Гальваническая изоляция USB 2.0 High Speed
Эта статья — новый способ «разогнать» изолированный USB-порт. Здесь приведен частный пример, а так же немного дополнительной информации про скорость USB.
Если сильно постараться, то можно ужать данную статью до мема.
Рис.1 Краткое содержание статьи
Общаться и с людьми бывает небезопасно — неосторожное слово и у кого-то полыхнет, сложная мысль заставит зависнуть, а упоминание матери вообще может напрочь закоротить весь обмен информацией. С цифровой электроникой почти то же самое. USB — один из самых популярных цифровых интерфейсов для подключения чего-бы-то-ни-было, и задача его обезопасить (== изолировать) возникает часто.
Практическая часть
В 2009м году миру явили ADuM4160 — USB-изолятор. Казалось бы, чего еще желать, однако, из трёх возможных скоростей USB 2.0 (1500 Кбит/c, 12 Мбит/с, 480 Мбит/с) микросхема поддерживает только две самые медленные. Обычно этого вполне достаточно, чтобы реализовывать HID-устройства, виртуальные COM-порты. Это перекрывает практически все потребности при работе с микроконтроллерами, но сегодня мы преодолеем это ограничение. Недавно (в ноябре 2021!), Texas Instruments выпустили партию инженерных образцов микросхемы ISOUSB211.
Мне повезло заполучить пару микросхем и протестировать их работоспособность. В схемотехнике я не выдумывал ничего за границами даташита и развёл небольшую платку с прицелом на имеющийся у меня на руках корпус. Я развёл собственный изолированный DC-DC преобразователь, но для того чтобы быстрее перейти к тестам я использовал старенький SBT01L-05
Рис. 2 Печатная плата после монтажа компонентов. Динозавры передают пакеты через гальванический барьер
В качестве первого теста я скопировал туда-обратно файлы на флешку, получив
23 МБайт/с (184 МБит/с) для чтения и
10 МБайт/с (80 МБит/с) для записи (см. Рис. 3)
Рис. 3а Скорость чтения и скорость записи (SanDisk Cruzer Blade USB Device) через изолятор 
Рис. 3б Скорость чтения и записи (SanDisk Cruzer Blade USB Device) без изолятора
Я результатом доволен скорость High Speed взята! Ура! Спасибо за внимание! Фото поделки в сборе на рисунке 4.
Рис. 4 Вид готового устройства
Факультативная теоретическая часть
Тэкс, почему-то некоторые не расходятся. Дайте угадаю, у вас в голове сейчас что-то такое: «Так, @coolebyak, ты говорил про USB 2.0 High Speed, у которого 480 Мбит/с или 60 МБайт/c. А результаты-то у тебя на скриншотах меньше! Обман!»
Я рад, что вы остались, потому что это действительно может сбить с толку. Лаконичный ответ на этот вопрос лежит в сети уже с 2011-го. По сути, я сейчас повторю, что ответили вот в этом посте, но только переводя с английского.
USB 2.0 использует фреймы в 1 мс, а в режиме High Speed (480 Мбит/с) они делятся на 8 микрофреймов. Максимальный размер пакетов, используемых запоминающими устройствами USB, составляет 512 Байт. Согласно этому очень информативному документу теоретический максимум составляет 13 пакетов на микрофрейм. Итак, теоретическая максимальная скорость USB-накопителя 2 составляет:
1000 * 8 * 512 * 13 = 53248000
Рис. 5 Таблица теоретических пределов скорости передачи 
Рис. 6 USB-фрейм для массовой передачи данных
На практике слабым местом, как правило, является сама флешка. В качестве примера приводят временную диаграмму записи в NAND Flash (Рис. 7). Время для каждого передаваемого пакета можно разбить на три участка: 1) время для выполнения USB-передачи, 2) первичные временные затраты операционной системы (или встроенного ПО) и 3) время программирования NAND Flash.
Рис. 7 Пример узкого места для скорости передачи данных по USB
Получается, для моей видавшей виды флешки результаты вполне достойные. Главное, что они выше 1.5 МБайт/с.
Результаты и выводы
Испытание высоким напряжением еще предстоит, пока что могу сказать лишь, что электрический разряд от шерстяного свитера микросхема выдерживает. Прототип изолятора получен и успешно испытан на флешках, камерах, внешних аудиокартах. Что очень меня радует, чем делюсь и хвастаюсь здесь. Надеюсь, Texas Instruments наладят производство и в скором времени эти микросхемы снова появятся в продаже и будут дешевле
13$. Надеюсь, было полезно. Теперь точно Спасибо за внимание!
Пример, как задачу изолирования USB 2.0 High Speed решить супер дорого. 2*ULPI, 2*ПЛИС, быстродействующие оптопары и не забывайте — кто-то это программировал.
Прикладываю схему. На ней отсутствует разработанный мною изолированный DC-DC, т.к. я его ещё не тестировал.
Схема принципиальная
Источник
Оптическая реинкарнация USB 3.0
Компания Corning, известная благодаря защитным стёклам Gorilla Glass, приступила к продажам оптического кабеля с разъёмами USB 3.0. Он отличается исключительной помехозащищённостью по сравнению с традиционными медными вариантами. На практике это позволяет выполнять передачу данных на большие расстояния и достигать стабильно высоких скоростей.
На фоне развития беспроводных технологий подключение различных устройств кабелем по-прежнему остаётся самым надёжным вариантом. В большинстве случаев он также обеспечивает и более высокую скорость передачи данных, но создаёт массу неудобств. Повесить USB-модем за окно, подключить внешний жёсткий диск на соседнем столе, удалённо управлять фотоаппаратом с ноутбука — все эти повседневные задачи лимитируются длиной кабеля.
Оптический кабель Corning стандарта USB 3.0 уже продаётся на Amazon.com (фото: corning.com).
По стандарту USB предельная длина неэкранированного кабеля составляет три метра, а экранированного — пять метров. При этом сечение провода должно быть достаточно большим: индекс 20–22 по стандарту AWG, что приблизительно соответствует диаметру жил 0,8 и 0,6 мм соответственно (чем меньше номер индекса AWG, тем толще провод).
Многие производители экономят, уменьшая сечение провода, пренебрегая экранированием и защитной позолотой контактов. В результате найти качественно сделанный кабель на сегодняшнем рынке довольно сложно, и касается это не только стандарта USB.
Разумная длина любого медного кабеля ограничивается коэффициентом затухания полезного сигнала, который по мере увеличения сопротивления (потерь в проводнике) выходит за рамки допустимых пределов.
Активный кабель USB 2.0 длиной 15 м (фото: ecvv.com).
Поэтому сегодня в продаже редко можно встретить кабели USB 3.0 длиннее пяти метров. Это будут либо активные кабели с усилителями сигнала, либо очень низкокачественные шнуры, не соответствующие принятым стандартам.
При длине более пяти метров пассивные решения не обеспечивают надёжной связи, а цену активных ощутимо поднимает наличие репитера. К тому же из-за высокого сопротивления у обоих вариантов к ним можно подключать только маломощные устройства.
Избавиться от перечисленных ограничений можно таким же образом, как это сделали интернет-провайдеры, — перейти с меди на оптику. В этом случае электрический сигнал преобразуется в световые импульсы, которые можно без потерь передавать хоть на сотни метров, не опасаясь падения скорости и влияния помех.
Первой такой моделью производства Corning стал оптический удлинительный кабель USB 3.0 стандарта A длиной десять метров. Его выпуск анонсировали ещё год назад, но продажи начались только сейчас. В ролике ниже представлен тест скорости подключения на выставке CES 2013.
Внешне кабель отличают малая толщина, высочайшая гибкость и прочность, достигаемые за счёт использования фирменного оптоволокна Corning ClearCurve VSDN. Поддержка USB 2.0 сохранена, но вопрос о дальнейшей совместимости со стандартом USB 3.1 пока остаётся открытым.
В случае коммерческого успеха Corning планирует выпустить следующий, тридцатиметровый вариант. Ранее оптические кабели были непопулярным решением, поскольку часто хватало обычных медных. С принятием скоростных стандартов ситуация стала меняться.
Оптические кабели Corning (фото: theonlineengineer.org).
Оптические кабели USB предлагается использовать дома, в офисе и в качестве походного варианта для подключения современных устройств на гарантированно высокой скорости в любом электромагнитном окружении.
Главный аналитик Mercury Research Дин Маккаррон (Dean McCarron) считает, что первыми владельцами новых оптических кабелей станут обладатели внешних жестких дисков с интерфейсом USB 3.0, а также оборудования для записи и воспроизведения видео высокой четкости. «Можно безопасно прогнозировать, что скорости передачи данных будут расти ещё больше», – поясняет он в интервью изданию PCWorld.
Параллельно в Corning анонсировали запуск производства оптических кабелей стандарта Thunderbolt 2 длиной до ста метров и со скоростью передачи данных до 20 Гбит/с.
Источник
Продвинутый USB-изолятор Nobsound ADuM4160
Сегодня говорим о компактном USB изоляторе, обеспечивающим правильную гальваническую развязку и позволяющим избавиться от шумов по питанию USB порта. Естественно, снабдим все графиками и разнообразными замерами.
Зачастую услышать шумы по USB чрезвычайно сложно. Однако, то и дело появляются жалобы на звуковые карты, ЦАПы, усилители для наушников и аналогичные устройства. Кто-то конечно считает, что так и должно быть. Другие удивляются, поскольку в их прошлых моделях такого не было и искренне хотят разобраться в проблеме. Сам я столкнулся с шумами при замерах с моего ноутбука. Даже не смотря на то, что в момент измерений я переводил его в режим работы от аккумулятора — помехи никуда не исчезали. На АЧХ это параметр влияния не имеет, однако шумы и различные искажения выглядят весьма скверно. И главное, что этот недостаток относится не к измеряемому устройству, а непосредственно к измерительной системе и портит общее мнение читателей о аудиодевайсе.
Суть же USB изолятора очень проста и заключается в реализации гальванической развязки ПК и внешнего устройства. Существует целый ряд подобных решений на разных чипах, наиболее удачными из которых признаются ADuM4160. Мне в руки попала продвинутая версия именно такого изолятора с наименованием Nobsound ADuM4160. Стоит он конечно не шапку сухарей и верю, что многие из читателей из грязи и палок сделают лучше. Но я такими искусствами не владею, оттого даже спорить на эти темы не буду. Мы же займемся подробным рассмотрением героя нашего обзора.
Поставляется девайс вообще без упаковки, а в комплекте находим лишь короткий MicroUSB кабель.
На самом устройстве имеем полноценный USB порт для подключения аудиоустройства.
А комплектным MicroUSB кабелем, через соответствующий разъем на противоположном конце, мы подключаемся к ноутбуку или ПК.
Достоинством данной модели можно считать второй MicroUSB порт, к которому можно подвести внешнее питание.
Текущий режим работы определяется двумя переключателями: Low/High и In/Ext Power.
Первый, по факту, меняет режим работы USB 1.0 на USB 1.1. Да, устройство не поддерживает полноценный USB 2.0 и всего лишь с ним совместимо. В моем случае, звуковая карта Focusrite работать с изолятором наотрез отказалась, а вот куча разнообразных ЦАПов с внешним питанием — функционируют отлично. Второй переключатель, как несложно догадаться, переводит питание с внутреннего на внешнее.
Ну и что же мы имеем в итоге? Для примера приведу свой стационарный ЦАП TOPPING DX7s с выхода на наушники без и с применением изолятора. Переключатель питания установлен в режим In, в Ext замеры незначительно лучше.
В текущих графиках Normal (зеленый) — это измерения без устройства, а Clear (белый) — с применением описанного выше устройства.
Итогом, в недостатки Nobsound ADuM4160 отнесу отсутствие полной поддержки USB 2.0, однако ее нет ни у одного из аналогичных устройств с АлиЭкспресс. В качестве достоинств получаем реально отличные замеры и практически полное отсутствие внешних шумов.
Источник
