Consideraţii importante pentru dispozitivele USB folosite în aplicaţiile industriale

26 OCTOMBRIE 2009

Certificare USB-IF
USB-IF (USB Implementers Forum) este o organizaţie non-profit fondată de un grup de companii ce dezvoltă specificaţiile USB. Orice furnizor poate dezvolta un produs USB urmând specificaţiile USB, dar asta nu înseamnă că produsele lor au fost şi testate. Aici intervine certificarea USB-IF. Produsele ce promovează testele certificării sunt autorizate să poarte logo-ul USB şi sunt trecute pe lista integratorilor USB-IF ce se găseşte pe website-ul USB-IF. Utilizatorii pot alege produse cu logo-ul USB pentru a asigura fiabilitatea şi interoperabilitatea sistemelor lor. Atât furnizorii de aparate USB cât şi utilizatorii pot beneficia de certificarea USB-IF.

De ce avem nevoie de certificarea USB-IF?
Popularitatea de care se bucură USB-ul este dată în mare parte de uşurinţa de folosire, interfaţa Plug and Play. Dar când vine vorba de folosirea USB-ului în aplicaţii industriale, inginerii au identificat câteva probleme. De exemplu:

P1: Aparatul USB s-ar putea să nu funcţioneze cu unele sisteme de operare.
P2: Gazda nu poate detecta/recunoaşte aparatul.
P3: Aparatul USB 2.0 este detectat ca un aparat USB 1.1 şi rulează la 12 Mbps.
P4: Aparatul USB nu mai funcţionează corect după ce a fost conectat şi deconectat de câteva ori.

Aceste probleme sunt atribuite unor greşeli de proiectare ce pot fi detectate şi prevenite uşor prin intermediul unor testări detaliate. Testele certificării USB-IF identifică aceste probleme legate de greşeli de proiectare asigurând calitatea produselor USB. Alegând un furnizor ale cărui produse au obţinut certicarea USB-IF, poţi fi sigur că aparatul USB va funcţiona corect şi nu va strica portul USB gazdă – eliminând astfel problemele de mai sus.

Ce teste sunt implicate?
Certificarea USB-IF implică testarea riguroasă a protocolului USB şi o serie de teste electrice.

Protocolul USB
Specificaţiile USB, Capitolul 8 şi 9 detaliază cerinţele necesare şi fluxurile de comunicaţii pe care aparatele USB trebuie să le îndeplinească. Dar, furnizorii trebuie ei înşişi să implementeze protocoalele în aparate şi să scrie firmware-ul pentru cererile gazdei. În majoritatea aplicaţiilor, cererile gazdei sunt realizate de sisteme de operare cum ar fi Windows şi Linux, ce au diferenţe subtile. Unii dezvoltatori fac teste doar pentru o parte din sistemele de operare şi zic că dezvoltarea a luat sfârşit. Aşa se explică de ce unele aparate USB sunt compatibile doar cu un sistem de operare dar nu şi cu celălalt. Certificarea USB asigură că aparatul USB acoperă toate tipurile de comenzi USB, rezolvând astfel problema P1. Dacă produsul foloseşte o soluţie turnkey fără nici un software sau firmware, folosind chip-uri proiectate bine vă rezolvă majoritatea problemelor legate de compatibilitate.

Testări ale caracteristicilor electrice
În cele mai des întâlnite cazuri, furnizorii de soluţii utilizează implementări “la cheie” şi nu iau în considerare probleme precum tensiunea de întoarcere, şoc de curent la anclanşare (pornire în sarcină), calitatea semnalului sau căderea/coborârea tensiunii. Desigur, design-ul unui circuit USB de înaltă viteză, certificat sau fără certificare, poate fi identic, dar un circuit imprimat de calitate inferioară poate afecta, după cum este bine ştiut, viteza de transmisie, valoarea aceasteia fiind de 480 Mbps. Cu toate că furnizorii de soluţii în discuţie sunt conştienţi de aceste probleme, unii nu pot realiza evaluarea propriilor produse din cauza faptului că echipamentele destinate testării sunt prea scumpe, de exemplu un osciloscop cu analiză în timp real. Chiar dacă un dispozitiv USB cu deficienţe de proiectare, de exemplu o diagramă a ochiului necorespunzătoare sau tensiune de întoarcere ridicată, este funcţional, apare problema destabilizării funcţionării altor dispozitive USB ce utilizează aceeaşi magistrală. Utilizarea dispozitivelor USB ce poartă emblema oficială USB este cea mai bună modalitate de a vă garanta că folosiţi un dispozitiv ce a fost testat pentru toţi factorii menţionaţi mai sus. Calitatea semnalului, reprezentată de diagrama ochiului, ilustrată în imaginile următoare poate rezolva problemele P2 şi P3. Alte testări electrice pentru detectarea tensiunii de întoarcere, a şocului de curent la anclanşare şi a căderii/coborârii tensiunii pot rezolva P4.

De ce este mai importantă certificarea USB-IF în aplicaţii industriale?
Fiabilitatea şi eficienţa sunt extrem de importante în aplicaţii industriale. Imaginaţi-vă îngreunarea pe care ar provoca-o oprirea întregii activităţi doar pentru a înlocui un dispozitiv USB care perturbă comunicaţiile dintre toate echipamentele de reţea. De aceea certificarea USB-IF este mai importantă în aplicaţii industriale decât în aplicaţii ale bunurilor de larg consum. Certificarea USB-IF asigură o conexiune USB de bună calitate astfel încât vă elimină grija pierderii timpului şi a costurilor unui diagnostic profesional la faţa locului pentru a determina de ce conexiunea USB manifestă probleme.

Protecţie la descărcări electrostatice (ESD)
Întrucât dispozitivele USB sunt proiectate pentru a fi conectate şi deconectate frecvent de la dispozitivele gazdă, şocul de curent la punere în sarcină şi descărcările electrostatice trebuie considerate în faza de design. Din fericire, certificarea USB-IF ia deja în considerare şocul de curent menţionat. În privinţa protecţiei ESD, standardul IEC 61000-4-2 oferă cel mai bun indicator al nivelului de protecţie ESD pentru un dispozitiv. Conectările şi deconectările frecvente lasă dispozitivele USB susceptibile la defectări cauzate de ESD, din această cauză un nivel de protecţie ridicat la descărcări electrostatice este necesar. Acesta este motivul pentru care furnizorii principali de soluţii IT încearcă să ofere cel mai înalt nivel de protecţie, respectiv nivelul 4, pentru dispozitivele USB oferite. Nivelul 4 de protecţie implică protejarea dispozitivului la ±15kV descărcări în aer şi ±8kV protecţie împotriva descărcărilor prin contact. În cazul unor aplicaţii de automatizări industriale, este necesar ca operatorii să conecteze fiecare dispozitiv într-un port USB al gazdei, cu scopul de a descărca firmware-ul sau de a rula teste asupra dispozitivului (cu conexiune USB).
Aşadar protecţie la 8kV descărcări electrostatice la atingerea cu corpul uman este deosebit de importantă.
Tabelul alăturat punctează nivelurile de solicitare pentru IEC 61000-4-2:

Suportul pentru operarea în temperaturi extreme
În aplicaţiile industriale mai trebuie să ţineţi cont şi de temperatura de operare. Majoritatea dispozitivelor USB sunt proiectate pentru a fi utilizate în birouri, ele ne putând fi folosite în aplicaţii din exterior. O carcasă întărită este doar o cerinţă de bază. Mai trebuie să vă asiguraţi că aparatul USB mai are şi o temperatură de operare extinsă (-40 la 85°C), ceea ce implică utilizarea de componente de o calitate superioară şi o proiectare mai eficientă a alimentării. O proiectare slabă va duce la supraîncălzire şi un consum excesiv de putere. Supraîncălzirea va reduce valoarea MTBF-ului produsului în mediile cu o temperatură ridicată, cum ar fi uzinele.
Pentru a rezolva această problemă, hub-uri USB industriale din seria UPort 400 de la MOXA sunt construite cu o carcasă de metal întărită ce suportă atât montarea pe perete cât şi pe şină DIN. Adiţional, pe lângă certificările USB-IF pentru alimentare prin bus şi alimentare de la o sursă externă, hub-urile USB UPort 404 şi 407 suportă şi o temperatură de operare cuprinsă între -40 şi 85°C (modelele 404-T şi 407-T), fiind astfel perfecte pentru aplicaţiile industriale cum ar fi automatizarea vehiculelor, militară şi a uzinelor.
Conectivitatea de tip Plug and Play a hub-urilor USB a făcut viaţa mai uşoară, permiţând conectarea mai multor aparate prin intermediul aceleaşi interfeţe. Dar când vine vorba de alegerea unor aparate USB pentru aplicaţii industriale, ce sunt, foarte des, implementate în medii dure şi au cerinţe solicitante, produsele obişnuite rareori vor putea face faţă. De aceea alegerea de produse cu certificare USB-IF, protecţie ESD de nivel 4 şi o temperatură de operare extinsă vă poate asigura o comunicaţie sigură, interoperabilă şi eficientă pentru aplicaţiile dumneavoastră industriale.
În ultima secţiune vă vom prezenta exemplul unei aplicaţii industriale unde calculatorul ce realizează activităţile de achiziţie de date, procesare şi control este legat de restul sistemului printr-o conexiune USB industrială.
Prin urmare, figura de mai sus ne prezintă două reţele RS-485 independente, fiecare având o serie de module cu intrări analogice cu rolul achiziţiei de date (I-7018, prod. ICP DAS, în diagramă) sau cu rolul controlului echipamentelor prin module cu ieşiri digitale (în exemplul nostru, I-7067). Desigur o suită întreagă de module pot fi adăugate, pe aceeaşi linie RS-485, în diagrama noastră fiind simbolizată prin introducerea unor module generale (I-70xx, în imaginea în discuţie). Conversia RS-485/USB este realizată de către două module de tip UPort 1150I (prod. MOXA), semnalele USB fiind preluate şi trimise la calculatorul central de către un HUB USB industrial, respectiv UPort 404 (prod. MOXA), în exemplul nostru. Pentru mai multe informaţii despre aplicaţia prezentată, dar şi despre alte aplicaţii personalizate cerinţelor dumneavoastră, vă rugăm contactaţi S.C. IMPERIAL ELECTRIC S.A. prin adresa de e-mail: office@imperialelectric.ro.

Contact:
Ing. Andrei Chelaru
Imperial Electric SA
office@imperialelectric.ro
www.imperialelectric.ro

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre