem rs232.pdf
(
1095 KB
)
Pobierz
projekty.indd
P R O J E K T Y
4-portowy hub USB
z dwoma interfejsami
RS232
AVT-589
Przez długie lata
podstawowym interfejsem
komunikacyjnym, stosowanym
w komputerach i systemach
mikroprocesorowych, był RS232C.
Lata jego świetności powoli się
kończą – od pewnego czasu
skutecznie wypiera go nowy,
bardzo konkurencyjny interfejs
USB. Rosnąca w szybkim tempie
liczba urządzeń z interfejsem
USB stwarza także popyt na
huby USB, umożliwiające
zwiększenie liczby dostępnych
portów USB w komputerze.
Rekomendacje
: hub powinien
zainteresować wszystkich
użytkowników komputerów PC,
dla których zbyt mała liczba
dostępnych portów USB staje się
niewygodna w codziennej pracy.
Wychodząc naprzeciw
zapotrzebowaniu, został zbu-
dowany aktywny, 4-portowy hub
USB. Aktywny, ponieważ jest on
zasilany z zewnętrznego źródła
napięcia, a nie z portu USB ho-
sta. Proponowany hub USB jest
zgodny ze starszym interfejsem
USB 1.1, który charakteryzując się
mniejszą prędkością w porównaniu
z wersją 2.0, z powodzeniem może
być wykorzystywany do komunika-
cji z klawiaturami, myszkami, itp.
Nie będzie się natomiast nadawał
do obsługi urządzeń wymagają-
cych dużych prędkości przesyłania
danych, takich jak dyski lub ska-
nery. Przedstawiony w niniejszym
artykule hub USB ma dodatkowy,
piąty port USB, który zasadniczo
jest przeznaczony tylko do przy-
łączenia kolejnego, np. identyczne-
go huba. Dzięki temu liczba do-
datkowych portów USB rozszerza
się do 8. Port ten jest pozbawio-
ny układów odpowiedzialnych za
nadzór doprowadzonego do niego
napięcia zasilającego. Do tego por-
tu można wprawdzie podłączyć
urządzenie z interfejsem USB, ale
w przypadku awarii może nastą-
pić uszkodzenie huba USB lub
dołączonego do tego portu urzą-
dzenia. Niewątpliwie atrakcyjność
prezentowanego huba USB podnio-
są dodatkowe
dwa interfejsy
RS232, które
można wykorzy-
stywać tak samo,
jak porty COM1 i COM2, w jakie
standardowo są wyposażone kom-
putery. Dołączając przez dodatko-
wy, piąty port huba USB drugi
podobny układ, zyskuje się nie
tylko 8 portów USB, ale także 4
porty COM. Sterowaniem pracą
całego huba zajmuje się kontroler
TUSB5052 produkcji Texas Instru-
ments. Wybrane parametry huba
przedstawiono w
tab.
1
.
Tab. 1. Wybrane parametry huba USB
Interfejs USB kompatybilny z USB 1.1
4 porty USB o wydajności do 500 mA
każdy
Piąty, dodatkowy port USB do przyłączenia
kolejnego aktywnego huba USB
Zasilanie z zewnętrznego zasilacza wtyczko-
wego o napięciu wyjściowym 10..16 V
Wszystkie porty mogą pracować w trybach
Full-Speed
oraz
Low-Speed
Dwa porty COM (RS232)
Automatyczne wykrywanie zwarcia obwo-
dów zasilających porty USB PORT1..PORT4
Optyczna sygnalizacja stanu portu USB
PORT1..PORT4
Kontroler sterujący z wbudowanym rdze-
niem mikrokontrolera 8052
Ładowanie programu sterującego kontrole-
rem poprzez interfejs USB
Poprawna praca z Windows 98, 2000 oraz XP
Kontroler TUSB5052
Hubem USB steruje kontroler
TUSB5052, będący mostem pomię-
dzy USB i podwójnymi układami
UART (RS232). Kontroler ten za-
wiera niezbędną do komunikowa-
nia się z hostem (komputerem)
logikę. Dodatkowo, kontroler ma
wbudowany 5-portowy hub USB,
w którym jeden dodatkowy port
jest pozbawiony układów nadzoru
napięcia i prądu zasilania. Port
ten jest przeznaczony do przy-
łączenia szeregowo kolejnego ak-
tywnego huba USB. Wbudowany
w TUSB5052 mikrokontroler 8052
posiada 16 kB pamięci RAM, do
której ładowany jest program ob-
Elektronika Praktyczna 9/2004
17
Wychodząc naprzeciw
zapotrzebowaniu, został zbu-
dowany aktywny, 4-portowy hub
USB. Aktywny, ponieważ jest on
zasilany z zewnętrznego źródła
są dodatkowe
dwa interfejsy
RS232, które
można wykorzy-
stywać tak samo,
4-portowy hub USB z dwoma interfejsami RS232
ce przepływem informacji (!CTS,
!RTS, !DSR, !DTR, !RI i !DCD).
W przedstawionym urządzeniu
wybrano ładowanie programu do
kontrolera poprzez interfejs USB,
czyli z hosta. Rozwiązanie takie
znacznie uprościło uruchomie-
nie huba po jego zmontowaniu,
gdyż dzięki niemu wyeliminowa-
no dodatkową, zewnętrzną pa-
mięć EEPROM przeznaczoną na
program użytkowy. Pamięć taka
musiałaby być programowana nie-
zależnie.
Rys. 1. Schemat blokowy kontrolera TUSB5052
Opis działania układu
Na
rys.
2
został przedstawiony
w uproszczeniu schemat blokowy
huba USB z dwoma interfejsami
RS232. Układ sterujący jest tak-
towany rezonatorem kwarcowym
o częstotliwości 6 MHz, która jest
powielana przez pętlę PLL do czę-
stotliwości 48 MHz. Układ steru-
jący realizuje funkcję 5-portowego
huba USB oraz dwóch konwerte-
rów USB<->RS232. Na
rys.
3
po-
kazano schemat ideowy huba. Por-
ty DM0 i DP0 układu sterującego
TUSB5052 przeznaczone są do
przyłączenia huba USB do hosta.
Rezystor R13 dołączony do linii
DP0 informuje host, że hub USB
jest w stanie obsługiwać szybkie
transmisje USB. Dodatkowe czte-
ry porty huba zostały wyprowa-
sługujący kontroler z hosta (bez-
pośrednio przez interfejs USB) lub
z zewnętrznej pamięci EEPROM.
Na
rys.
1
przedstawiono schemat
blokowy kontrolera TUSB5052.
Widać na nim znane już bloki,
jak hub USB, mikrokontroler 8052
z przeznaczonymi dla niego pery-
feriami, a także pętlę PLL i bloki
potrzebne do poprawnej obsługi
interfejsu USB. Zintegrowany mi-
krokontroler posiada 6 kB pamię-
ci ROM, w której znajduje się
Bootloader umożliwiający załado-
wanie programu użytkowego po-
przez interfejs USB lub z pamięci
EEPROM dołączonej do interfejsu
I
2
C. Pamięć RAM o wielkości 256
bajtów przeznaczona jest na dane
wewnętrzne programu użytkowego.
Pamięć SRAM o wielkości 2 kB
jest przeznaczona na bufor da-
nych. Mikrokontroler posiada por-
ty P1 oraz P3, dwa układy UART
i wiele innych peryferii typowych
dla mikrokontrolerów. Wbudo-
wane, pełnowartościowe układy
UART umożliwiają zarówno sprzę-
tową, jak i programową kontrolę
przepływu danych. Układy UART
można konfigurować w taki sam
sposób, jak to się robi w przy-
padku tradycyjnych mikrokon-
trolerów. Można wybrać długość
ramki danych, liczbę bitów sto-
pu, prędkość transmisji oraz bity
parzystości. Konfiguracji dokonuje
się z poziomu systemu operacyj-
nego. Wbudowane układy UART
posiadają linie sygnałowe sterują-
Rys. 2. Uproszczony schemat blokowy 4-portowego huba USB
18
Elektronika Praktyczna 9/2004
4-portowy hub USB z dwoma interfejsami RS232
Rys. 3. Schemat ideowy huba USB
dzone na gniazda J2..J5. Są
to pełnowartościowe porty
USB przeznaczone do podłą-
czenia dowolnych urządzeń
z interfejsem USB. Wypo-
sażone zostały w kontrolę
napięcia i prądu. Piąty port
wyprowadzony na gniazdo
J6 (PORT5), jak wspomnia-
no wcześniej, nie zawiera
układów kontroli napięcia
oraz prądu i jest przezna-
czony do przyłączenia kolej-
nego np. identycznego huba
USB. Dostarczaniem napięcia
i kontrolą prądu do gniazd
J2..J5 (dodatkowych portów
PORT1..PORT4) zajmuje się
układ U6. Na
rys.
