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USB隔离协议转换器 本帖主对外承接开发,联系作者
陈臻
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发表于Sat Oct 29 22:11:24 CST 2016   |  只看该作者 1# 电梯直达

1、作品简介

              USB隔离协议转换器主要应用于严酷的工业场合现场调试测试,是现场工程师的调试神器;也可用于研发实验室,成为研发员的中的必备法宝。

              它可实现以下几个主要功能:

                1. USB HUB功能:转换出3个USB2.0 Type-A接口,每通道1.5A限流,可带3个移动硬盘同时工作(需要外部电源)

                2. USB自供电不足报警:当红灯亮起时,说明USB自供电不足,电源管理处于限流工作状态,需要接入外部电源。

                3. USB转RS485/232/TTL 隔离转换器,隔离电压1500VAC。

             在产品研发生产中,总会遇到笔记本USB口不够用,串口不稳定等情况,有时候还会出现笔记本重启后才能够将串口恢复正常,大的影响研发生产的效率。在有些工业环中,不带隔离的协议转换器经常会出现损坏、误码率高等情况,实际上在恶劣的工业环境中,浪涌无处不在,浪涌、谐波都是造成上面问题的罪魁祸首,在某宝上也有一些USB的协议转换器,但价格非常高。因此我感觉有要把这些问题整合起来,做一个让自己满意的转换器。

              在研发产品时,工程师再也不必为485总线,232通讯找USB的转换器了,而且也不会占用USB口,因为它还可以放出3个电流比较大的USB口,足够用了,电流有保障,HUB才能表现的比较稳定。在现场维护产品时,一个USB隔离协议转换器就可以让工程师减少调试中信号不稳定的痛苦,稳定一直以来是工程师最基本的愿望,不然真的会产生很多负能量。


2、作品亮点

       在USB HUB方面,以前用过一些可外接电源的,结果拆开里面一看,真的是电容能省则省,2个电源直接通过0欧姆电阻连一起,原来的丝印是二极管丝印,大概是节约成本,只要稍微懂点的人,就会感觉非常不好,如果外部电压高,电流都会倒灌到电脑主板里,坏了就麻烦了,而这个USB HUB用料绝对不含糊,本来限流打算用自恢复保险,但是它的速度相对还是比较慢,尤其是在寒冷的环境中可能会失效,所以还是采用芯片的电源管理,限流可通过一个电阻进行设定,在电源并联处放置了一个肖特基二极管,为了减少压降。在USB总线处增加了汽车级的TVS保护管,提升可靠性。

在USB转隔离485方面,特意增加了EMC保护电路,大大降低浪涌电流冲击模块,导致模块损坏的风险。

      在各个隔离模块前都有一个电源开关点,一般调试只会用到一种协议,而3种协议同时隔离工作,在没有外部供电时,可能会增加笔记本USB供电压力,一般同时工作在200mA左右。

      USB输入接口使用 USB Type BMiniUSB双输入模式,兼容更多的USB数据线。




3、系统构架图


       外部电源输入模块采用MPS公司的MP1584芯片作为稳压电源方案

       USB输入模块采用德州仪器公司的TPS2553作为电源管理方案,使用SS14肖特基二极管将输入稳压电源串联起来,在使               用外部电源时,USB输入电源将降少电流输出。

       USB主控采用台湾汤铭电子的FE1.1芯片作为USB HUB方案,USB信号线保护采用德州仪器公司的TPD4E001TVS阵列

       USB输出模块1/2/3使用1.5A自恢复保险丝作为电源限流方案

       USB转串口模块采用江苏沁恒股份有限公司的CH340B作为USB转串口方案

       TTL转隔离TTL采用德州仪器公司的ISO7321电容式隔离转换芯片

       TTL转隔离RS232采用金升阳公司的F505S-1WR2作为隔离电源方案,使用德州仪器公司的ISO7321电容式隔离转换芯

片+MAX3232转换芯片作为隔离RS232设计方案

       TTL转隔离RS485采用金升阳公司的TD301D485H-A作为隔离RS485转换方案



4、原理图



            有个地方需要注意下,FE1.1芯片的TEST需要接到地,否则无法工作

            原理图文件:JC1002-1原理图.zip



5、实物图材料清单



主要元器件链接

USB/CH340B:http://www.szlcsc.com/product/details_82160.html

USB/FE1.1:http://www.szlcsc.com/product/details_29710.html

USB/TPS2553DBVhttp://www.szlcsc.com/product/details_56292.html

贴片保险丝/1.5A 13.2V 自恢复保险丝:http://www.szlcsc.com/product/details_71179.html

低压差线性稳压(LDO)/AMS1117-3.3:http://www.szlcsc.com/product/details_6652.html







6、PCB实物图



PCB源文件:JC1002-1PCB.zip


7、作品演示






8、总结

这个板子焊接调试并非一帆风顺,板子昨天到的,今天上午开始手工焊,焊接时发现了几个问题:

一:C1206的电容封装的丝印需要改良下,中间有一横丝印会突出来,这样电容容易放不平。

二:几个SS14二极管放的太近,刀口电烙铁不太好焊接出漂亮的焊点。

三:电源模块用错料了,本来选用的是那种常用的B_LS系列的,结果用的是F系列的封装,没办法只能用F1215的先暂时替换下,电压比例差不多,使用也没有问题。

四:USB Type A的封装离边界还有2个mm,这个封装也需要小改下,但不影响U盘、数据线等使用

 

焊接完成后,上电插入USB口调试,电脑端能发现USB集线器,但是集线器下面的4个设备一直找不到驱动,直觉是应该是还没有真正驾驭FE1.1这颗料,翻开数据手册再一次核对起它的管脚功能,量一量每个节点的电压,都表现正常,这时候发现这颗料的TEST管脚引起了我的注意,在同类型的FE1.1S芯片网友给出的设计原理图悬空在那里,之前就没怎么重视这个引脚,按照手册的意思,接地测试使能,是不是可以接地试试?结果接地后,一切正常了,虽然现在还搞不懂为什么,就当一个经验,这个芯片的TEST管脚需要拉低,以后慢慢会知道的。

接下来测试了下USB接移动硬盘,U盘,甚至短路其中一个USB口,或在其中一个USB口加电机负载,都表现的正常,只要接了外部电源,短路其中某个USB口,不会造成移动硬盘或U盘的数据传输错误。

在测试串口波特率的时候,先使用隔离TTL进行测试,测试设备也是一个USB转TTL的小工具,它用的是FTDI的芯片,全双工通讯,将波特率提升至2000000,发现从我的设备端发送数据到测试工具端有一定的误码率,而反之基本没有误码,将波特率降至1000000,基本上没有误码率了,从侧面也反应出FTDI的芯片稳定性更好,但成本也提升了不少,一般用用CH340足矣。

这个设备基本上能满足原来的需求,可能在现场没有其他电源的情况下,可使用锂电池接入HUB,增加供电能力,锂电池电量降低时再使用USB口给它充电,接下来可能得把这个外部电源模块做出来。

一般研发实验室里用用还是比较方便的,之前有考虑过使用双USB口增加电流,但仔细想想,还是用外部电源比较适合,电流更大,满足更大负载需要,而且坏一个USB口和坏一个外部电源的抉择中,我肯定选择后者。

这个作品的亚克力外壳还在定制中,等到了以后再上效果图























该帖子已被陈臻于Sat Oct 29 22:40:50 CST 2016编辑过
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老酒
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发表于Mon Oct 31 08:56:03 CST 2016   |  只看该作者 2#
没看到隔离电路,可惜
红尘客
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发表于Wed Nov 09 23:29:35 CST 2016   |  只看该作者 3#
老酒 发表于 Mon Oct 31 08:56:03 CST 2016  2# 没看到隔离电路,可惜
有的。很不错的东西,感觉有点大。
◆爱浦电源模块, 网线, 水晶头, 语音合成(SYN6288), 电源滤波器(ACM7060), 万用表(UT890C+), 旋转编码开
谁没穿裤子
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发表于Thu Nov 10 09:31:14 CST 2016   |  只看该作者 4#

楼主用自恢复保险丝的话,感觉会很烫,而且不能一直维持1.5A吧,越烫电流会越小。

如果给2A快充的手机充电,会不会保险丝保护而充不进电。





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dotnfc
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发表于Mon Dec 12 17:10:23 CST 2016   |  只看该作者 5#
支持,这是好工具。
西点
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发表于Mon Jun 12 15:02:11 CST 2017   |  只看该作者 6#
这个做下来估计要100多的成本。
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