Sfruttare la connettività Usb industriale tipo C

Il mondo della connettività industriale sta attraversando cambiamenti significativi. L’Usb ha dominato il settore dei Pc per due decenni, con il connettore rettangolare di tipo A che si trova su dispositivi host, quali desktop e computer portatili, e il connettore quadrato di tipo B, utilizzato su periferiche più grandi, come stampanti, scanner e attrezzature di collaudo. Le periferiche più piccole, come ad esempio i mouse o le unità flash, si collegano agli host con i connettori di tipo A, mentre normalmente si usa un cavo adattatore da tipo B a tipo A per collegare le periferiche più grandi con i loro host. I connettori di tipo A e di tipo B sono stati adottati sempre più nelle applicazioni industriali perché facilitano la progettazione e sono adatti per produzioni ad alto volume. Essi possono semplicemente essere utilizzati per le connessioni che in precedenza usavano un cavo seriale o per le interfacce di periferiche come moduli wireless o memoria aggiuntiva. Ci possono essere altri impieghi, come fornire una porta di diagnostica o consentire l’uso di chiavetta per l’aggiornamento del firmware. Questi connettori sono stati utilizzati nei protocolli Usb2 e Usb3 a piena velocità e supervelocità, passando da 480 Mbit/s a 5 Gbit/s, e sono stati ampiamente adottati in progetti con apparecchiature industriali, soprattutto perché vengono usati come connettori standard sulle schede integrate nei Pc. Il connettore di tipo C a 24 pin e il nuovo protocollo Usb3.1 sembrano impostati per riorganizzare il mercato. Il connettore di tipo C è reversibile, quindi non c’è più il problema di inserire il cavo nel modo giusto, ed è progettato per supportare potenze nominali più elevate fino a 100 W. Il protocollo 3.1 prevede in aggiunta anche funzioni di rilevamento e velocità di trasmissione dati fino a 10 Gbit/s. Ciò è anche utile per le nuove applicazioni in cui si usano display medici o industriali come hub di alimentazione e concentrazione dati per le attrezzature, con cavi Usb di tipo C che supportano le periferiche di potenza più elevata e forniscono dati ad alta velocità tramite una serie di altri protocolli come I2C. Ciò dà al progettista del sistema maggiore flessibilità quando si devono trasferire in giro i dati. Dato che i connettori Usb di tipo C stanno diventando lo standard per le schede madri dei Pc, saranno quindi presenti su singole schede di computer per applicazioni industriali e forniranno gli stessi vantaggi ai progettisti industriali. La velocità più alta supportata dal connettore e dal protocollo facilita anche il trasferimento di flussi video in HD per applicazioni di visualizzazione industriale. I fornitori di connettori forniscono i connettori di tipo C che gestiscono potenze superiori e sono abbastanza robusti per le applicazioni industriali, mentre i fornitori di semiconduttori forniscono Usb e controller di alimentazione abbastanza piccoli da trovare posto in questi connettori. Un elemento chiave del design del connettore di tipo C è la specifica di alimentazione Usb che consente la massima funzionalità dell’Usb fornendo su un singolo cavo un’alimentazione di potenza più flessibile insieme ai dati. Ciò contribuisce all’aumento dei livelli di potenza dalle norme Usb esistenti fino a 100 W di potenza bidirezionale, in modo che un prodotto con alimentazione sia in grado di fornire potenza. Il protocollo consente inoltre ad ogni dispositivo di assorbire solo la potenza necessaria e di ricevere, se necessario, maggiore potenza per una data applicazione. La specifica non riguarda solo il connettore, infatti si può anche aggiungere un’interfaccia I2C usando la specifica Pd. La specifica Transport Interface definisce un protocollo di comunicazione da usare tramite I2C o interfacce di altre periferiche. Esso utilizza la struttura definita nella specifica di alimentazione Usb e l’amplia per usarla su altri bus. Per fare un esempio, questa specifica permette un protocollo di comunicazione standard tra un controller di alimentazione Usb e un controller di sistema, inoltre fornisce il controllo sulle periferiche a risparmio energetico, come un convertitore Dc-Dc. Tuttavia, ci sono vari modi per implementare tale tecnologia.

Metodologie e soluzioni

I connettori Usb di tipo C di TE Connectivity forniscono una soluzione per fornire dati a una velocità di 10 gigabit al secondo, alimentazione fino 100 watt e input audio/video con un’unica connessione con fattore di formato piccolo. Il connettore Usb di tipo C è dotato di un’interfaccia di accoppiamento reversibile, in cui l’alloggiamento è stato progettato per accogliere una spina omnidirezionale che consente un accoppiamento facile e affidabile. Questo connettore supporta una varietà di protocolli diversi e, tramite adattatori, è retrocompatibile con Hdmi, Vga, DisplayPort e altri tipi di connessione con la singola porta Usb di tipo C. La particolare protezione contro le interferenze elettromagnetiche sul retro dell’involucro di acciaio inox aiuta a eliminare le perdite indesiderate di Emi, oltre a fornire una maggiore ritenzione per migliorare le prestazioni negli ambienti industriali. Poiché il connettore può essere collegato in entrambe le direzioni, è stata prevista la capacità di rilevamento connessione nel pin Vconn dei connettori. Ciò determina l’orientamento dei connettori e quindi si stabilisce quali contatti saranno utilizzati per le porte rivolte verso il lato di caricamento e scaricamento dati (Ufp e Dfp) nonché i contatti dell’alta tensione. Il connettore supporta Usb 2.0 (480 Mb/s), Usb 3.1 Gen 1 (5 Gb/s) e Usb 3.1 Gen 2 (10 Gb/s) ed è specificamente pensato per l’automazione di fabbrica e i macchinari industriali così come per i dispositivi medici, i gruppi di alimentazione e i caricabatterie e i sistemi di infotainment degli autoveicoli con un range di temperatura compreso tra -30°C e 85°C. Ha una tensione nominale di 30 V e una corrente nominale di 5 A sui contatti del bus, 6,25 A sui contatti di terra e 1,25 A sui contatti Vconn. I contatti dei segnali supportano una corrente massima di 0,25 A. Amphenol ha visto evolversi l’Usb da un’interfaccia dati in grado di fornire energia limitata a un fornitore primario di alimentazione con interfaccia dati. Queste funzioni possono essere aggiunte utilizzando gli ultimi dispositivi a semiconduttore, come il controller di Cypress integrato nel corpo del connettore. Il dispositivo FUSB301ATMX di Fairchild è un esempio con soluzione cliente flessibile e sottile per il comando di Usb tipo C. Esso si rivolge ai progettisti di sistemi che desiderano implementare gli elementi Dfp e Ufp del connettore Usb di tipo C, senza la capacità di alimentazione Usb-PD ma fornendo allo stesso tempo la flessibilità del software per il supporto per varie piattaforme attraverso la connessione I2C. Il FUSB301 esegue il rilevamento dell’Usb tipo C, inclusi il collegamento e l’orientamento tramite automazione del rilevamento della soglia Vbus e dei vari livelli di corrente di carica.

Nuove capacità di elaborazione

Alcuni sviluppatori di chip stanno aggiungendo altre capacità di elaborazione. Il CCG2 di Cypress è il controller di seconda generazione dell’azienda per i connettori di tipo C: usa un nucleo del processore Arm Cortex M0 da 48 MHz a 32 bit per configurare la connessione, con un blocco a parte per il rilevamento dei contatti Vconn al momento dell’inserimento e con integrazione dei ricetrasmettitori, dei resistori terminali e della protezione contro le scariche elettrostatiche con livello del sistema di ±8 kV. Ci sono fino a 14 contatti Gpio nel pacchetto Qfn, 7 Gpio nel pacchetto Qfn più piccolo e 9 Gpio nel pacchetto Wlcsp per chip, che misura solo 3,3 mm2. Fornisce una soluzione completa per i cavi Emca (Electronically market cable assembly) passivi, i cavi Emca attivi, i notebook con Usb di tipo C, gli alimentatori, i monitor, i dock e gli adattatori per cavi, come i dongle. Il sistema con chip integrato aggiunge temporizzatori integrati, contatori e modulatori di ampiezza impulso nonché due blocchi di comunicazione seriale configurabili per le modalità I2C, Spi o Uart per espandere la specifica PD.

Un controller a chip singolo

Il processo di connessione con un dispositivo di tipo C è dimostrato dal TPS65982 di Texas Instruments. Questo controller a singolo chip è suddiviso in sei sezioni principali: il controller Usb-PD, il circuito di rilevamento del connettore volante e dell’orientamento, gli interruttori di alimentazione porta, il multiplexer per i dati della porta, il circuito di gestione potenza e il nucleo digitale. Il controller Usb-PD fornisce la funzione di strato fisico del protocollo Usb-PD, con l’uscita dati attraverso il contatto C_CC1 o il contatto C_CC2, a seconda dell’orientamento del connettore. Il contatto di rilevamento del connettore volante e dell’orientamento rileva automaticamente l’inserimento di un connettore volante Usb di tipo C e rileva anche automaticamente l’orientamento del cavo. Al rilevamento del cavo, il TPS65982 comunica attraverso il filo CC mediante il protocollo Usb PD. Quando viene rilevato il cavo e la negoziazione Usb PD è completa, il TPS65982 abilita al percorso di alimentazione appropriato e configura le impostazioni delle modalità alternative del multiplexer interno o esterno. Il front-end a segnale misto dei contatti CC segnala un’alimentazione di 500 mA come standard e di 1,5 A e 3 A come fonti di alimentazione opzionali per il tipo C. Rileva l’inserimento o la rimozione di un connettore e determina l’orientamento del cavo Usb di tipo C e negozia autonomamente le convenzioni PD Usb utilizzando uno specifico protocollo di codifica bifase marcato. Si tratta di uno schema con clock automatico in grado di gestire sia dati sincroni che asincroni e di identificare i bit in base all’inversione di fase. L’interruttore di alimentazione della porta fornisce a valle max. 3 A a 5 V per i connettori standard di tipo A e B e per le connessioni di potenza di tipo C. Un ulteriore percorso con interruttore bidirezionale alimenta l’Usb PD con max. 3 A e max. 20 V sia come fonte sull’host, dissipatore sul dispositivo finale o dissipatore sulla fonte. Il multiplexer dei dati della porta passa i dati alla/dalla coppia di segnale superiore o inferiore D+/D– sulla porta di Usb 2.0 HS ed ha un punto terminale a bassa velocità Usb 2.0. Viene utilizzata una coppia di segnali Sbu (Sideband use) per i protocolli di connessione alternativi, come DisplayPort o Thunderbolt, ma anche all’interno dello stesso connettore. Il circuito di gestione alimentazione utilizza il Vbus per avviare e negoziare l’alimentazione per una batteria esaurita o in caso di assenza della batteria. Il nucleo digitale fornisce il motore per la ricezione, l’elaborazione e l’invio di tutti i pacchetti Usb-PD nonché la gestione per il controllo di tutte le altre funzioni del TPS65982. Una piccola porzione del nucleo digitale contiene il codice di avvio nella memoria non volatile per l’inizializzazione del dispositivo e per caricare una grande porzione configurabile di codice di applicazione nella memoria volatile del nucleo digitale. Questo utilizza le informazioni fornite dal convertitore analogico-digitale per leggere lo stato degli ingressi generali, rileva gli eventi e controlla le uscite generali configurabili come tipi push-pull o open-drain con resistori pull-up o pull-down integrati che possono funzionare con un binario da 1,8 V o 3,3 V.

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