4
przed-
stawiono schemat blokowy
dwóch z czterech kluczy
prądowych układu TPS2044.
W układzie tym oprócz blo-
ków zabezpieczeń, wyróżnić
można blok sterowania tran-
zystorami wyjściowymi, pom-
py ładunkowe wytwarzające
wyższe napięcie przeznaczo-
ne do zasilania bramek tran-
zystorów wyjściowych oraz
blok UVLO monitorujący
napięcie wejściowe. Spadek
napięcia na wejściu poniżej
2 V spowoduje wyłączenie
danego klucza. Dzięki blo-
kowi UVLO gwarantowana
będzie poprawna praca do-
łączonych do portów USB
urządzeń. Wyjścia PWROx
sterujące włączaniem zasila-
nia w poszczególnych por-
tach USB (PORT1..PORT4)
układu U1 zostały dołączone
do wejść !ENx układu U6.
Umożliwiają one załączenie
napięcia na poszczególnych
wyjściach OUTx, z któ-
rych jest ono doprowadzo-
ne wprost do odpowiednich
gniazd J2..J5 (do gniazd J2..
J5 dostarczane jest napięcie
5 V). Obwody CS (
Current
Sense
) układu U6 są czujni-
kami prądowymi współpracu-
jącymi z ogranicznikami prą-
dowymi. Każdy z czterech
kluczy prądowych zawartych
w TPS2044 może dostarczyć
do 500 mA prądu. Przecią-
żenie danego klucza jest sy-
gnalizowane stanem niskim
na odpowiadającym mu wyj-
ściu !OCx. Wyjścia te zostały
dołączone do wejść !OVCRx
Elektronika Praktyczna 9/2004
19
4-portowy hub USB z dwoma interfejsami RS232
Rys. 4. Schemat blokowy kluczy prądowych układu TPS2044
do gniazda J6 (PORT5) pochodzi
wprost z zasilacza, tak więc do-
łączając do tego portu urządzenia
inne niż huby USB, należy mieć
na uwadze, że ten port nie posia-
da układów nadzoru prądu oraz
napięcia zasilania. Elementy R40
i C32 odpowiedzialne są za po-
prawne zerowanie kontrolera U1
po włączeniu napięcia zasilające-
go. Dołączenie wejść !TEST0..!TE-
ST2 do masy, a wejścia TRST do
napięcia 3,3 V konfiguruje kontro-
ler U1 do pracy z rezonatorem
kwarcowym 6 MHz z włączoną
wewnętrzna pętlą PLL powiela-
jącą częstotliwość rezonatora do
48 MHz. Wejście !WAKEUP zosta-
ło dołączone do napięcia 3,3 V,
co zezwala na możliwość uśpienia
huba USB przez hosta. W przy-
padku dołączenia tego wejścia do
masy, hub byłby zawsze w stanie
aktywnym. Wyjścia LED-1..LED-4
sterują dwukolorowymi diodami
LED poprzez tranzystory T1..T4.
Sygnalizują one stan portów POR-
T1..PORT4 huba USB. W przy-
padku „uśpienia” huba, w celu
ograniczenia do minimum pobie-
ranego przez niego prądu, diody
sygnalizacyjne D2..D5 są wyłącza-
ne poprzez tranzystor T5 stero-
wany sygnałem SUSP. W
tab.
