Utilizarea USB in echipamente

Utilizatorii de echipamente electronice întâlnesc în momentul de faţă mai multe standarde de transmitere a datelor. Acestea sunt adesea alocate unui anumit grup de echipamente. O excepţie este interfaţa USB, care poate funcţiona în multe aplicaţii, de diverse tipuri. Protocolul utilizat în această interfaţă nu este însă uşor de controlat, de aceea, foarte repede după definirea specificaţiei USB au apărut circuite specializate, care fac mai uşoară viaţa constructorilor.

Timp de mulţi ani, în majoritatea echipamentelor care foloseau transmisia serială de date, a dominat în mod clar interfaţa RS232C, deşi, pentru a fi obiectivi, trebuie să adăugăm că nu a fost singura şi a avut concurenţii săi. Chiar dacă cerinţele utilizatorilor au crescut, se părea că poziţia acestei interfeţe nu va fi ameninţată în viitorul apropiat. A apărut însă specificaţia revoluţionară a interfeţei seriale USB (Universal Serial Bus). Noul standard a permis obţinerea unei noi funcţionalităţi a echipamentelor, care nu ar fi fost posibilă cu utilizarea în continuare a vechii RS232. Au putut fi înlocuite cu uşurinţă mai multe interfeţe utilizate anterior cu una singură, care, în plus, era şi mai rapidă decât predecesoarele sale. În plus, lipsa adresării echipamentelor în standardul RS232 era unul dintre aspectele care îngreunau operarea simultană a mai multor echipamente. Constructorii au fost fascinaţi, dar li s-a pus, totodată, o problemă nouă – cum să utilizeze noul standard. Cunoaşterea exactă a noii specificaţii a constituit o barieră foarte dificilă şi imposibil de trecut. Acest lucru a devenit repede evident şi, astfel, firma britanică FTDI (Future Technology Devices International Limited), printre primele din lume, a venit pe piaţă cu o ofertă greu de refuzat. Soluţiile hardware propuse de această firmă au asigurat în mod ideal migrarea de la standardul RS232 la USB. Cu ajutorul circuitelor oferite de FTDI, constructorii pot opera echipamentele care folosesc interfaţa USB fără să cunoască aproape deloc specificaţia acesteia, deoarece circuitele FTDI joacă rolul de punţi între porturile celor două standarde. Într-unul dintre modurile de lucru, portul USB este operat, din punctul de vedere al constructorului, la fel ca binecunoscutul RS232. Circuitele produse de FTDI realizează toate operaţiile necesare funcţionării corecte a interfeţei USB, cum ar fi: enumerarea echipamentelor (incluzând recunoaşterea clasei acestora, adresare, instalarea driverului), buffering-ul şi codarea datelor, operarea mai multor protocoale de comunicaţie, precum şi modelarea corespunzătoare a semnalelor electrice, însă cu eliminarea translaţiei nivelelor.

Oferta FTDI

Oferta FTDI cuprinde trei tipuri de produse. Acestea sunt: circuite integrate, cabluri şi module de comunicaţie.
Circuitele integrate sunt destinate implementării comode a interfeţei USB în aplicaţiile utilizatorilor. Dintre acestea se diferenţiază gama FT alcătuită din convertoarele USB Slave, precum şi controlerele USB Host/Slave (gama Vinculum). Circuitele FT pot funcţiona ca şi convertoare USB <–> UART (FT232B, FT232R) sau USB <-> FIFO (FT245B, FT245B). Folosesc standardul USB 2.0 Full Speed (12 Mb/s). Sunt şi circuite care funcţionează ca şi convertoare USB <-> UART/FIFO (FT2232D, FT4232H şi FT2232H). Ultimele două folosesc standardul Hi-speed USB 2.0 (480 Mb/s). Convertoarele sunt prevăzute cu buffere interne cu capacitatea cuprinsă între 128 baiţi şi 4 kB (în funcţie de tipul de circuit) atât pentru emiţător, cât şi pentru receptor, pentru fiecare canal disponibil. Canalele sunt în număr de 1 până la 4, în funcţie de tipul de circuit. Viteza de transmisie pe partea UART este reglată într-un domeniu cuprins între 300 b/s şi 1 Mb/s (sau standard pentru sistemul Windows 921,6 kb/s). Circuitele FT232R şi FT245R sunt prevăzute cu memorie internă de configurare EEPROM, iar celelalte necesită utilizarea unei memorii externe. Majoritatea circuitelor din gama FT pot funcţiona într-un domeniu de temperaturi între –40 şi +85°C. Sunt disponibile în carcase LQFP, SSOP şi QFN cu un număr de terminale în funcţie de tip (de la 32 la 64). Trebuie subliniat şi faptul că circuitele FT2232D, FT4232H şi FT2232H pot fi configurate pentru a funcţiona cu protocoalele sincrone SPI, I2C şi JTAG.
Gama Vinculum este alcătuită din circuitele VNC1L şi VNC2 (Vinculum II). Ambele circuite dispun de două porturi USB şi un port UART.
Circuitul VNC1L este un controler extins al hostului USB, iar VNC2 este un host complet USB 2.0. În acesta a fost implementat un procesor intern cu un miez de 16 biţi, care poate executa aplicaţiile utilizatorului. Pentru acest scop, este disponibilă o parte din memoriile Flash şi RAM. Producătorul asigură suportul corespunzător în ceea ce priveşte mediul de programare. Cu ajutorul circuitelor Vinculum, pot fi operate într-un mod relativ uşor echipamente USB de tip Mass Storage, prin urmare memorii Flash de tip pen drive, discuri USB etc. Comunicaţia dintre circuitele Vinculum şi microcontrolerul extern este realizat prin portul SPI sau UART. Circuitul din a doua generaţie VNC2 este compatibil în mod retroactiv cu predecesorul său VNC1L.

Figura 1: Schema cablu US232R

Cabluri de transmisie – sunt produse FTDI care folosesc, printre altele, circuitele integrate proprii, descrise mai sus. Reprezintă o soluţie excelentă oriunde acolo este necesară transmiterea de date prin USB între echipamente prevăzute cu interfeţe seriale diferite. Cel mai mare avantaj al acestora este uşurinţa în utilizare, pentru că nu necesită niciun fel de adaptare a echipamentelor. Conversia corespunzătoare a formatelor (USB în RS232, RS422, RS485, semnale TTL) este realizată cu ajutorul electronicii integrate. În funcţie de necesităţi, se pot alege cabluri cu diferite tipuri de terminaţii, de la mufele folosite în mod curent în conexiunile USB, până la diverse reglete de contacte, chiar şi conductori “goli”. Interfeţele integrate în cabluri funcţionează în standardele de tensiune 3,3 V şi 5 V. Din partea UART, sunt operate liniile Tx, Rx, RTS i CTS. În cablu se află şi conductori de alimentare VCC şi GND.
Ca exemplu, în figura 1 este prezentată schema convertorului folosit în cablul USB RS232, iar în figura 2 realizarea practică a acestuia.

Figura 2: Aspect exterior cablu US232R

Figura 3: Modul USB Serial (UM232R)

Figura 4: Modul USB-COM422-PLUS-4

Modulele USB sunt ultima grupă de produse FTDI cu destinaţie similară celor descrise mai sus. În acest caz, avem însă de-a face cu semiproduse gata de utilizare, care pot fi folosite de constructori în aplicaţiile proprii pentru operarea interfeţei USB. Cu ajutorul acestora, se poate scurta şi simplifica faza de proiectare şi prototipare a echipamentelor electronice cu interfaţă USB. Dimensiunile reduse permit chiar şi amplasarea acestora în dispozitivele finale. Modulele USB moştenesc majoritatea caracteristicilor funcţionale de la circuitele FTDI, pe baza cărora sunt construite. Ceea ce le diferenţiază de celelalte produse ale acestei firme sunt destinaţia şi modul de utilizare. În figura 3 este prezentat modulul USB serial UART. Este una din versiunile mai simple ale acestei grupe de produse, iar în ofertă se află şi dispozitive multicanal, de exemplu USB-COM422-PLUS-4 – convertor cu 4 canale RS422 <-> USB (figura 4).

Drivere
Convertoarele USB produse de FTDI pot funcţiona cu două tipuri de drivere. Primul dintre ele, cel mai uşor de operat de către utilizator, este VCP, adică Virtual COM Port.
După instalarea acestuia în sistemul de operare al computerului, este creat un port serial virtual deservit de mecanismele şi funcţiile de sistem integrate. Ca urmare, utilizatorul va scrie aplicaţiile exact în acelaşi mod ca pentru un port serial standard (COM).
Al doilea tip de driver este D2XX. În acest caz, operarea interfeţei USB este realizată prin funcţiile disponibile în bibliotecile DLL. Dat fiind numărul acestora, sarcina pentru constructor este cu mult mai dificilă decât în cazul utilizării VCP, dar oferă şi posibilităţi mai mari.
Fiecare dintre tipurile de drivere menţionate este oferit de producător fără taxe sau licenţe, chiar şi pentru uz comercial. Există versiuni pentru toate sistemele de operare folosite în prezent, 32 biţi şi 64 biţi (Windows, Linux, Mac OS X şi Windows CE). FTDI nu mai oferă însă suport pentru versiunile destinate Windows 98/ME, Mac OS 8 şi 9.

Firma FTDI nu este singura care produce circuite destinate operării interfeţei USB, însă poziţia sa de lider în Polonia nu poate fi pusă în discuţie.
Îşi datorează succesul vitezei mari de adaptare a ofertei la cerinţele curente ale clienţilor, dar şi gamei largi de produse. Posibilitatea de cumpărare prin intermediul magazinului online TME va contribui, cu siguranţă, la popularizarea în continuare a circuitelor FTDI.