USB Type-C in een Micro-B-wereld

De onlangs geïntroduceerde USB 3.1-specificatie wordt geleverd met een nieuwe connector die eindelijk de grootste problemen met de originele USB-specificatie oplost:de vereiste voor mechanische oriëntatie. Alle eerdere USB-connectoren en kabels zijn voorzien van een sleutel zodat ze maar op één manier kunnen worden aangesloten; ook zijn de kabels niet omkeerbaar (zie ook Introductie van USB Type-C - USB voor 21st-eeuwse systemen ).

Nou, misschien is dit niet het "grootste probleem", maar het is zeker vervelend. Mijn ervaring is dat er maar liefst drie pogingen nodig zijn om een ​​USB-kabel met succes aan te sluiten op de achterkant van een computer of mijn mobiele telefoon. Zoals je in de onderstaande afbeelding kunt zien, brengt de nieuwe USB 3.1, Type-C-connector eindelijk mechanisch symmetrisch in de wereld van USB.

USB 3.1 is een belangrijke upgrade, inclusief extra stroomcapaciteit, hogere datasnelheid en omkeerbare slimme kabels die in elke richting kunnen worden aangesloten. Een van de nadelen is de extra complexiteit. De smart-kabel met volledige specificaties bevat elektronica waarmee hij aan elke kant precies kan bepalen waar hij mee praat en dienovereenkomstig kan worden aangepast. Dit maakt het mogelijk om een ​​aantal verblindend snelle gegevensformaten te accommoderen, evenals een verscheidenheid aan laadstroomniveaus.

Het lezen van de specificaties kan een beetje intimiderend zijn in vergelijking met de USB Micro-B-connector en de FTDI USB 2.0 naar UART-chips waar de meeste van ons microcontroller-mensen aan gewend zijn geraakt. Toen ik dit verder onderzocht, ontdekte ik echter dat, hoewel de connectoren zelf niet compatibel zijn met oudere kabels, de 3.1-specificatie basis USB 2.0-gegevenssignalen kan verwerken met minimale extra complexiteit. Het is mogelijk, niet moeilijk en officieel ondersteund om een ​​Type-C-connector aan te sluiten op een bestaand USB 2.0-ontwerp.

Mijn eerste gebruik van de Type-C-connector komt in een elektronische liniaal die ik ontwerp met de productieve projectontwikkelaar en hoofdredacteur van Embedded.com, Max Maxfield. De liniaal is Arduino-compatibel en wordt via USB geprogrammeerd. In de oorspronkelijke implementatie heb ik, zoals bij de meeste van mijn ontwerpen, een FTDI FT231X-chip geplaatst om tussen de UART op de MCU en een USB Micro-B-connector te gaan. In deze incarnatie van het ontwerp behoud ik de Micro-B-connector, maar ik voeg ook een Type-C-connector toe. De liniaal praat nog steeds via het USB 2.0-protocol, maar kan communiceren via een Micro-B-kabel of een nieuwe Type-C-kabel.

Het onderstaande diagram toont de pinlay-out voor de signaal-, stroom- en aardingsaansluitingen, zoals te zien is in een frontaal aanzicht van de connector.

Je kunt zien dat deze tweezijdige connector alle stroom- en aardingspinnen heeft, samen met de USB 2.0 D+ en D-pinnen, gedupliceerd aan diagonaal tegenoverliggende zijden. Aangezien ik het alleen heb over USB 2.0-compatibiliteit, hoeven we ons alleen maar zorgen te maken over de D+-, D-, Vbus-, Ground-, CC1- en CC2-pinnen. De TX1/2/+/-, RX1/2/+/ en SBU1/2-connectoren worden gebruikt voor hogere snelheid en alternatieve modi, zoals full-speed 3.1, DisplayPort en HDMI.

Alleen de stroom-, massa-, D+- en D- aansluitingen zijn exact gespiegeld. In het geval van de snellere 3.1-modi zorgt de elektronica in de slimme kabel ervoor dat de signalen gaan waar ze horen te gaan. De specificatie vereist dat de kabel slechts één paar D+ en D- draagt, terwijl de connector beide sets heeft. Dit biedt nog steeds universele en omkeerbare verbindingen, maar met twee draden minder.

De CC1- en CC2-pinnen worden gebruikt voor pull-down-weerstanden om een ​​slimme kabel of een stroomopwaarts apparaat instructies te geven over de oriëntatie van de kabel en de opties voor stroomtoevoer. In mijn geval vereist een standaard USB 2.0-apparaat 5.1K pull-down-weerstanden (R3 en R4) op zowel CC1 als CC2.

J2 is de Type-C-connector, terwijl J1 de Micro-B-connector is. Alle D-pinnen en D+-pinnen zijn respectievelijk verbonden met de FT231X (U2) USBDM- en USBDP-pinnen via 27 ohm-weerstanden (R1 en R2), net zoals ze zouden zijn in een opstelling met alleen USB 2.0. Ik kan al het andere los laten.

Ik heb beschermingsdiodes (D20 en D21) toegevoegd om ervoor te zorgen dat de stroom van 5 volt van de ene kabel terug naar de andere gaat - als ze allebei tegelijkertijd worden aangesloten - en mogelijk het ene of het andere systeem beschadigen. Een datalijnbotsing die wordt veroorzaakt doordat beide kabels zijn aangesloten, kan geen kwaad - het werkt gewoon niet - dus ik heb die bescherming achterwege gelaten (ik vertrouw erop dat gebruikers dit niet doen).

In de onderstaande lay-out ziet u de relatieve grootte van de Micro-B-connector (J1) aan de linkerkant in vergelijking met de Type-C SMT/Thru-hole-connector (J2) aan de rechterkant.

Voor een beter beeld toont de onderstaande afbeelding een USB Micro-B-connector (linksboven), een USB Type-C-connector met alleen oppervlaktemontage (SMT) (middenboven) en een gecombineerde SMT en doorlopende Type-C connector (rechtsboven), naast een Amerikaans dubbeltje (linksonder).

Ik wacht bijvoorbeeld met spanning op de algemene en wijdverbreide acceptatie van USB Type-C-connectoren. Tot die tijd, zolang ik de bordruimte beschikbaar heb, zal ik beide connectoren op mijn borden plaatsen. En jij? Implementeert u al USB Type-C-connectoren in uw embedded systemen? Zo niet, wanneer verwacht u dat te doen?