2
zostały przedstawione tryby pracy
diod LED. Przykładowo, gdy hub
USB nie jest podłączony do ho-
sta, diody sygnalizacyjne migają
na przemian kolorem czerwonym
i zielonym. W przypadku dołącze-
nia huba do hosta, gdy do dodat-
kowych portów PORT1..PORT4 nie
ma dołączonych urządzeń z inter-
fejsem USB, diody D2..D5 świecą
kolorem czerwonym. W przypadku
dołączenia urządzenia do dodat-
kowego portu, dioda przyporząd-
kowana danemu portowi zmienia
układu U1. O zaistnieniu przecią-
żenia informowany jest układ U1,
dzięki czemu może on wyłączyć
przeciążony klucz, zapobiegając
jego uszkodzeniu. Chronione jest
jednocześnie urządzenie dołączone
do danego portu USB. O przecią-
żeniu danego portu informowa-
ny jest także system operacyjny,
co ma dla jego poprawnej pracy
duże znaczenie. Rezystory R26..
R29 podciągają wyjścia !OCx do
dodatniego napięcie 3,3 V, gdyż
są to wyjścia typu otwarty dren.
Wyprowadzenia wszystkich trans-
ceiverów DMx oraz DPx zostały
(poprzez rezystory R16..R25) dołą-
czone bezpośrednio do złącz J1..
J6. Dodatkowe rezystory zabezpie-
czają transceivery przed uszkodze-
niami spowodowanymi przepięcia-
mi. Zabezpieczenie transceiverów
huba USB ma duże znaczenie,
gdyż awaria choćby jednego por-
tu USB będzie wymagać wymiany
kosztownego układu U1. Uszko-
dzenia transceiverów mogą być
spowodowane przepięciami lub
ładunkami statycznymi. Ponieważ
same rezystory mogą okazać się
niewystarczającymi zabezpiecze-
niami, zastosowane zostały do-
datkowo tłumiki przepięć U7..
U9. Budowa wewnętrzna takiego
tłumika jest pokazana na
rys.
5
.
Jego głównym zadaniem jest nie-
dopuszczenie do wzrostu napięcia
na linach transceiverów powyżej
ustalonej wartości (typowo 7 V).
Jeżeli napięcie wzrośnie powyżej
napięcia przebicia diody Zenera,
załączany jest tranzystor, który
zwiera linie do masy. W skład
jednego układu SN65240 wchodzą
cztery tłumiki. Napięcia dostarcza-
ne do gniazd J2..J6 są dodatko-
wo filtrowane przez kondensatory
C1..C5. Napięcie doprowadzone
Tab. 2. Tryby pracy dwukolorowych diod LED
Zasilanie
portu
Urządzenie
dołączone
Sygnał
SUSP
Wyjście LEDn Kolor
Port
SUSPEND
Nie X X 0
Zmiana stanu na
przeciwny
Czerwony/ zielony Nie
Tak X Nie 0 1
Czerwony Nie
Tak Tak Tak 0 0
Zielony Nie
Tak Nie Tak 0
Zmiana stanu na
przeciwny
Czerwony/ zielony Nie
X X X 1 Brak zmiany Wyłączone Nie
Tak Tak Tak 1
Wysoka
impedancja
Wyłączone Tak
Rys. 5. Schemat tłumików przepięć
układu SN65240
Tak Tak Tak 0
Wysoka
impedancja
Czerwony i zielony Tak
gdzie: X - dowolny stan, n - numer wyjścia LED (1..4)
20
Elektronika Praktyczna 9/2004
Urządzenie
włączone
4-portowy hub USB z dwoma interfejsami RS232
Rys. 7. Schemat blokowy układu
stabilizatora TPS76333
cych na zmniejszenie jego rozmia-
rów. Montaż huba należy rozpocząć
od wlutowania układów scalonych,
przy czym największy problem
może być z wlutowaniem układu
U1. Jego obudowa (TQFP-100) cha-
rakteryzuje się odstępem wyprowa-
dzeń wynoszącym jedynie 0,5 mm.
By prawidłowo zamontować układ
U1, proponuję sprawdzony pomysł,
który polega na wcześniejszym,
delikatnym pocynowaniu punktów
lutowniczych, do których będzie
lutowany. Następnie układ należy
przykleić, zwracając baczną uwagę
na polaryzację oraz dopasowanie
nóżek do punktów lutowniczych.
