Standaard USB kabel

Type A connectors

Dit type connector zit aan de kant van de kabel die in de PC of een hub moet. Dus aan de ‘PC-kant’ van de kabel.

                       

Kabeldeel type A (vooraanzicht)

Dit type connector zit aan de kant van de  PC  als chassisdeel.

chassisdeel type A (vooraanzicht)

 

Type B connectors

Dit type connector zit aan de kant van de kabel die in het rand apparaat gaat. Vaak zit de kabel direct aan het apparaat vast, en dan wordt dit type connector niet gebruikt.

Kabeldeel type B (vooraanzicht)

Chassisdeel type B (vooraanzicht)

Signalen

De aansluitingen zijn:

1.      Vusb. Dit is een voedings spanning. Apparaten die niet te veel stroom gebruiken kunnen direct uit de bus gevoed worden.

2.      D-. Dit is één van de twee signaal draden.

3.      D+. Dit is de andere signaal draad.

4.      GND.

Data wordt in één richting tegelijkertijd over de signaal draden gestuurd. Het signaal is differentieel, een ‘1’ betekent dat D+ hoog is, en D- laag, terwijl een ‘0’ betekent dat D+ laag is, en D- hoog. De data signalen zijn compatible met low-voltage (3.3V) TTL.
Een speciaal geval is wanneer D+ en D- beide laag zijn. Dit wordt gebruikt om het einde van een boodschap aan te geven, en om een reset signaal via de bus door te geven.
Als de bus niet in gebruik is (idle) wordt D+ hoog gehouden, en D- wordt laag gehouden. Als de bus langer dan 3ms achtereen idle is, moeten randapparaten in een energie zuinige toestand gaan (suspend.) In de suspend toestand mag een apparaat niet meer dan 500µA (gemiddeld) uit Vusb gebruiken.

Voeding

Apparaten kunnen worden aangesloten en losgenomen terwijl de bus in bedrijf is. Daarom zijn in de connectoren de pinnen waarop de voedings spanning staat, iets verder naar voren geplaatst dan de pinnen waarover de data getransporteerd wordt. Bij aansluiten zal het apparaat eerst voedings spanning krijgen, en daarna pas zullen de pinnen met signalen contact maken.
Een USB apparaat kan geheel of gedeeltelijk uit de op de bus beschikbare Vusb gevoed worden. De stroom die een apparaat uit Vusb gebruikt, moet uiteindelijk door een hub geleverd worden. Een hub die zelf eveneens uit de bus gevoed wordt, moet aan elk aangesloten apparaat 100mA kunnen leveren. Een hub met eigen voeding moet aan elk daarop aangesloten apparaat 500mA kunnen leveren. Voor een apparaat is dus nooit meer dan 500mA uit de USB voeding beschikbaar.
De root-hub (de hub die in de PC zit) wordt meestal uitgevoerd als een hub met een eigen voeding. Maar de hub in een notebook PC kan wel eens worden beschouwd als een hub met busvoeding, die dus niet veel stroom kan leveren.
Als een apparaat wordt aangesloten, mag het in eerste instantie nooit meer dan 100mA uit Vusb gebruiken. Gedurende deze eerste fase wordt het apparaat door de host (de PC) ondervraagd. Zo weet de PC wat voor soort apparaat werd aangesloten, en welke drivers er geladen moeten worden. Maar ook wordt informatie opgevraagd over het stroomverbruik van het apparaat wanneer het aan staat. Als er niet voldoende stroom beschikbaar is voor het apparaat, moet het misschien op een andere hub, die meer energie beschikbaar heeft, worden aangesloten.
De USB Solution chip meldt aan de PC dat er maximaal 100mA uit de bus zal worden afgenomen. Er is dus ruimte om extra circuits te voeden, naast de USB Solution chip zelf.

Suspend

Als de bus langer dan 3ms achtereen idle is (geen dataverkeer), moeten alle randapparaten in een energie zuinige toestand gaan (suspend.) In de suspend toestand mag een apparaat niet meer dan 500µA (gemiddeld) uit Vusb gebruiken

Datasheet USB Solution

De USB Solution chip is gebaseerd op een USB micro-controller van Cypress Semiconductors. De micro-controller is voorzien van speciale software waardoor het mogelijk is om direct te communiceren met één van 3 standaard interface typen:

1.      I2C compatibele twee-draads interface

2.      Schuifregister compatibele interface

3.      SPI compatibele interface

Algemeen

De USB Solution chip luistert naar de USB bus, en ontvangt via deze bus data van de PC. Deze data wordt door de PC in blokken van 8 bytes verzonden. Als de USB Solution chip zelf data heeft die naar de PC verzonden moet worden, dan moet de chip wachten totdat de PC hierom vraagt. Data transport van de USB Solution chip naar de PC gaat eveneens in pakketjes van 8 bytes.

De PC vraagt eens in de 10ms aan de USB Solution chip of deze data te verzenden heeft. Er kunnen dus per 10ms 8 bytes naar de PC gezonden worden. Als er vanuit de PC data naar de USB Solution chip te verzenden is, dan wordt er ook eens per 10ms een 8-byte pakketje verstuurd. Deze snelheid is een fractie lager dan de snelheid die op een COM-poort gehaald kan worden, als deze staat ingesteld op 9600 Baud. Natuurlijk is bij een COM-poort geen sprake van de voordelen die Plug- en Play biedt, zodat de USB bus veruit de voorkeur geniet boven een COM poort.

Alleen bij gebruik van de I2C interface kan de USB Solution chip op eigen initiatief data beschikbaar maken voor de PC. Als er bij gebruik van de I2C interface data in de USB Solution chip geschreven wordt, maakt de chip deze data beschikbaar voor de PC. De eerstvolgende keer dat de PC de chip afvraagt, geeft de USB Solution chip aan dat er data voor de PC klaar staat, en zal de PC aansluitend deze data opvragen. Evenzo zal data die vanuit de PC naar de USB Solution chip worden gestuurd, hierin worden bewaard totdat de data er via de I2C interface is uitgelezen. Dat er data beschikbaar is wordt kenbaar gemaakt mbv een 'available' signaal. Bij gebruik van de I2C interface is lezen en schrijven van data niet aan elkaar gekoppeld.

Bij de schuifregister interface en de SPI interface zijn lezen en schrijven van data van- en naar de PC aan elkaar gekoppeld. De USB Solution chip zal zelf nooit op eigen initiatief data voor de PC beschikbaar maken. De chip wacht op data die via de USB bus wordt doorgegeven. Als er een pakketje van 8 bytes is ontvangen, wordt de data naar buiten gestuurd.

- In het geval van een schuifregister interface, worden de 64 bits naar buiten geschoven, en aansluitend wordt er een 'strobe' puls gegenereerd. Met deze strobe kunnen de bits die in de uitgangs schuifregisters werden geschoven, in uitgangs latches gezet worden. Tegelijkertijd met de strobe puls wordt een 'load' puls gegenereerd. Dit signaal kan worden gebruikt om de ingangs schuifregisters te laden. Aansluitend genereert de USB Solution chip weer 64 clock pulsen, waarmee de ingangs schuifregisters gelezen worden. De aldus ontvangen bytes worden door de USB Solution chip naar de PC gezonden.

- In het geval van een SPI interface, worden de 8 bytes één voor één naar buiten geschoven, en wordt er een 'strobe' signaal geactiveerd tijdens het schuiven. Tegelijkertijd met het naar buiten schuiven, wordt een byte van de aangesloten SPI slave naar binnen geschoven. Na elk byte wordt een rustpauze van 1ms ingelast, waardoor de SPI slave de tijd heeft om het zojuist ontvange byte te verwerken, en een nieuw byte klaar te zetten voor verzending naar de SPI master (de USB Solution chip.) Nadat 8 bytes naar de SPI slave zijn gestuurd, zijn er ook weer 8 bytes ontvangen. Deze worden naar de PC gezonden.

Als de USB Solution chip op schuifregister- of SPI interface is ingesteld, zal de PC dus nooit data van de USB Solution chip ontvangen als de PC niet eerst zelf data naar de USB Solution chip toe stuurt.

 

I/O pinnen USB chip

Een aantal I/O pinnen zijn in de USB Solution chip voorzien van een interne pull-up weerstand. Dit geldt voor de volgende pinnen:
DIN, DOUT/DATA, CLOCK, STR/AV, NOT_RESET, NOT_LOAD, MODE, PROTOCOL, SUSPEND en NOT_ENUM.
Output pinnen hebben een open-drain output. Deze open-drain outputs hebben ingebouwde stroombegrenzing. De volgende tabel beschrijft deze parameters:

 

Pin beschrijving

Een aantal I/O pinnen op de USB Solution chip heeft meerdere functies, afhankelijk van het type interface waarmee de chip moet werken.
De gewenste interface wordt gekozen via een tweetal pinnen op de USB Solution chip:

PROTOCOL

Met de PROTOCOL pin wordt er een keuze gemaakt tussen de I2C interface of de twee andere interface typen. Als deze pin laag is wordt de I2C interface geselecteerd. Is deze pin hoog dan kan met de MODE pin een keuze tussen de andere twee interface typen gemaakt worden. Deze pin wordt alleen bekeken tijdens het opstarten van de USB Solution chip. De pin heeft intern een pull-up weerstand.

MODE

De MODE pin is een input. Met deze pin wordt er gekozen tussen de SPI interface en de schuifregister interface. Is de MODE pin laag, dan wordt de SPI interface geselecteerd. Is deze pin hoog, dan is het schuifregister interface geselecteerd. Deze pin wordt alleen bekeken tijdens het opstarten van de USB Solution chip. Als de PROTOCOL pin laag is tijdens het opstarten dan heeft de MODE pin geen betekenis. De pin heeft intern een pull-up weerstand.

PROTOCOL	MODE	interface
'0'	x	I2C
'1' of open	'1' of open	Schuifregister
'1' of open	'0'	SPI

STR/AV

De STR/AV pin wordt voor alle interface typen gebruikt:
Als de I2C interface is geselecteerd, dan is op deze pin een AVAILABLE signaal beschikbaar. Dit signaal is actief laag, en maakt aan de I2C master duidelijk dat er data beschikbaar is, die uitgelezen moet worden.
Als de schuifregister interface geselecteerd is, dan wordt het STROBE signaal gebruikt om de in het schuifregisters geschoven bitpatroon naar de uitgangs latches te clocken.
Als de SPI mode geselecteerd is, dan is het STROBE signaal laag wanneer de USB Solution chip transport van een byte van- en naar de SPI slave beheert. In dit geval zou het STROBE signaal kunnen worden aangesloten op een Slave Select ingang van een SPI slave.

DOUT/DATA

De DOUT pin is een seriële output voor de SPI interface en het schuifregister interface. Als de I2C interface is geselecteerd, dan is deze pin zowel input als output.

CLOCK

De CLOCK pin kan als input of als output fungeren. In SPI interface mode en schuifregister mode is deze pin een output. Als de I2C interface geselecteerd is dan is het een input.

DIN

Deze pin is in de SPI interface mode en in schuifregister mode de input voor de seriele data. In I2C mode wordt deze pin niet gebruikt.

NOT-LOAD

NOT-LOAD pin is een output die gebruikt wordt bij het schuifregister interface. Deze output wordt kortstondig laag gemaakt, vlak voordat de USB Solution chip de data begint in te lezen van de ingangs schuifregisters. Gebruik de not-load puls om de ingangs schuifregisters te laden.

NOT-RESET

Dit is een output pin die laag wordt als er USB reset optreed. USB reset is een speciale conditie op de USB datalijnen, die door de USB host wordt geforceerd om het aangesloten USB apparaat te resetten.

SUSPEND

De SUSPEND pin is een output pin. Deze pin is hoog als de USB Solution chip in de suspend mode verkeert. De suspend mode wordt geactiveerd als er gedurende een bepaalde tijd geen activiteit op de USB bus is. Dit betekent dat de PC in suspend mode is gegaan, en dat alle randapparatuur, waaronder dus ook de USB Solution chip en daaraan gekoppelde schakelingen, in een energie zuinige toestand zouden moeten gaan. In de suspend mode gebruikt de USB Solution chip zelf veel minder energie. Zie ook wat verderop onder voeding beschreven staat.

NOT ENUM

Deze output pin is hoog als de USB Solution chip nog niet is herkend door de HUB waarop hij is aangesloten. Zodra de chip is herkend en de HUB de chip een nummer op de USB bus heeft gegeven, wordt de output laag. Door het uitdelen van een USB adres aan de USB Solution chip maakt de HUB de chip tot een werkend deel van de USB bus. Hierna kan datatransport plaatsvinden tussen de USB Solution chip en de PC.

D+ en D-

Dit zijn de USB data lijnen. De D- lijn moet een 7.5kOhm pull-up weerstand hebben naar Vusb, waardoor de HUB kan zien dat de USB Solution chip een 1.5Mbps USB device is.

GND, GND1 en GND2

De 0 Volt (ground) aansluitingen. Deze pinnen dienen elk aan de 0 Volt van de voeding gelegd te worden.

VCC

De +5 Volt (nominaal) voeding spanning. Deze kan van de USB bus worden betrokken, of van een externe voeding. Zie ook hetgeen hierboven onder voeding beschreven staat.

Xin en Xout

Aansluitingen voor een 6 MHz keramische resonator of kristal. Als elders een 6MHz signaal beschikbaar is, kan dit eventueel worden aangesloten op Xin. Xout blijft in dat geval open.

 

3-draads (I2C) interface details

De USB chip in 3-draads interface mode gedraagt zich als I2C slave. Het I2C adres van de USB chip is $78.

 

Algemeen

Bij de I2C bus wordt het data transport verzorgd via twee draden:

	SDA: data
	SCL: clock

De SDA en SCL worden vanuit de verschillende ic's die op de bus zijn aangesloten bestuurd mbv open-drain drivers. Dit betekent dus dat een chip de lijn wel 'laag' kan maken, maar dat een pull-up weerstand moet worden aangebracht om het 'hoog' niveau te verzorgen. Er kunnen dus meerdere drivers worden aangesloten op dezelfde lijn, en de lijn zal alleen een 'hoog' niveau aannemen als alle drivers op die lijn een 'hoog' niveau uitsturen.

De controle over het datatransport over de bus wordt op elk moment bij één van de aangesloten chips gelegd. De chip die het datatransport onder controle heeft, wordt de master genoemd. Alle andere chips die op de bus zijn aangesloten moeten zich dan als slave gedragen. Het is mogelijk dat dan weer eens de ene, en dan weer eens een andere chip als master fungeert. Er mag op enig moment echter altijd maar één master tegelijk op de bus aktief zijn.

De bus is 'vrij' als zowel SDA als SCL 'hoog' is, dus als geen van de aangesloten chips een 'laag' niveau naar één van de twee communicatie lijnen stuurt. Als de bus vrij is, kan een master de bus in beslag nemen. Een master neemt de bus in beslag door de SDA lijn 'laag' te maken, waarbij de SCL lijn 'hoog' gelaten wordt. Dit heet de 'START' conditie. Als de master de bus weer vrij wil geven, doet hij dit door een 'STOP' conditie aan te brengen. Hierbij wordt de SDA lijn hoog gemaakt, terwijl de SCL lijn (al) hoog is. Onder alle andere omstandigheden moet SDA stabiel zijn zoland SCL hoog is.

De master genereert de clock pulsen op de SCL lijn, en bepaalt ook begin- en eind van het data transport, en de richting waarin het data transport plaats vindt. De slaves mogen zelf geen clock pulsen genereren, maar moeten de clock signalen die door de master gegenereerd worden gebruiken voor het in- of uit clocken van hun data.
Nadat de master een START conditie heeft aangebracht, stuurt hij een byte naar alle slaves. Dit gebeurt bit- voor bit met het meest significante bit eerst. Voor elk bit wordt eerst de SDA lijn goed gezet, en daarna wordt de SCL lijn 'hoog' gemaakt, en daarna weer 'laag'. Zolang de SCL lijn 'hoog' is, moet de data op de SDA lijn stabiel zijn.

Het eerste byte dat door een master naar de slaves wordt gestuurd, bevat een 7-bits slave adres, en een Read/Write bit.
Met het Read/Write bit geeft de master aan of er data uit de slave gelezen moet worden (R/W= '1') of dat er data vanuit de master naar de slave geschreven gaat worden (R/W= '0').
Het 7-bits slave adres wordt gebruikt om één van de slaves op de bus uniek te adresseren. Elk I2C compatibel IC heeft een uniek adres, dat door de fabrikant aan dat type IC is toegekend. Soms kan een gedeelte van dit adres extern worden ingesteld, zodat het mogelijk is meerdere exemplaren van één type op de bus aan te sluiten. De adres gegevens vindt u terug in het datasheet van het betreffende IC. Het adres van de USB Solution chip is $78.
Het adres van de slave zit in de 7 meest significante bits van het byte, en het R/W bit zit in het minst significante bit.

Elk byte dat over de I2C bus wordt verzonden, wordt gevolgd door een negende clock puls. Het IC dat het voorgaande byte correct heeft ontvangen, dient gedurende deze negende clock puls de SDA lijn 'laag' te houden, om aan te geven dat het byte goed is aangekomen. Dit heet een acknowledge (ACK) conditie.

Als er data getransporteerd wordt, bepaalt de master het tempo, omdat de master de clock pulsen opwekt. Het is echter mogelijk dat een slave dit tempo niet bij kan houden. De I2C bus biedt hiervoor een oplossing in de vorm van 'clock stretching':
Voor elk bit wordt eerst de SDA lijn goed gezet, en daarna wordt de SCL lijn 'hoog' gemaakt, en weer 'laag'. Als de master de clock lijn 'hoog' probeert te maken, moet de master controleren of dit werkelijk gelukt is, en de master mag pas verder gaan als de SCL lijn inderdaad 'hoog' is geworden. Het is nu mogelijk voor een slave om de master te vertragen door zelf de SCL lijn 'laag' te houden.

 

I2C op de USB Solution chip

De pinnen die door de USB Solution chip gebruikt worden voor de communicatie zijn:

	DATA (SDA)
	CLOCK (SCL)
	AVAILABLE.

De USB Solution chip werkt als I2C slave met adres $78.

De AVAILABLE pin maakt aan de master duidelijk dat er data is die uitgelezen moet worden. De AVAILABLE pin is actief laag. Deze pin moet dus in de gaten gehouden worden om te kijken of data beschikbaar is. Is dat het geval dan moet de master de USB chip uitlezen. De AVAILABLE pin blijft actief laag totdat het laatste byte van de 8 data bytes werd uitgelezen.

Data die naar de PC verzonden moet worden kan door de master naar de USB chip geschreven worden. Het kan zijn dat de USB de vorige data nog niet verzonden heeft naar de PC. Als dit het geval is, zal de USB chip geen acknowledge signaal genereren. De I2C master moet het dan steeds opnieuw proberen totdat de data geaccepteerd wordt. De USB chip kan tijdens I2C communicatie de CLOCK pin laag houden om tijdelijk andere taken uit te voeren. Als deze taken afgehandeld zijn wordt de CLOCK pin weer vrij gegeven.

I2C interface timing

 

(1) Om de stijgtijd voor de CLOCK en de DATA lijn te optimaliseren moeten er op deze lijnen in sommige gevallen externe pull-up weerstanden worden aangesloten. De waarde van deze weerstanden is afhankelijk van de capaciteit van de lijnen van de I2C interface. Bij het kiezen van een waarde voor deze weerstanden moet er rekening mee gehouden worden dat ze parallel staan aan de interne pull-up weerstanden (typ. 16kOhm ) van de USB Solution chip. Deze interne pull-up weerstanden zullen in veel gevallen volstaan. Als er meerdere chips op de I2C bus worden aangesloten, of als de capaciteit van de bus sterk toeneemt (bijvoorbeeld doordat er een relatief lange flat-cable wordt gebruikt) dan moet een externe pull-up weerstand worden aangebracht. Een bruikbare formule hiervoor is:

Rp x Cbus < 1000 {Rp in kOhm, en Cbus in pF}

 

Het schuifregister interface

Nadat de USB Solution chip een pakketje van 8 bytes van de PC heeft ontvangen, worden deze 64 bits naar buiten geschoven, en aansluitend wordt er een 'strobe' puls gegenereerd. Met deze strobe kunnen de bits die in de uitgangs schuifregisters werden geschoven, in uitgangs latches gezet worden.
Tegelijkertijd met de strobe puls wordt een 'load' puls gegenereerd. Dit signaal kan worden gebruikt om de ingangs schuifregisters te laden. Aansluitend genereert de USB Solution chip weer 64 clock pulsen, waarmee de ingangs schuifregisters gelezen worden. De aldus ontvangen bytes wordt door de USB Solution chip naar de PC gezonden.

(1) Om de stijgtijd voor de CLOCK en de DOUT lijn te optimaliseren moeten er op deze lijnen in sommige gevallen externe pull-up weerstanden worden aangesloten. De waarde van deze weerstanden is afhankelijk van de capaciteit van de lijnen van de interface. Bij het kiezen van een waarde voor deze weerstanden moet er rekening mee gehouden worden dat ze parallel staan aan de interne pull-up weerstanden (typ. 16kOhm ) van de USB Solution chip.

 

4-Draads (SPI) interface

De USB Solution chip gedraagt zich als een SPI master. Als de USB Solution chip een pakketje van 8 bytes van de PC heeft ontvangen, worden deze 8 bytes één voor één naar buiten geschoven. Er wordt een 'strobe' signaal geactiveerd tijdens het schuiven. Tegelijkertijd met het naar buiten schuiven, wordt een byte van de aangesloten SPI slave naar binnen geschoven. Na elk byte wordt een rustpauze van 1ms ingelast, waardoor de SPI slave de tijd heeft om het zojuist ontvangen byte te verwerken, en een nieuw byte klaar te zetten voor verzending naar de SPI master (de USB Solution chip.) Nadat 8 bytes naar de SPI slave zijn gestuurd, zijn er ook weer 8 bytes ontvangen. Deze worden aansluitend naar de PC gezonden.

(1) Om de stijgtijd voor de CLOCK en de DOUT lijn te optimaliseren moeten er op deze lijnen in sommige gevallen externe pull-up weerstanden worden aangesloten. De waarde van deze weerstanden is afhankelijk van de capaciteit van deze lijnen. Bij het kiezen van een waarde voor deze weerstanden moet er rekening mee gehouden worden dat ze parallel staan aan de interne pull-up weerstanden (typ. 16kOhm ) van de USB Solution chip.

 

Referentie schema

Onderstaand schema kan een leidraad vormen bij het ontwerpen van een schakeling rond de USB Solution chip. De LED's die zijn aangesloten op NOT_ENUM en SUSPEND zijn uiteraard optioneel. De rode LED zal oplichten zodra de schakeling voeding uit de bus krijgt, en niet in suspend mode is. De groene LED gaat aan zodra de USB Solution chip een eigen nummer heeft gekregen op de USB bus. Merk op, dat de groene LED gevoed wordt uit de USB bus, en derhalve niet zou mogen branden als de schakeling in suspend mode is. De stroom door de LED is te groot om aan de eis te voldoen dat de schakeling in suspend mode niet meer dan 500µA uit de bus opneemt.

Kabels

De snoeren die gebruikt worden om USB apparaten aan te sluiten zijn gestandaardiseerd, evenals de stekkers die eraan moeten zitten. In de verbindingskabels zitten twee getwiste aders voor de data, en twee iets dikkere aders voor de voeding. Er zijn twee typen kabels gedefinieerd:

	Voor full speed apparaten is een afgeschermde kabel voorgeschreven. Deze afgeschermde kabel mag maximaal 5m lang zijn.
	Voor low speed apparaten kan eventueel volstaan worden met een niet afgeschermde kabel. Deze mag maximaal 3m lang zijn.

Een niet afgeschermde kabel kan wat soepeler zijn dan een kabel met afscherming. Om een apparaat met een soepele kabel uit te kunnen rusten, is een niet afgeschermde kabel voor langzame apparaten met korte verbindingen toegestaan. De kabel zit aan één kant direct aan het apparaat vast, waardoor de niet afgeschermde kabel niet per ongeluk gebruikt kan worden om bijvoorbeeld een scanner (een full speed apparaat) aan te sluiten.

Bron: www.leiderdorpinstruments.nl

 

Hoewel ik veel aandacht besteed aan het correct en up-to-date houden van deze site,
geef ik geen garantie of verklaringen ten aanzien van de juistheid van de verstrekte informatie.
ik accepteer geen aansprakelijkheid voor enige onjuistheden of ontbrekende informatie
Aan de geplubliceerde informatie kunnen geen rechten worden ontleend.
Tevens stel ik mij op GEEN ENKELE wijze verantwoordelijk voor de inhoud/betekenis.
Deze informatie dient uitsluitend als INFORMATIEF te worden beschouwd.
Typefouten voorbehouden.(ik ben ook maar een amateur)