USB Typ-C in einer Micro-B-Welt

Die kürzlich eingeführte USB 3.1-Spezifikation kommt mit einem neuen Anschluss, der endlich die größten Probleme mit der ursprünglichen USB-Spezifikation löst – die Forderung nach mechanischer Ausrichtung. Alle bisherigen USB-Anschlüsse und -Kabel sind so kodiert, dass sie nur auf eine Weise eingesteckt werden können; Außerdem sind die Kabel nicht umkehrbar (siehe auch Einführung von USB Typ-C – USB für Systeme des 21. Jahrhunderts ).

Nun, vielleicht ist dies nicht das „größte Problem“, aber es ist sicherlich ein Ärgernis. Meiner Erfahrung nach braucht es nicht weniger als drei Versuche, um ein USB-Kabel erfolgreich an der Rückseite eines Computers oder meines Mobiltelefons anzuschließen. Wie Sie im Bild unten sehen können, bringt der neue USB 3.1, Typ-C-Anschluss endlich mechanisch symmetrische in die USB-Welt.

USB 3.1 ist ein bedeutendes Upgrade, einschließlich zusätzlicher Stromversorgung, höherer Datengeschwindigkeit und umkehrbaren intelligenten Kabeln, die in jeder Ausrichtung eingesteckt werden können. Einer der Nachteile ist die zusätzliche Komplexität. Das vollwertige Smart-Kabel verfügt über eine Elektronik, die es ermöglicht, genau zu bestimmen, mit wem es auf jeder Seite spricht, und sich entsprechend anzupassen. Dies ermöglicht es, eine Reihe von unglaublich schnellen Datenformaten sowie eine Vielzahl von Ladestrompegeln zu unterstützen.

Das Lesen der Spezifikation kann im Vergleich zum USB-Micro-B-Anschluss und den FTDI USB 2.0-zu-UART-Chips, an die sich die meisten von uns Mikrocontroller-Leuten gewöhnt haben, etwas einschüchternd sein. Bei weiteren Recherchen stellte ich jedoch fest, dass die Anschlüsse selbst nicht mit älteren Kabeln kompatibel sind, die 3.1-Spezifikation jedoch grundlegende USB 2.0-Datensignale mit minimaler zusätzlicher Komplexität unterstützt. Es ist möglich, nicht schwierig und wird offiziell unterstützt, einen Typ-C-Stecker an ein vorhandenes USB 2.0-Design anzuschließen.

Meine erste Verwendung des Typ-C-Anschlusses erfolgt in einem elektronischen Lineal, das ich mit dem produktiven Projektentwickler und Redaktionsleiter von Embedded.com, Max Maxfield, entwerfe. Das Lineal ist Arduino-kompatibel und wird über USB programmiert. In der ursprünglichen Implementierung habe ich, wie bei den meisten meiner Designs, einen FTDI FT231X-Chip zwischen dem UART auf der MCU und einem USB-Micro-B-Anschluss eingesetzt. In dieser Inkarnation des Designs behalte ich den Micro-B-Anschluss, aber ich füge auch einen Typ-C-Anschluss hinzu. Das Lineal kommuniziert weiterhin über das USB 2.0-Protokoll, kann jedoch entweder über ein Micro-B-Kabel oder ein neues Typ-C-Kabel kommunizieren.

Das Diagramm unten zeigt das Pin-Layout für die Signal-, Strom- und Masseanschlüsse in einer Frontalansicht des Steckers.

Sie können sehen, dass dieser zweiseitige Anschluss alle Strom- und Massepins sowie die USB 2.0 D+ und D- Pins auf diagonal gegenüberliegenden Seiten dupliziert hat. Da ich gerade über die USB 2.0-Kompatibilität spreche, müssen wir uns nur um die D+-, D-, Vbus-, Ground-, CC1- und CC2-Pins kümmern. Die Anschlüsse TX1/2/+/-, RX1/2/+/ und SBU1/2 werden für höhere Geschwindigkeiten und alternative Modi wie Full-Speed ​​3.1, DisplayPort und HDMI verwendet.

Nur die Anschlüsse Power, Masse, D+ und D- werden exakt gespiegelt. Bei den schnelleren 3.1-Modi sorgt die Elektronik im Smart Cable dafür, dass die Signale dort ankommen, wo sie hin sollen. Die Spezifikation erfordert, dass das Kabel nur ein Paar D+ und D- trägt, während der Stecker beide Sätze enthält. Dies bietet immer noch universelle und reversible Verbindungen, jedoch mit zwei weniger Drähten.

Die Pins CC1 und CC2 werden für Pull-Down-Widerstände verwendet, um ein intelligentes Kabel oder ein vorgeschaltetes Gerät über die Ausrichtung des Kabels und die Stromversorgungsoptionen zu informieren. In meinem Fall erfordert ein einfaches USB 2.0-Gerät 5.1K-Pulldown-Widerstände (R3 und R4) sowohl an CC1 als auch an CC2.

J2 ist der Typ-C-Anschluss, während J1 der Micro-B-Anschluss ist. Alle D-Pins und D+-Pins sind über 27 Ohm-Widerstände (R1 und R2) mit den FT231X (U2) USBDM- und USBDP-Pins verbunden, genau wie bei einem reinen USB 2.0-Setup. Ich kann alles andere unverbunden lassen.

Ich habe Schutzdioden (D20 und D21) hinzugefügt, um zu verhindern, dass 5 Volt Strom von einem Kabel zum anderen zurückfließen – sollten beide gleichzeitig eingesteckt sein – und möglicherweise das eine oder andere System beschädigen. Eine Datenleitungskollision, die durch das Einstecken beider Kabel verursacht wird, schadet nichts – es funktioniert einfach nicht – also habe ich diesen Schutz weggelassen (ich verlasse mich darauf, dass die Benutzer dies nicht tun).

Im folgenden Layout sehen Sie die relative Größe des Micro-B-Steckverbinders (J1) auf der linken Seite im Vergleich zum Typ-C-SMT/Thru-Hole-Steckverbinder (J2) auf der rechten Seite.

Zur besseren Ansicht zeigt das Bild unten einen USB-Micro-B-Anschluss (oben links), einen reinen USB-Typ-C-Anschluss (obere Mitte) für die Oberflächenmontage (SMT) und einen kombinierten SMT- und Durchgangsloch-Typ-C Stecker (oben rechts), neben einem US-Dime (unten links).

Ich für meinen Teil warte gespannt auf die allgemeine und weit verbreitete Einführung von USB-Typ-C-Steckverbindern. Bis dahin werde ich, solange ich den Platz auf der Platine zur Verfügung habe, beide Anschlüsse auf meine Platinen stecken. Und du? Setzen Sie bereits USB-Typ-C-Anschlüsse in Ihren eingebetteten Systemen ein? Wenn nicht, wann planen Sie dies zu tun?