Do przyklejenia U1 można wyko-
rzystać kleje, których czas schnię-
cia jest dłuższy niż wszelkiego
rodzaju „kropelek”. Dłuższy czas
schnięcia umożliwi dokładne spo-
zycjonowanie wlutowywanego ukła-
du (możliwość skorygowania poło-
żenia). Oczyszczonym z cyny gro-
tem lutownicy należy kolejno deli-
katnie przygnieść końcówki układu
do punktów lutowniczych. Cyna
zawarta na punktach lutowniczych
połączy nóżki układu ze ścieżka-
mi płytki. W przypadku powstania
zwarcia, można posłużyć się taśmą
rozlutowującą. Z układem U1 nale-
ży obchodzić się bardzo delikatnie,
ponieważ łatwo można doprowa-
Rys. 6. Uproszczony schemat
blokowy konwerterów napięć
SN75LV4737A
pięcie 5 V służy głównie do za-
silania portów wyjściowych USB
oraz kontrolera U1, który także
jest zasilany napięciem 3,3 V. Sta-
bilizator U3 stabilizuje napięcie na
poziomie 3,3 V. Jest ono niezbęd-
ne dla układów U1 oraz U4 i U5.
Stabilizator U3 jest stabilizatorem
Low
-
Drop
o wydajności prądowej
do 150 mA. Na
rys.
7
przedsta-
wiono schemat blokowy układu
stabilizatora U3. Jak widać, ma on
wbudowane zabezpieczenie przed
przeciążeniem oraz przegrzaniem.
Jego napięcie wyjściowe jest we-
wnętrznie ustalone przez dzielnik.
Dioda D1 jest wskaźnikiem napię-
cia zasilającego hub USB. Rezystor
R39 ogranicza prąd diody D1, na-
tomiast kondensatory C9..C19 fil-
trują napięcie zasilające układu.
swój kolor na zielony. W tabli-
cy 2 znajduje się opis znaczenia
wszystkich stanów świecenia, ja-
kie mogą przyjąć dwukolorowe
diody LED. Rezystory R30, R32,
R34, R36, R38 ograniczają prąd
baz tranzystorów sterujących. Li-
nie komunikacyjne dwóch inter-
fejsów RS232 zostały przyłączo-
ne poprzez konwertery napięć U4
i U5 odpowiednio do gniazd Z2
i Z3 typu D9M (męskie). Uprosz-
czony schemat blokowy układów
U4 i U5 przedstawiono na
rys. 6
.
W jego skład wchodzi 8 inwerte-
rów, logika zezwalania na pracę
i tryb
Suspend
(uśpienia) oraz po-
jemnościowa przetwornica napięć.
Przetwornica wytwarza potrzebne
napięcia -15 V oraz +15 V, typo-
we dla interfejsu RS232. Konden-
satory C20..C31 są potrzebne do
poprawnej pracy przetwornic ukła-
dów U4 oraz U5. Wejście zezwo-
lenia !EN konwerterów zostało na
stałe dołączone do masy, natomiast
wejście STBY do wyjścia SUSP, co
w przypadku uśpienia huba bę-
dzie powodować także wyłączenie
konwerterów U4 i U5. Dużą zale-
tą konwerterów SN75LV4737A jest
możliwość pracy już przy napięciu
3,3 V, coraz częściej wykorzysty-
wanego do zasilania układów cy-
frowych. Napięcie z zasilacza ze-
wnętrznego jest prostowane przez
mostek M1 oraz stabilizowane na
poziomie 5 V przez układ U2. Na-
Montaż i uruchomienie
Schemat montażowy aktywnego
huba USB przedstawiono na
rys.
8
.
Hub został zbudowany w większo-
ści z elementów SMD, pozwalają-
Rys. 8. Schemat montażowy aktywnego huba USB
Elektronika Praktyczna 9/2004
21
Plik z chomika:
walbe
Inne pliki z tego folderu:
Amplituner FM z RDS.pdf
(700 KB)
Przedwzmacniacz mikrofonowy.pdf
(1485 KB)
Samochodowy booster 40w.pdf
(300 KB)
4-kanalowy mikser stereo.pdf
(2210 KB)
4-kanalowy wzmacniacz samochodowy TDA7384.pdf
(119 KB)
Inne foldery tego chomika:
SchematyTV
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin