Муфты электромонтажные от производителя Fucon

Изолированный преобразователь USB-UART, стоящий $20 и сделанный за 20 минут

FTDI FT232R ADuM3211 Si8421BB-D-IS

В оцепенении я стоял в клубах дыма, поднимающегося над лежащей на моем столе печатной платой. Всего за минуту до этого я спокойно работал над своим проектом, когда вдруг услышал хлопок, который можно было сравнить только с пистолетным выстрелом. Последствия оказались неожиданными: порт USB компьютера, который использовался с преобразователем USB-UART для обмена с разрабатываемым оборудованием, вышел из строя и восстановлению не подлежал. Теперь компьютер был испорчен и превратился в бесполезную железку.

Сравнительное тестирование аккумуляторов EVE Energy и Samsung типоразмера 18650

Между тем, простая схема изоляции ценой всего несколько долларов могла бы надежно защитить USB порт компьютера. Разработчики встраиваемых систем привыкли ежедневно подключать к своим компьютерам непонятные платы и компоненты и редко задумываются о возможных последствиях.

В этой статье описывается дешевая схема изолированного моста USB-UART, собранная из деталей, предлагаемых компанией Sparkfun, основу которой составляет коммутационная плата (breakout board – BOB) USB-UART.

Изолированный преобразователь USB-UART может оказаться полезным очень во многих случаях. К примеру, при разработке устройств с батарейным питанием преобразователь USB-UART часто оставляют подключенным к схеме, из-за чего в отсутствие изоляции схема оказывается через землю хоста подключенной к шине земли. При этом устройство может работать нормально, но при отключении от компьютера перестает работать вообще. Изолированный преобразователь разделяет земли устройства и хоста, позволяя решить проблемы заземления уже на раннем этапе разработки.

Важнейшим назначением изолированного преобразователя USB-UART является, безусловно, предупреждение отказов. Представьте себе последствия подключения непроверенной электронной платы к дорогому ноутбуку, такому, например, как MacBook Pro. Аппаратная спецификация USB предусматривает наличие цепей защиты, но конечно, не для приборов, работающих при напряжении в сотни вольт постоянного тока. Когда вышедшее из строя устройство на шине USB имеет потенциал более 5 В, или когда через него протекает значительный ток, вы не пожалеете о том, что потратили $20 на изоляцию двух устройств.

Выбор изолятора

Выбор изолятора требует очень тщательного подхода. UART всегда считали низкоскоростными устройствами, однако современные микроконтроллеры и интерфейсы могут поддерживать скорости, превосходящие 1 Мбит/с. Многие изоляторы, в особенности оптроны, не могут работать на частотах свыше 100 кГц. Выпускаемый Silicon Labs цифровой изолятор Si8421BB-D-IS вполне подходит для нашего приложения, однако он не рекомендован для использования в новых разработках. Альтернативой могла бы быть микросхема ADUM3211ARZ, но она не проверялась, поэтому использовать ее вы будете на свой страх риск.

Изоляция микросхемы SI8421BB позволяет ей выдерживать напряжение 2.5 кВ в течение 1 минуты. Суффикс BB указывает на то, что изолятор может работать на скоростях до 150 Мбит/с. Цена микросхемы SI8421BB-D при небольших объемах закупок составляет всего $1.46, но если для вас это слишком дорого, SI8421AB-D будет стоить лишь $1.05 (при максимальной скорости 1 Мбит/с). Другим преимуществом SI8421BB-D является то, что она имеет два изолятора в 8-выводном корпусе SOIC, то есть, способна обеспечить двунаправленный обмен по линиям сигнальной пары Tx/Rx. Изоляторы однонаправленные, однако расположение их выводов позволяет совместить микросхемы с платой преобразователя USB-UART фирмы Sparkfun.

Изготовление устройства

Для изготовления моста нужно заказать совсем немного деталей:

Кол-во
Компонент
Источник
Номер по
каталогу
Цена
1
Плата преобразователя
USB-UART
Sparkfun
BOB-12731
$14.95
1
Плата для корпуса SOIC
Sparkfun
BOB-00494
$2.95
1
Штыревые контакты 0.10”
Sparkfun
PRT-00116
$1.50
1
Микросхема изолятора
SI8421BB-D-IS
Digikey
336-1756-5-ND
$1.46

Полная стоимость этих компонентов без учета доставки составляет $20. У большинства конструкторов в работе всегда находится хотя бы один проект, поэтому, объединив заказы элементов для изолятора и текущих разработок, стоимость доставки можно существенно снизить. Полный набор компонентов может выглядеть примерно так, как показано на Рисунке 1.

