USB (Universal serial Bus) grensesnittet ble introdusert i 1996. USB er såkalt ”host centric”, noe som medfører at løsningen må ha en PC (eller tilsvarende) for å fungere (noe som ikke er tilfelle med «konkurrenten» IEEE 1394 – Firewire). USB kan adressere opptil 127 eksterne enheter. Våre touch screen løsninger og tastaturer er blandt våre produkter som benytter USB interface. USB har også overtatt mer og mer for composite og S-video for video overføring fra kamera, etc, etc, bl.a. pga høyere kvalitet (dvs høyere båndbredde på overføringen)
Standardene som det refereres til i dag er USB1.1 og USB 2 og har følgende karakteristikker:
| Pin# | Signal | Kabel fargekode |
|---|---|---|
| 1 | VBUS (5 volts) | RØD |
| 2 | D- | HVIT |
| 3 | D+ | GRØNN |
| 4 | GROUND | SORT |
USB kabel er en 4-leders ”shielded” kabel hvor 2 av lederne brukes til hhv +5V og jord. De to andre er ”twisted pair” for signalene D+ og D-.
Konnektorer
Etter hvert har det blitt flere konnektorer som brukes. På host siden (PC siden) brukes som oftest denne 4 lederen:
Type A (Host)
På peripheral siden (printer siden) brukes som oftest denne konnektoren:
Type B (Device)
Etterhvert har det også kommet mini-USB (også kallt EMU konnektror som står for «Enhanced Mini USB), og Micro USB konnektorer på markedet for å kopple mobiltelefoner og andre små enheter til f.eks. høretelefoner tastatur eller printer, etc. Dette er en 5-leder løsning. Denne standarden støtter i tillegg til de to overnevnte også muligheten for et ID signal. Dette ID signalet ligger på pinne 4 (også kallt X pinne istedenfor numerering) og definerer hva slags utstyr som tilkopples. Nedenfor har vi laget en liten oversikt over klassene. Det er imidlertid viktig å være klar over at en del mini-USB og Micro-USB konnetorer ikke nødvendigvis benyttes til tradisjonelle USB signaler, men like ofte helt «ukjente» enheter. Ihht den nye EU standarden skal pluggene også benyttes for batteriladning av mobil telefoner slik at alle mobiltelefon leverandører kan benytte samme lader.
| Pin# | Signal | Kabel fargekode |
|---|---|---|
| 1 | VBUS (5 volts) | RØD |
| 2 | D- | HVIT |
| 3 | D+ | GRØNN |
| X | ID | Ukjent |
| 4 | GROUND | SORT |
Mini-USB og micro-USB cabler har sterke likhetstrekk med Ethernet stp/ftp kabler, mens USB 1.0 og 2.0 har likhetstrekk med utp kabel ettersom alle kablene er twisted pair. Mer info om dette på vår support side som omhandler Ethernet (link lenger ned på siden)
| ID | Klasse | Beskrivelse | Eksempler |
|---|---|---|---|
| 00h | Device | Uspesifisert | Uspesifisert. Interface descriptors are used for determining the required drivers. |
| 01h | Interface | Audio | Høytaler, mikrofon, lyd kort |
| 02h | Both | Communications and CDC Control | Ethernet adapter, modem, serie port adapter |
| 03h | Interface | Human Interface Device (HID) | Tastatur, mus, joystick |
| 05h | Interface | Physical Interface Device (PID) | Force feedback joystick |
| 06h | Interface | Image | Webkamera, scanner |
| 07h | Interface | Printer | Laser printer, inkjet printer, CNC machine |
| 08h | Interface | Mass Storage | USB flash drive, memory kort leser, digital audio spiller, digital kamera, ekstern disk |
| 09h | Device | USB hub | Full speed hub, hi-speed hub |
| 0Ah | Interface | CDC-Data | (Denne klassen brukes sammen med 02h - Communications and CDC Control.) |
| 0Bh | Interface | Smart Card | USB smart kort leser |
| 0Dh | Interface | Content Security | |
| 0Eh | Interface | Video | Webkamera |
| 0Fh | Interface | Personal Healthcare | |
| DCh | Both | Diagnostic Device | USB kompatibel teste enhet |
| E0h | Interface | Wireless Controller | Wi-Fi adapter, Bluetooth adapter |
| EFh | Both | Miscellaneous | ActiveSync enhet |
| FEh | Interface | Application Specific | IrDA Bridge, Test & Måle klasse (USBTMC) |
| FFh | Both | Vendor Specific | (Denne koden indikerer at enheten trenger produsentspesifikk softwaredriver) |
Mer info om mini-USB, micro-USB og USB-C konnektorer kommer senere.
Kabel og hastighet
Det brukes som oftest ikke kabler med 2 like typer konnektorer (f.eks. 2 x type A eller 2 x type B), men det finnes unntak.
| Standard | Lengder | Hastighet | Guiding Document |
|---|---|---|---|
| USB 1.1 | 5 meter | 12 Mbps | USB 1.1 Promoter Group |
| USB 2.0 | 5 meter | 480 Mbps | USB 2.0 Promoter Group |
| USB 3.0 | (3 meter ?) | 4,8 Gbps | USB 3.0 Promoter Group |
Pr idag (januar 2010) har vi kun utbygningsmoduler (PCI Express) for våre micro PC løsninger, dvs foreløpig ikke integrert på hovedkortet. Idag er kun konnektor type A (standard) i en litt modifisert utgave som er godkjent for USB 3.0 (også kalt «Super Speed») for å unngå støyproblemer på signalet. Dette medfører at standard/tradisjonell type A/B vil ikke passe inn i USB 3.0 konnektor, men en USB 3.0 kabel vil fortsatt kunne fungere i en standard/tradisjonell type A/B konnektor (men da med begrenset hastighet ihht tidligere standarder). Selv om USB 3 i teorien klarer 4,8GB vil div. «funksjoner» (overhead) medføre at reell hastighet ant ikke overstiger 3,2Gbps
Noen PC løsninger har forholdsvis lange USB kabler internt i chassis. I slike tilfeller kan brukeren oppleve at 5 meter ekstern kabel blir for langt. Ved bruk av for eksempel Cat 5 kabel (ref Ethernet) kan USB 2 ofte økes til opptil 25 meter.
Andre særtrekk
USB benytter differensiell elektrisk signalering.
”Low speed” (vers 1.1) og ”full speed” sender logisk 1 når D+ er på 2,8V eller mer, og D- til under 0,3V. Ved logisk 0 er D- over 2,8V og D+ mindre enn 0,3V. På mottager siden defineres en logisk 1 når D+ er 200mV mer enn D-, og logisk 0 når D+ er 200mV mindre enn D-. Polariteten på signalene inverteres avhengig av bus hastigheten, noe som medfører at termer som `J` og `K` benyttes for å indikere logisk 1 eller 0. I ”low speed” er logisk 1 `J`, mens i ”high speed” er logisk 1 `K`.
“Low speed” og “high speed” bus har en karakteristisk impedans på 90 ohm +/- 15
High Speed (480Mbits/s) mode bruker 17.78mA konstant strøm for signalene for å redusere støy.Super Speed (5GB/s) løsninger kan ofte levere så mye som 900mA på hver USB port som er integrert.
Trådløs USB
I 2005 ble det definert en standard som beskrive som trådløs USB. Løsninger som er basert på denne standarden er imidlertid ikke på markedet enda. Det skal imidlertid bli interesant å se hva denne standarden kan klare mht overføringer i virkelig bruk. Frekvensområdet som benyttes skal være 3.1 GHz–10.6 GHz. Standarden skal dermed ikke interferere med f.eks. trådløst ethernet, Bluetooth eller Zigbee. Båndbredden blir 53 – 480, dvs det samme som er forventet til den nye Bluetooth 4 standarden som også skal komme. Rekkevidden er definert til 3 – 10 m. Moduleringen er definert til MB-OFDM (dvs det som også er ventet å være situasjonen for Bluetooth 4)
Problem med USB - RS232 overgang
En del har opplevd problemer ved bruk av USB til/fra RS232 overgang. Årsaken kan være mange, men kjente tilfeller har bl.a. bakgrunn i dette:
På PC siden er det gjerne 3 spenningsnivåer som er tilgjengelig. +5V (for UART, +12V og -12V (for signal). Noe av årsaken til problemer med kommunikasjonen ligger på det ekstreme prispresset som produsentene har. I mange miljøer er pris det eneste kriteriet ved valg av løsning, og leverandørene i Norge har små muligheter til å teste overgangene i hvert enkelt tilfelle.
USB interface leverer som kjent kun +5V (se mer info om USB på vår side som omhandler dette). En intern DC-DC konverter skal booste opp denne spenningen til 12V og invertere den. Dette er det dessverre vanskelig for de rimeligste DC-DC konverterne å gjøre. I andre tilfeller benyttes +/- 5V til å drive signalene ettersom spesifikasjonene (se ovenfor) tilsier at spenninger mellom +/- 3V er udefinerte signaler mens spenningsnivåer som er høyere enn dette defineres som «high/low». +5V brukes også i en del tilfeller til å drive UART på RS232 siden. Men en del UART kretser (også fra kjente produsenter) klarer ikke å følge denne spesifikasjonen. En stor og kjent produsent av UART kretser definerer f.eks. spenninger mellom 0-2V som ‘0’ (space/low), mens spenninger under ‘0’ defineres som ‘1’ (mark/high). Andre UART løsninger definerer også spenninger over +2V som ‘0’ (space/low). Noen ganger fungerer inngangssignalet fint, men enheten klarer ikke å svare med riktig signal tilbake.
Enda vanskeligere blir det når overgangen mellom USB og RS232 fungerer noen ganger, mens den andre ganger feiler. Dette kan for eksempel skje at en rimelig USB device fungerer greit når den henges på en rimelig laptop, mens en dyrere USB enhet ikke fungerer. Årsaken kan da være at den dyrest USB enheten er designet for å være «immun mot støy, mens den rimelige løsningen ikke er det. Når en laptop med en «low cost» RS232 implementasjon sender signalet som blir sett på som støy i andre enden, vil løsningen naturligvis ikke fungere tilfredsstillende.
Et annet problem som kan skje er «handshake» signalene. Noen benytter software handshake mens andre løsninger benytter hardware handshake. Hardware handshake er utelat av en del produsenter av USB-RS232. Om det er krav til hardware handshake vil det naturligvis kunne oppstå problemer.
I andre tilfeller benyttes hardware handshake kun om det er snakk om å overføre store datamengder. I slike tilfeller kan en oppleve at løsningen fungerer greit i 1 time, 1dag eller 1 uke, – for så å feile. Slike ustabile løsninger skaper av naturlige årsaker store problemer om en avhengig av en løsning som fungerer tilfredsstillende over lengre tid.
Copyright © 2020
Jørn Jensen
Gjengitt med tillatelse.
Om ønsker informasjon som ikke finnes på våre sider, ber vi deg kontakte oss med f.eks. en mail til vår support avdeling. Vi vil da forsøke å få opp mer informasjon så raskt som mulig.