USB (Universal Serial Bus - «универсальная последовательная шина») - последовательный интерфейс передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств. Для подключения используется 4-х проводный кабель, при этом два провода используются для приёма и передачи данных, а 2 провода - для питания периферийного устройства. Благодаря встроенным линиям питания USB позволяет подключать периферийные устройства без собственного источника питания.

Основные сведения о USB

Кабель USB состоит из 4 медных проводников - 2 проводника питания и 2 проводника данных в витой паре, и заземленной оплётки (экрана). Кабели USB имеют физически разные наконечники «к устройству» и «к хосту». Возможна реализация USB устройства без кабеля, со встроенным в корпус наконечником «к хосту». Возможно и неразъёмное встраивание кабеля в устройство (например, USB-клавиатура, Web-камера, USB-мышь) , хотя стандарт запрещает это для устройств full и high speed.

Шина USB строго ориентирована, т. е. имеет понятие «главное устройство» (хост, он же USB контроллер, обычно встроен в микросхему южного моста на материнской плате) и «периферийные устройства».

Устройства могут получать питание +5 В от шины, но могут и требовать внешний источник питания. Поддерживается и дежурный режим для устройств и разветвителей по команде с шины со снятием основного питания при сохранении дежурного питания и включением по команде с шины.

USB поддерживает «горячее» подключение и отключение устройств . Это возможно благодаря увеличения длинны проводника заземляющего контакта по отношению к сигнальным. При подключении разъёма USB первыми замыкаются заземляющие контакты , потенциалы корпусов двух устройств становятся равны и дальнейшее соединение сигнальных проводников не приводит к перенапряжениям, даже если устройства питаются от разных фаз силовой трёхфазной сети.

На логическом уровне устройство USB поддерживает транзакции приема и передачи данных. Каждый пакет каждой транзакции содержит в себе номер оконечной точки (endpoint) на устройстве. При подключении устройства драйверы в ядре ОС читают с устройства список оконечных точек и создают управляющие структуры данных для общения с каждой оконечной точкой устройства. Совокупность оконечной точки и структур данных в ядре ОС называется каналом (pipe) .

Оконечные точки , а значит, и каналы, относятся к одному из 4 классов:

поточный (bulk),
управляющий (control),
изохронный (isoch),
прерывание (interrupt).

Низкоскоростные устройства, такие, как мышь, не могут иметь изохронные и поточные каналы .

Управляющий канал предназначен для обмена с устройством короткими пакетами «вопрос-ответ». Любое устройство имеет управляющий канал 0, который позволяет программному обеспечению ОС прочитать краткую информацию об устройстве, в том числе коды производителя и модели, используемые для выбора драйвера, и список других оконечных точек.

Канал прерывания позволяет доставлять короткие пакеты и в том, и в другом направлении, без получения на них ответа/подтверждения, но с гарантией времени доставки - пакет будет доставлен не позже, чем через N миллисекунд. Например, используется в устройствах ввода (клавиатуры, мыши или джойстики).

Изохронный канал позволяет доставлять пакеты без гарантии доставки и без ответов/подтверждений, но с гарантированной скоростью доставки в N пакетов на один период шины (1 КГц у low и full speed, 8 КГц у high speed). Используется для передачи аудио- и видеоинформации.

Поточный канал дает гарантию доставки каждого пакета, поддерживает автоматическую приостановку передачи данных по нежеланию устройства (переполнение или опустошение буфера), но не дает гарантий скорости и задержки доставки. Используется, например, в принтерах и сканерах.

Время шины делится на периоды, в начале периода контроллер передает всей шине пакет «начало периода». Далее в течение периода передаются пакеты прерываний, потом изохронные в требуемом количестве, в оставшееся время в периоде передаются управляющие пакеты и в последнюю очередь поточные.

Активной стороной шины всегда является контроллер, передача пакета данных от устройства к контроллеру реализована как короткий вопрос контроллера и длинный, содержащий данные, ответ устройства. Расписание движения пакетов для каждого периода шины создается совместным усилием аппаратуры контроллера и ПО драйвера, для этого многие контроллеры используют Прямой доступ к памяти DMA (Direct Memory Access ) - режим обмена данными между устройствами или же между устройством и основной памятью, без участия Центрального Процессора (ЦП). В результате скорость передачи увеличивается, так как данные не пересылаются в ЦП и обратно.

Размер пакета для оконечной точки есть вшитая в таблицу оконечных точек устройства константа, изменению не подлежит. Он выбирается разработчиком устройства из числа тех, что поддерживаются стандартом USB.

Технические характеристики USB

Возможности, достоинства и недостантки USB:

Высокая скорость обмена (full-speed signaling bit rate) - 12 Мб/с;
Максимальная длина кабеля для высокой скорости обмена - 5 м;
Низкая скорость обмена (low-speed signaling bit rate) - 1.5 Мб/с;
Максимальная длина кабеля для низкой скорости обмена - 3 м;
Максимум подключенных устройств (включая размножители) - 127;
Возможно подключение устройств с различными скоростями обмена;
Не нужно устанавливать дополнительных элементов, таких как терминаторы;
Напряжение питания для периферийных устройств - 5 В;
Максимальный ток потребления на одно устройство - 500 mA.

Сигналы USB передаются по двум проводам экранированного 4-хпроводного кабеля.

Распайка разъема USB 1.0 и USB 2.0

Тип А		Тип В
Вилка (на кабеле)	Розетка (на компьютере)	Вилка (на кабеле)	Розетка (на периферийном устройстве)

Названия и функциональные назначения выводов USB 1.0 и USB 2.0

4 GND Ground (корпус)

Недостатки USB 2.0

Хоть максимальная скорость передачи данных USB 2.0 составляет 480 Мбит/с (60 Мбайт/с), в реальной жизни достичь таких скоростей нереально (~33,5 Мбайт/сек на практике). Это объясняется большими задержками шины USB между запросом на передачу данных и собственно началом передачи. Например, шина FireWire , хотя и обладает меньшей пиковой пропускной способностью 400 Мбит/с, что на 80 Мбит/с (10 Мбайт/с) меньше, чем у USB 2.0, в реальности позволяет обеспечить бо́льшую пропускную способность для обмена данными с жёсткими дисками и другими устройствами хранения информации. В связи с этим разнообразные мобильные накопители уже давно «упираются» в недостаточную практическую пропускную способность USB 2.0.

Содержание:

В каждом компьютере и других аналогичных устройствах наиболее популярным является USB-разъем. С помощью юсб провода стало возможно подключать более 100 единиц последовательно соединенных устройств. Эти шины позволяют подключать и отключать любые приборы даже в процессе работы персонального компьютера. Практически все устройства могут заряжаться через данный разъем, поэтому нет необходимости применять дополнительные блоки питания. Распиновка USB по цветам помогает точно определить, к какому типу устройств относится та или иная шина.

Устройство и назначение USB

Первые порты этого типа появились еще в девяностых годах прошлого века. Через некоторое время эти разъемы обновились до модели USB 2.0. Скорость их работы возросла более чем в 40 раз. В настоящее время в компьютерах появился новый интерфейс USB 3.0 со скоростью, в 10 раз превышающей предыдущий вариант.

Существуют и другие виды разъемов этого типа, известные, как micro и mini USB, применяющиеся в современных телефонах, смартфонах, планшетах. Каждая шина имеет собственную или распиновку. Она может потребоваться при необходимости изготовления своими руками переходника с одного вида разъема на другой. Зная все тонкости расположения проводов, можно сделать даже зарядное устройство для мобильного телефона. Однако следует помнить, что в случае неправильного подключения устройство может быть повреждено.

Разъем USB 2.0 выполнен в виде плоского коннектора, в котором установлено четыре контакта. В зависимости от назначения он маркируется как AF (BF) и AM (BM), что соответствует обиходному названию «мама» и «папа». В мини- и микро- устройствах имеется такая же маркировка. От обычных шин они отличаются пятью контактами. Устройство USB 3.0 внешне напоминает модель 2.0, за исключением внутренней конструкции, имеющей уже девять контактов.

Распиновка-распайка разъемов USB 2.0 и 3.0

Распайка проводов в модели USB 2.0 располагается в следующем порядке:

Проводник красного цвета, к которому осуществляется подача питающ его напряжения постоянного тока со значением +5V.
Проводник белого цвета, применяемый для передачи информационных данных. Он обозначается маркировкой «D-».
Проводник окрашен в зеленый цвет. С его помощью также передается информация. Он маркируется как «D+».
Проводник черного цвета. На н его производится подача нуля питающ его напряжения. Он носит название общ его провода и обозначается собственной меткой в виде перевернутого Т.

Расположение проводов в модели 3.0 выполнено совершенно по-другому. Четыре первых контактирующих провода полностью соответствуют разъему USB 2.0.

Основное отличие USB 3.0 заключается в следующих проводах:

Проводник № 5 имеет синий цвет. По нему передается информация с отрицательным значением.
Проводник № 6 желтого цвета, так же как и предыдущий контакт предназначен для передачи информации, имеющей положительное значение.
Проводник № 7 применяется в качестве дополнительного заземления.
Проводник № 8 фиолетового цвета и проводник № 9 оранжевого цвета. Они выполняют функцию приема данных, соответственно, с отрицательным и положительным значением.

Распайка-распиновка коннекторов микро- и мини-USB

Коннекторы микро-USB наиболее часто применяются в планшетах и смартфонах. От стандартных шин распиновка micro usb отличаются значительно меньшими размерами и наличием пяти контактов. Они маркируются как micro-AF(BF) и micro-AM(BM), что соответствует «маме» и «папе».

Распайка микро-USB производится в следующем порядке:

Контакт № 1 красного цвета. Через н его подается напряжение.
Контакты №№ 2 и 3 белого и зеленого цвета применяются для передачи.
Контакт № 4 сиреневого цвета выполняет специальные функции в отдельных моделях шин.
Контакт № 5 черного цвета является нулевым проводом.

Распиновка мини USB разъема по цветам выполняется, так же как и в микро-юсб коннекторах.

Universal Serial Bus (USB) схема распайки

Схема распайки разъёмов USB

Схема распайки разъёмов USB (кабель и устройство)

Сигналы USB передаются по двум проводам (витая пара) экранированного четырёхжильного кабеля.

VBUS – напряжение +5 Вольт цепи питания, GND – контакт для подключения «корпуса» цепи питания. Максимальная сила тока, потребляемого устройством по линиям питания шины USB, не должна превышать 500 мА. Данные передаются через контакты D- и D+ разъёма USB. Дифференциальный способ передачи данных является основным для USB.

Разъёмы USB кабеля

Для USB-кабеля используются специальные USB разъёмы. Кабель USB является направленным, поэтому, для правильного подключения, USB разъёмы имеют различную конфигурацию. Различают два типа USB разъёмов: Тип A (см. Рис.7. и Рис.8.) и Тип B (см. Рис.9., Рис.10. и Рис.11).

Рис.7. Обычный разъём USB кабеля Тип A

В соответствии со спецификацией 1.0 USB разъёмы Тип A применяются для подключения «к хосту» т.е. устанавливаются на стороне контроллера или концентратора USB.

Рис.8. «Фирменный» разъём USB кабеля Тип A

В соответствии со спецификацией 1.0 USB разъёмы Тип B применяются для подключения «к устройству» т.е. для подключения периферийных устройств.

Рис.9. Обычный разъём USB кабеля Тип B. Такой разъём подходит, например,
для подключения принтера

Рис.10. Обычный разъём USB mini кабеля Тип B

Рис.11. Разъём мicro USB кабеля Тип B. На рисунке, ниже символа USB хорошо видно обозначение Тип B

На Рис.12. и Рис.13. показаны USB кабели. Эти USB кабели оборудованы обычным разъёмом USB кабеля Тип A и разъёмом USB mini кабеля Тип B.

Рис.12. USB кабели оборудованы обычным разъёмом USB кабеля Тип A (на рисунке слева) и разъёмом USB mini кабеля Тип B (на рисунке справа). Тип B обозначен как B

Рис.13. USB кабели оборудованы обычным разъёмом USB кабеля Тип A (на рисунке слева) и разъёмом USB mini кабеля Тип B (на рисунке справа). Тип B обозначен как b

Рис.14. USB кабель, оборудованный миниатюрным разъёмом, называемым мicro USB

USB поддерживает «горячее» (при включенном питании) подключение и отключение устройств. Это достигнуто увеличенной длиной заземляющего контакта разъёма по отношению к сигнальным контактам см. Рис.15. При подключении разъёма USB первыми замыкаются заземляющие контакты, потенциалы корпусов двух устройств выравниваются и дальнейшее соединение сигнальных проводников не приводит к перенапряжениям, даже если устройства питаются от разных фаз силовой трёхфазной сети.

Рис.15. Длина заземляющего контакта (на рисунке контакт 4 GND вверху) разъёма увеличена по отношению к сигнальным (на рисунке контакт 3 D+ внизу) контактам. Верхний контакт длиннее нижнего. Это позволяет производить подключение и отключение устройств без выключения питания (так называемое «горячее» подключение и отключение)

Рис.15.a. Длина контактов питания USB разъёма флеш-карты (на рисунке крайние контакты) увеличена по отношению к сигнальным (на рисунке средние контакты) контактам. Это позволяет производить подключение и отключение устройств без выключения питания (так называемое «горячее» подключение и отключение)

Ответные части USB разъёмов располагаются на периферийных устройствах, подключаемых по USB см. Рис.16. и Рис.17.

Рис.16. Разъём для подключения разъёма кабеля USB. Хорошо виден символ USB

Рис.17. Разъём для подключения разъёма кабеля USB mini Тип B

Рис.18. Сопоставление размеров разъёмов USB. Обычный разъём USB кабеля Тип A (на рисунке слева), разъём USB mini кабеля Тип B (на рисунке в центре) и разъёмом USB мicro кабеля Тип B (на рисунке справа). Тип B обозначен как B

Проблемы при зарядке различных устройств через USB часто возникают, когда используются нештатные зарядники. При этом зарядка происходит довольно медленно и не полностью либо вовсе отсутствует.

Следует сказать и о том, что зарядка через USB возможна не со всеми мобильными устройствами. Этот порт у них имеется только для передачи данных, а для зарядки применяется отдельный круглое гнездо.

Выходной ток в компьютерных USB составляет не больше пол-ампера для USB 2.0, а для USB 3.0 – 0,9 А. Ряду девайсов этого может быть недостаточно для нормального заряда.

Бывает, что в вашем распоряжении имеется зарядник, но он не заряжает ваш гаджет (об этом может сообщить надпись на дисплее или будет отсутствовать индикация заряда). Такое ЗУ не поддерживается вашим девайсом, и возможно это из-за того, что ряд гаджетов до начала процесса зарядки сканирует присутствие определенного напряжения на пинах 2 и 3. Для других девайсов может быть важным присутствие перемычки между этими пинами, а также их потенциал.

Таким образом, если устройство не поддерживает предлагаемый тип зарядника, то процесс зарядки не начнется никогда.

Чтобы девайс начал заряжаться от предоставленного ему зарядника, необходимо обеспечить на 2 и 3 пине USB, необходимые напряжения. Для разных устройств эти напряжения тоже могут отличаться.

Для многих устройств требуется, чтобы пины 2 и 3 имели перемычку или элемент сопротивления, номинал которого не больше 200 Ом. Такие изменения можно сделать в гнезде USB_AF, которое находится в вашем ЗУ. Тогда зарядку станет возможно производить стандартным Data-кабелем.

Гаджет Freelander Typhoon PD10 требует той же схемы подключения, но напряжение заряда должно быть на уровне 5,3 В.

В случае если у зарядника отсутствует гнездо USB_AF, а шнур выходит прямо из корпуса ЗУ, то можно припаять к кабелю штекеры mini-USB или micro-USB. Соединения необходимо произвести, как показано на следующей картинке:

Различная продукция фирмы Apple имеет такой вариант соединения:

При отсутствии элемента сопротивления номиналом 200 кОм на пинах 4 и 5 устройства фирмы Motorola не могут осуществить полный заряд.

Для зарядки Samsung Galaxy необходимо наличие перемычки на пинах 2 и 3, а также элемента сопротивления на 200 кОм на контактах 4 и 5.

Полный заряд Samsung Galaxy Tab в щадящем режиме рекомендуется производить при использовании двух резисторов номиналом 33 кОм и 10 кОм, как изображено на картинке ниже:

Такое устройство, как E-ten может заряжаться любым ЗУ, но лишь при условии, что пины 4 и 5 будут соединены перемычкой.

Такая схема реализована в кабеле USB-OTG. Но в этом случае необходимо использовать дополнительный переходник USB папа-папа.

Универсальное ЗУ Ginzzu GR-4415U и другие аналогичные устройства имеют гнезда с различным соединением резисторов для зарядки девайсов iPhone/Apple и Samsung/HTC. Распиновка этих портов выглядит так:

Чтобы зарядить навигатор Garmin, необходим тот же кабель с перемычкой на контактах 4 и 5. Но в этом случае устройство не может заряжаться во время работы. Для того чтобы навигатор мог подзаряжаться, необходимо заменить перемычку на резистор номиналом 18 кОм.

Для зарядки планшетов обычно необходимо 1-1,5 А, но как было упомянуто ранее, USB-порты не смогут нормально заряжать их, поскольку USB 3.0 выдаст максимум 900 мА.

В некоторых моделях планшетов для зарядки имеется круглое коаксиальное гнездо. Плюсовой пин гнезда mini-USB/micro-USB в таком случае не имеет соединения с контроллером заряда аккумулятора. По утверждениям некоторых пользователей таких планшетов, если соединить плюс от гнезда USB с плюсом коаксиального гнезда перемычкой, то зарядка может осуществляться через USB.

А можно и изготовить переходник для подключения в коаксиальное гнездо, как показано на рисунке ниже:

Вот схемы перемычек с указанием напряжения и номиналов резисторов:

В итоге, чтобы осуществлять зарядку различных гаджетов от неродных ЗУ необходимо убедиться в том, что зарядка выдает напряжение 5 В и ток не меньше 500 мА, и внести изменения в гнезде или штекере USB согласно требованиям вашего устройства.

Удобное хранение радиодеталей

Универсальная USB-шина является одним из популярных интерфейсов персонального компьютера. Она позволяет производить последовательное подключение различных устройств (до 127-ми единиц). Также USB-шины поддерживают функцию подключения и отключения приборов при работающем персональном компьютере. При этом устройства могут получать питание непосредственно через упомянутый элемент, что освобождает от необходимости использования дополнительных блоков питания. В этой статье мы рассмотрим, что представляет собой стандартная распиновка USB. Эта информация может пригодиться при самостоятельном изготовлении каких либо USB-переходников или устройств, получающих питание через рассматриваемый нами интерфейс. Кроме того, мы разберем, что представляет собой распиновка микро-USB и, конечно же, мини-USB.

Описание и распайка USB-интерфейса

Практически каждый пользователь ПК знает, как выглядит USB-разъем. Это плоский четырехконтактный интерфейс типа А. USB-разъем «мама» имеет маркировку AF, а «папа» - АМ. Распиновка USB типа А состоит из четырех контактов. Первый провод маркируется красным цветом, на него подается напряжение постоянного тока +5 В. Допускается подавать максимальный ток, равный 500 мА. Второй контакт - белого цвета - предназначен для (D-). Третий провод (зеленый) также используется для передачи данных (D+). Последний контакт маркируется черным цветом, на него подается нуль напряжения питания (общий провод).

Коннекторы типа А считаются активным, к ним подключаются питающие хост и т. д.). Разъемы типа В считаются пассивными, к ним присоединяют такие устройства, как принтеры, сканеры и прочее. Разъемы типа В представляют собой квадрат с двумя скошенными углами. «Мама» имеет маркировку BF, а «папа» - ВМ. Распиновка USB типа В имеет те же четыре контакта (два вверху и два внизу), назначение - идентичное типу А.

Распайка коннекторов типа микро-USB

Разъемы такого типа чаще всего используются для подключения планшетов и смартфонов. Они значительно меньше по размерам, чем стандартный USB-интерфейс. Еще одной особенностью является наличие пяти контактов. Маркировка таких коннекторов имеет следующий вид: micro-AF(BF) - «мама» и micro-АМ(ВМ) - «папа».

Распиновка USB типа микро:

Первый контакт (красного цвета) предназначен для подачи напряжения питания + 5 В;

Второй и третий провода (белого и зеленого цветов) используются для передачи данных;

Четвертый контакт (ID) в коннекторах типа В не задействован, а в разъемах типа А он замыкается на общий провод для поддержки OTG-функции;

Последний, пятый, контакт (черного цвета) - нуль напряжения питания.

Кроме перечисленных, в кабеле может быть еще один провод, используемый для «экранирования»; номер ему не присваивается.

Распиновка мини-USB

Коннекторы типа мини-USB также содержат пять контактов. Маркируют эти разъемы следующим образом: mini-AF (BF) - «мама» и mini-АМ (ВМ) - «папа». Распайка контактов идентична типу микро-USB.

Заключение

Информация о распайке проводов под разъемы USB весьма актуальна, так как этот тип интерфейса применяется практически во всех мобильных и настольных приборах и гаджетах. Эти разъемы используют как для заряда встроенных аккумуляторных батарей, так и для передачи данных.