Quale connettore per quale standard?

CONNESSIONE –

Vi sono centinaia di standard relativi alle interfacce di accoppiamento, e assegnarli alle stesse può costituire una sfida, specialmente quando per uno standard sono permesse più interfacce di accoppiamento.

Chiunque viaggi con regolarità sa che per collegare alla rete elettrica un laptop, un telefono cellulare o un asciugacapelli è indispensabile avere con sé un opportuno adattatore per la presa di alimentazione. L'esperienza quotidiana dimostra tuttavia come un elemento relativamente innocuo, come uno standard per le prese elettriche, possa presentare differenze notevoli da un paese all'altro.

Standardizzazione: come mai tante differenze?
Un ottimo esempio di standardizzazione è rappresentato dalla norma Iec 60603 (in precedenza DIN 41612), che oltre a definire come forme strutturali per un'interfaccia di accoppiamento le misure dei vari contatti e la loro distanza determina anche il numero di poli, le interfacce dei connettori maschio - femmina, la configurazione e la superficie dei contatti, nonché i livelli dei requisiti e quelli di qualità basati sui medesimi. Tale definizione, molto dettagliata, presenta tuttavia i suoi inconvenienti, in quanto per consentire la verifica del livello dei requisiti occorre sviluppare nuovi standard e sistemi di misurazione. La definizione originale dell'interfaccia di accoppiamento non includeva la struttura effettiva di contatto, sulla quale gli utenti prudenti erano costretti a verificare sperimentalmente i fenomeni di diafonia, che risulta agevole se vengono approvati due o tre produttori (rispettivamente quattro o nove prove); se il produttore semplifica il principio di contatto per motivi di costo, occorre tuttavia ripetere questa serie di prove, e i nuovi produttori sono costretti, malgrado il loro prezzo migliore, a sostenere i costi di tali prove. Ciò dà origine a una situazione negativa, che illustra come non sia possibile estendere all'infinito uno standard. Un breve esame dei diversi principi associati alle molle dei contatti permette di rilevare, assumendo che un connettore debba avere due punti di contatto ridondanti (per quadruplicare l'affidabilità del contatto), che è possibile disporre tali punti l'uno di fronte all'altro. Il vantaggio di tale disposizione risiede nel fatto che le normali forze di contatto si compensano vicendevolmente, e il sistema di connettori funziona anche senza il supporto del corpo. Gli svantaggi sono rappresentati dall'affinamento delle due facce di contatto delle lamelle e le prestazioni meno brillanti del collegamento dal punto di vista dell'integrità dei segnali alle frequenze più elevate. È possibile prevenire entrambi gli svantaggi con un accoppiamento dei contatti su un solo lato, quadruplicando la loro affidabilità tramite supporti resilienti disposti gli uni accanto agli altri o, a causa della densità dei contatti, gli uni dietro gli altri. Si ormai raggiunta una situazione nella quale, alle velocità di trasmissione dati più elevate, l'influenza delle distanze di inserimento necessarie per motivi di affidabilità dei contatti viene esaminata in relazione a eventuali risonanze indesiderabili. Dopo avere esaminato la standardizzazione dei connettori, concentriamoci ora su quella delle interfacce. Queste ultime devono essere descritte tramite il flusso dei segnali, vale a dire occorre stabilire come vengono trasferiti e valutati (nonché riassemblati) i segnali, ad esempio nel caso delle interfacce seriali - parallele. Occorre determinare i segnali, vale a dire i valori fisici misurabili, in relazione al modo in cui essi si presentano in qualunque supporto. È infine necessario stabilire anche l'assegnazione dei segnali in relazione a un determinato connettore. Ciò vale sia per il rame (numero di contatti), sia per la fibra ottica / Lwc (diametro e modi del nucleo in fibra di vetro, spesso funzione della distanza di trasmissione) sia per le onde radio (frequenze e modulazione della portante). È quindi chiaro che, malgrado la standardizzazione dei connettori presenti le sue difficoltà, quella delle interfacce è ancora più complessa.

Standard di interfaccia
Servendosi dell'esempio dell'interfaccia dei canali in fibra, è possibile illustrare i diversi supporti attualmente utilizzati per rendere disponibili per Internet i dati provenienti dai supporti di archiviazione. Oltre alle quattro interfacce in fibra ottica, esistono già tre interfacce in rame per distanze più brevi. Altre ancora sono allo studio, ed è probabile che entro il prossimo anno venga pubblicato uno standard per l'interfaccia da 40 gigabit. Perché esaminare questi aspetti? Perché descrivere tutti i possibili connettori e la rispettiva assegnazione dei segnali per tutti gli standard di interfaccia sarebbe un compito senza fine. Per esaminare in modo più approfondito la questione delle interfacce, è opportuno concentrare per un istante l'attenzione sul modello a strati Osi. Da un esame del modello a strati Osi per un Fibre Channel emerge che i relativi dati possono essere trasmessi tramite il Fibre Channel diretto, realizzabile in rame oltre che in fibra ottica, ma anche tramite Ethernet (ancora una volta, in rame o in fibra ottica). VI è inoltre la possibilità di trasmettere tali dati tramite interfacce InfiniBand: in breve, si tratta di uno standard di interfaccia per cui si stima esistano 15 diverse varianti di trasmissione. Se si confronta il modello a strati Osi con il protocollo di controllo di trasmissione / protocollo Internet (Tcp/IP, Transmission Control Protocol / Internet Protocol), attualmente alla base di tutto il traffico Internet, si comprende la complessità di Ethernet, ed è possibile rendersi conto del motivo per cui accedere a Internet da casa presenta spesso dei problemi. Ciò è dovuto al fatto che, a parte l'interfaccia elettrica e l'unità (Ethernet/Token Ring e così via), l'elaborazione dei segnali nello strato di trasporto fornisce un contributo di rilievo al buon esito complessivo.
Dal punto di vista dei connettori, occorrerebbe limitarsi allo strato di accesso alla rete per il modello Tcp/IP, e ciò costituirebbe soltanto una mezza verità. Si osserva tuttavia la proporzionalità con il modello a strati Osi. Data la complessità insita nel procedere dagli standard di interfaccia ai connettori, è però preferibile procedere nella direzione opposta, vale a dire dedurre l'uso dei connettori nelle interfacce standard partendo da un insieme di connettori noti e meno noti. Questo procedimento è detto ‘tentativo di assegnazione’, in quanto è quasi impossibile fornire un resoconto assolutamente esauriente della vasta casistica applicativa e delle condizioni ambientali, nonché delle esigenze e delle limitazioni meccaniche. Vale la pena iniziare dai connettori di ingresso/uscita per le due interfacce di accoppiamento più note, vale a dire i connettori sub-D e RJ (jack registrati).  I connettori sub-D seriali e paralleli sono stati apprezzati per le applicazioni Profibus e per stampanti, mentre il formato più piccolo, Micro-D, è diventato l'interfaccia standard di fatto per i monitor Vga. I connettori sub-D a nastro piatto sono stati utilizzati per sistemi di misurazione basati sulla norma Ieee 485, nonché per stampanti parallele e apparecchiature per telefoni/reti (E1/T1). Nelle loro varie forme, i connettori RJ trovano impiego principalmente nelle apparecchiature telefoniche o di rete; il famoso connettore formato RJ 45 viene utilizzato per reti Isdn, 10BaseT, 100BaseT e GbE. In generale, i connettori Usb, Dvi, Hdmi e DisplayPort sono stati accettati per computer da tavolo e portatili, mentre quelli circolari senza polarità vengono impiegati per i collegamenti audio e per gli alimentatori esterni.  Per quanto concerne le applicazioni industriali, i connettori circolari M8 e M12 sono ampiamente accettati come interfacce standard; ciò è dovuto in larga misura al grado di protezione IP 67 richiesto, i cui concetti fondamentali risalgono ai leggendari connettori ‘Kleintuchel’ degli anni '60. I connettori adatti per velocità di trasmissione superiori a 1 Gbps, dotati di ampiezze di banda (seriale - parallela) fino a zxzx, vengono inoltre utilizzati per gli standard di interfaccia più diversi. Dopo i connettori di ingresso/uscita, esaminiamo ora quelli destinati ai moduli, utilizzati principalmente per espansioni universali dei computer quali modem, schede di rete e schede wireless, nonché per espansioni di memoria rimovibili e, in particolare, per telecamere e altri dispositivi di ingresso come, per citare uno standard diffuso, le schede SD. Fra questi dispositivi sono incluse anche le carte di credito e le schede Sim. Le applicazioni come le schede dei moduli vengono comprese, al più tardi, quando un computer inizia a cedere. Negli anni Jedec ha standardizzato, con velocità sempre maggiori dei bus frontali e tensioni di alimentazione sempre più basse, una serie quanto mai varia di moduli di memoria, suddivisibili in base alla velocità (SDR – DDR – DDR2 – DDR3) e alle applicazioni (Notebook = Mini). Come già ricordato, questo elenco è anch'esso incompleto.

La connessione al Pcb
Passiamo ora ai connettori interni, utilizzati per lo più quando le schede a circuiti stampati sono disposte perpendicolarmente l'una all'altra. In questo caso si effettua una distinzione fra i connettori per collegamenti diretti ai Pcb, i cui elementi di accoppiamento sono le minute strisce d'oro presenti sulla scheda da collegare, e quelli formati da due parti. Per le aziende produttrici, i connettori per i collegamenti diretti ai Pcb rappresentano una sfida complessa, perché il connettore di accoppiamento è di responsabilità del produttore del Pcb, mentre chi produce l'articolo finale deve garantire il collegamento. Oggi, tuttavia, i produttori di Pcb sanno come gestire le minute strisce d'oro, e l'effetto 'pennello da barba' è ormai un ricordo del passato. Sono tuttavia incompleti anche i dati relativi ai connettori per Pcb formati da due parti. Esistono numerosi approcci, e i dati disponibili indicano i connettori più diffusi e di maggior successo. Come si può vedere, dieci anni fa è stato effettuato un tentativo di standardizzare ogni aspetto, ma in seguito gli sviluppi sono divenuti troppo rapidi per i comitati. A partire dal 2005, l'aria è diventata il dielettrico di fatto, in quanto le sostanza sintetiche del materiale di supporto hanno acquisito una dipendenza dalla frequenza e le misure di schermatura incorporate nelle materie plastiche non hanno fornito i risultati attesi sotto il profilo della riduzione dei fenomeni di diafonia fra coppie di segnali adiacenti. Per quanto concerne i backplane, esistono connettori con un livello di standardizzazione inferiore, in quanto questi componenti vengono di solito selezionati dai grandi produttori di apparati per telecomunicazioni e dai fornitori di apparecchiature di rete sulla base di specifiche relative alle piattaforme. Si rilevano pertanto approcci di standardizzazione soltanto nel campo dei computer integrati. Oltre alla velocità di trasmissione dei dati (che dipende anche dalle misure adottate per l'equalizzazione della frequenza), elemento principale nella scelta di questi connettori, sono importanti anche le dimensioni fisiche, poiché a causa del maggior numero di segnali di controllo provenienti dai componenti, sul medesimo Pcb sono spesso alloggiati gruppi di connettori più economici. Vi sono infine anche i connettori per le schede dette ’mezzanino‘, destinati ai collegamenti interni separabili, come nelle configurazioni con schede parallele od ortogonali, utilizzati per le schede note comunemente come 'baby schede', impilate sui componenti come moduli. In questo caso, gli elementi determinanti sono la distanza necessaria fra le schede (per i connettori destinati alle schede parallele) e il numero di segnali in funzione della velocità di trasmissione dei dati. Non esistono standard in questo campo, e spesso i progettisti non riescono a individuare fonti secondarie.

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