Изолированный преобразователь USB-UART, стоящий $20 и сделанный за 20 минут - Компоненты изолированного моста USB-UART
Рисунок 1. Компоненты изолированного моста USB-UART.

Сборка изолятора

Установка микросхемы в корпусе SOIC-8 на плату BOB
Рисунок 2. Установка микросхемы
в корпусе SOIC-8 на
плату BOB.

Для начала припаяйте изолятор к плате для установки корпуса SOIC (Рисунок 2). Затем запаяйте штыревые контакты, как указано на Рисунке 3.

Установка штыревого разъема
Рисунок 3. Установка штыревого разъема.

Для платы моста USB-UART требуется 4-контактный штыревой разъем, через который будут выведены сигналы Gnd, Tx, Rx и VCC.

Изолированный мост USB-UART в сборе
Рисунок 4. Изолированный мост USB-UART в сборе.

Теперь плату с микросхемой изолятора можно припаять непосредственно к плате моста USB-UART (Рисунок 4). Вывод 1 микросхемы SI8421BB-D-IS должен получать питание 3.3 В от микросхемы FT232R, установленной на плате преобразователя. На этом сборка изолированного моста USB-UART заканчивается!

Испытания преобразователя

Плата преобразователя USB-UART питается напряжением 5 В через подключенный к хосту кабель USB. Установленная на плате микросхема FT232R вырабатывает напряжение 3.3 В, используемое для питания первичной стороны изолятора. Вторичная сторона получает питание от исследуемого устройства, которое может равняться либо 3.3 В, либо 5 В. Простейшим способом проверки изолированного преобразователя будет подключение питания и земли к вторичной стороне SI8421BB-D-IS и непосредственное соединение выводов Tx и Rx (Рисунок 5). Очень удобно для установки платы изолятора, что немаркированные контакты корпуса SOIC-8 непосредственно соответствуют шелкографии на плате преобразователя USB-UART, так что контакты Vcc, Tx, Rx и GND на обеих платах оказываются друг против друга.

Проверка преобразователя
Рисунок 5. Проверка преобразователя.

Наконец, пришло время испытаний платы. Запустите свою любимую терминальную программу и откройте виртуальный COM-порт, созданный драйвером FTDI. Чтобы не связывать себя никакими ограничениями, скорость обмена с терминалом я установил равной 921.6 Кбит/с. Ввод в терминал посылает в изолятор данные, которые, вернувшись по замкнутой петле, будут появляться в окне терминальной программы (Рисунок 6). О возникновении проблем будут сигнализировать имеющиеся на плате светодиоды Tx и Rx. При вводе в терминал должны гореть оба светодиода. Если один из них погас, вы поймете, на какой из сторон изолятора следует искать неисправность.

Кольцевой тест изолированного моста USB-UART
Рисунок 6. Кольцевой тест изолированного моста USB-UART.

Последние мысли

Изготовление этой простой изолирующей платы поможет обеспечить минимально необходимую защиту. В качестве следующего шага, повышающего надежность преобразователя, вы может добавить защиту UART от электростатических разрядов.

Материалы по теме

  1. Datasheet Silicon Laboratories Si8421BB-D-IS
  2. Datasheet Analog Devices ADuM3211
  3. Datasheet FTDI Chip FT232R

EDN

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Isolated USB-to-UART Converter Builds in 20 Minutes for $20

5 предложений от 5 поставщиков
USB UART IC - Single chip USB to asynchronous serial data transfer interface
MIKROE-483, USB UART Board, Плата преобразователя интерфейса USB UART на базе FT232R
mikroElektronika
697 ₽
AliExpress
Весь мир
USB UART TTL FT232R для Intel Galileo Gen2 отладочный кабель TTL-232R-3V3 эквивалентный кабель
852 ₽
Acme Chip
Весь мир
FT232R
по запросу
МосЧип
Россия
FT232R
FTDI
по запросу
Электронные компоненты. Бесплатная доставка по России
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя