Программа Сервисный Центр
0

Изолированный преобразователь USB-UART, стоящий $20 и сделанный за 20 минут


Jacob Beningo

EDN

В оцепенении я стоял в клубах дыма, поднимающегося над лежащей на моем столе печатной платой. Всего за минуту до этого я спокойно работал над своим проектом, когда вдруг услышал хлопок, который можно было сравнить только с пистолетным выстрелом. Последствия оказались неожиданными: порт USB компьютера, который использовался с преобразователем USB-UART для обмена с разрабатываемым оборудованием, вышел из строя и восстановлению не подлежал. Теперь компьютер был испорчен и превратился в бесполезную железку.

Между тем, простая схема изоляции ценой всего несколько долларов могла бы надежно защитить USB порт компьютера. Разработчики встраиваемых систем привыкли ежедневно подключать к своим компьютерам непонятные платы и компоненты и редко задумываются о возможных последствиях.

В этой статье описывается дешевая схема изолированного моста USB-UART, собранная из деталей, предлагаемых компанией Sparkfun, основу которой составляет коммутационная плата (breakout board – BOB) USB-UART.

Изолированный преобразователь USB-UART может оказаться полезным очень во многих случаях. К примеру, при разработке устройств с батарейным питанием преобразователь USB-UART часто оставляют подключенным к схеме, из-за чего в отсутствие изоляции схема оказывается через землю хоста подключенной к шине земли. При этом устройство может работать нормально, но при отключении от компьютера перестает работать вообще. Изолированный преобразователь разделяет земли устройства и хоста, позволяя решить проблемы заземления уже на раннем этапе разработки.

Важнейшим назначением изолированного преобразователя USB-UART является, безусловно, предупреждение отказов. Представьте себе последствия подключения непроверенной электронной платы к дорогому ноутбуку, такому, например, как MacBook Pro. Аппаратная спецификация USB предусматривает наличие цепей защиты, но конечно, не для приборов, работающих при напряжении в сотни вольт постоянного тока. Когда вышедшее из строя устройство на шине USB имеет потенциал более 5 В, или когда через него протекает значительный ток, вы не пожалеете о том, что потратили $20 на изоляцию двух устройств.

Выбор изолятора

Выбор изолятора требует очень тщательного подхода. UART всегда считали низкоскоростными устройствами, однако современные микроконтроллеры и интерфейсы могут поддерживать скорости, превосходящие 1 Мбит/с. Многие изоляторы, в особенности оптроны, не могут работать на частотах свыше 100 кГц. Выпускаемый Silicon Labs цифровой изолятор Si8421BB-D-IS вполне подходит для нашего приложения, однако он не рекомендован для использования в новых разработках. Альтернативой могла бы быть микросхема ADUM3211ARZ, но она не проверялась, поэтому использовать ее вы будете на свой страх риск.

Изоляция микросхемы SI8421BB позволяет ей выдерживать напряжение 2.5 кВ в течение 1 минуты. Суффикс BB указывает на то, что изолятор может работать на скоростях до 150 Мбит/с. Цена микросхемы SI8421BB-D при небольших объемах закупок составляет всего $1.46, но если для вас это слишком дорого, SI8421AB-D будет стоить лишь $1.05 (при максимальной скорости 1 Мбит/с). Другим преимуществом SI8421BB-D является то, что она имеет два изолятора в 8-выводном корпусе SOIC, то есть, способна обеспечить двунаправленный обмен по линиям сигнальной пары Tx/Rx. Изоляторы однонаправленные, однако расположение их выводов позволяет совместить микросхемы с платой преобразователя USB-UART фирмы Sparkfun.

Изготовление устройства

Для изготовления моста нужно заказать совсем немного деталей:

Кол-воКомпонентИсточникНомер по
каталогу
Цена
1Плата преобразователя
USB-UART
SparkfunBOB-12731$14.95
1Плата для корпуса SOICSparkfunBOB-00494$2.95
1Штыревые контакты 0.10”SparkfunPRT-00116$1.50
1Микросхема изолятора
SI8421BB-D-IS
Digikey336-1756-5-ND$1.46

Полная стоимость этих компонентов без учета доставки составляет $20. У большинства конструкторов в работе всегда находится хотя бы один проект, поэтому, объединив заказы элементов для изолятора и текущих разработок, стоимость доставки можно существенно снизить. Полный набор компонентов может выглядеть примерно так, как показано на Рисунке 1.

Изолированный преобразователь USB-UART, стоящий $20 и сделанный за 20 минут
Рисунок 1.Компоненты изолированного моста USB-UART.

Сборка изолятора

Изолированный преобразователь USB-UART, стоящий $20 и сделанный за 20 минут
Рисунок 2.Установка микросхемы
в корпусе SOIC-8 на
плату BOB.

Для начала припаяйте изолятор к плате для установки корпуса SOIC (Рисунок 2). Затем запаяйте штыревые контакты, как указано на Рисунке 3.

Изолированный преобразователь USB-UART, стоящий $20 и сделанный за 20 минут
Рисунок 3.Установка штыревого разъема.

Для платы моста USB-UART требуется 4-контактный штыревой разъем, через который будут выведены сигналы Gnd, Tx, Rx и VCC.

Изолированный преобразователь USB-UART, стоящий $20 и сделанный за 20 минут
Рисунок 4.Изолированный мост USB-UART в сборе.

Теперь плату с микросхемой изолятора можно припаять непосредственно к плате моста USB-UART (Рисунок 4). Вывод 1 микросхемы SI8421BB-D-IS должен получать питание 3.3 В от микросхемы FT232R, установленной на плате преобразователя. На этом сборка изолированного моста USB-UART заканчивается!

Испытания преобразователя

Плата преобразователя USB-UART питается напряжением 5 В через подключенный к хосту кабель USB. Установленная на плате микросхема FT232R вырабатывает напряжение 3.3 В, используемое для питания первичной стороны изолятора. Вторичная сторона получает питание от исследуемого устройства, которое может равняться либо 3.3 В, либо 5 В. Простейшим способом проверки изолированного преобразователя будет подключение питания и земли к вторичной стороне SI8421BB-D-IS и непосредственное соединение выводов Tx и Rx (Рисунок 5). Очень удобно для установки платы изолятора, что немаркированные контакты корпуса SOIC-8 непосредственно соответствуют шелкографии на плате преобразователя USB-UART, так что контакты Vcc, Tx, Rx и GND на обеих платах оказываются друг против друга.

Изолированный преобразователь USB-UART, стоящий $20 и сделанный за 20 минут
Рисунок 5.Проверка преобразователя.

Наконец, пришло время испытаний платы. Запустите свою любимую терминальную программу и откройте виртуальный COM-порт, созданный драйвером FTDI. Чтобы не связывать себя никакими ограничениями, скорость обмена с терминалом я установил равной 921.6 Кбит/с. Ввод в терминал посылает в изолятор данные, которые, вернувшись по замкнутой петле, будут появляться в окне терминальной программы (Рисунок 6). О возникновении проблем будут сигнализировать имеющиеся на плате светодиоды Tx и Rx. При вводе в терминал должны гореть оба светодиода. Если один из них погас, вы поймете, на какой из сторон изолятора следует искать неисправность.

Изолированный преобразователь USB-UART, стоящий $20 и сделанный за 20 минут
Рисунок 6.Кольцевой тест изолированного моста USB-UART.

Последние мысли

Изготовление этой простой изолирующей платы поможет обеспечить минимально необходимую защиту. В качестве следующего шага, повышающего надежность преобразователя, вы может добавить защиту UART от электростатических разрядов.

Теги: USB-UART
 
 
Информация
Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии в данной новости.
 
Обратная связь

Наши партнеры

 

Опросы

Есть ли справедливость в жизни?
Конечно есть, уверен!
Вроде как должна быть, но...
Затрудняюсь ответить...
Какая справедливость? О чем Вы?
Эх.., нет правды на свете!

 

Облако тегов

Требуется для просмотраFlash Player 9 или выше.

Показать все теги
 

Календарь публикаций

«    Декабрь 2016    »
ПнВтСрЧтПтСбВс
 
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
 
 

Архив новостей

Декабрь 2016 (15)
Ноябрь 2016 (42)
Октябрь 2016 (34)
Сентябрь 2016 (38)
Август 2016 (34)
Июль 2016 (36)
 
Наверх Сервисные мануалы Даташиты Ремонт LCD, ЖК телевизоров LG Samsung Скрипт программы "Сервисный центр"