FE1.1, FE2.1 или что нам стоит USB HUB построить
Лирическое отступление 
Однажды возникла у меня на работе задача встроить USB HUB в уже имеющееся устройство. Первая мысль была — заказать некоторое кол-во готовых хабов у наших китайских друзей, и лишив их корпуса, впихнуть в корпус собственно конечного устройства. Но этот вариант был отметён по причине абсолютного отсутствия места, да и как то всё таки кривое решение. Тогда было решено встроить USB HUB в уже имеющеюся печатную плату. Благо места на плате для этих действий было достаточно.
Порыскав на предмет того, на основе какой микрухи можно построить USB 2.0 High Speed USB HUB, наткнулся на очень вкусные по цене микрухи FE1.1 и FE2.1, отлчие у которых только в количестве портов хаба — 4 и 7 соответственно.
Отмазки
В приведённых примерах не будет реализована защита от перегрузки по току USB порта, хотя микруха это тоже умеет. Мне это было не надо. Если вам будет интересно, то в даташите схемы даны. Всё будет рассмотрено на примере микросхемы FE1.1 (не путать с FE1.1S, хотя там тоже всё просто. FE1.1S является самой урезанной по всем параметрам в этой линейке), FE2.1 отличается только кол-вом портов.
Ну к сути.
Суть
Микросхема FE1.1 представляет из себя однокристальный USB HUB, которому для работы надо минимум деталей. А именно кварц на 12МГц, пару конденсаторов и несколько резисторов.
Возможности
- USB 2.0 High Speed, а именно до 480Мбит в обе стороны.
- Возможность контроля потребления USB девайсов. В зависимости от микрухи, контролирует либо каждый девайс отдельно, либо группами.
- Встроенные стабилизаторы 1,8в и 3,3в. И ещё много чего, в даташите сами сможете почитать.
Одна из приятностей данной микросхемы — цена. У наших китайских друзей на АлиЭкспрессе цена на неё начинается от 20р за шт.
Распиновка
FE1.1 выпускается в корпусах LQFP48 и QFN48, отличие в распиновке не наблюдаются. 
Строим HUB
И так, заказав данные микросхемы я по быстрому набросал схему хаба, вот такую: 
Как видно, микруха сама в себе, вот только между собой много ног надо соединить.
Очень важно обратить внимание на такие вещи:
- Подтяжка ножки XRSTJ. В даташите нет требования подтянуть эту ногу, но по факту без подтяжки хаб легко сбрасывается дуновением электромагнитных ветров.
- Подтяжка ножек OVCB (на некоторых микрухах этой серии называются OVCJ). Это ноги, ответственные за сигнализацию потребления девайсом слишком большого тока. Если их оставить в воздухе, то периодически HUB будет писать, что питание девайса плохое, и вам придётся хаб «передёргивать». Ноги эти можно подтянуть как по отдельности резюками 10к-100к, так и все одним резюком 10к-100к. Я лично делал и так и так, разницы в работе не заметил.
- Номинал резистора подтяжки ножки REXT. Он должен быть именно 2,7k, и никак иначе. С другими номиналами хаб работать отказывается.
Опыт использования
На самом деле, хаб выполненный по данной схеме работает без каких либо нареканий. На некоторых форумах я встречал описания проблем при применении хабов на данных микрухах, такие как периодический сброс хаба, и сигналы о перегрузке, но как описано выше, причину их мне вроде бы удалось найти. Девайс с хабом построенным по схеме приведённой выше работает уже больше года без нареканий.
Ещё отмазки
На самом деле как мне кажется, мало кому из электронщиков часто надо самостоятельно изготовить USB HUB. Но если задача возникла такая, вот решение дешёвое и сердитое:)
Даташит на FE1.1, FE2.1 и схематика для FE1.1 в прикрепленном архиве.
Источник
Лёгкий способ сделать крохотный USB-хаб для Raspberry Pi
Перевод статьи с сайта самодельщика Retrocution
Бывало у вас такое, что вам не хватает USB-портов при создании проекта на Raspberry Pi Zero? Притом внешние USB-хабы или HATS не подходили из-за ограничений по размеру? Если да, или если вы просто ищете себе интересный проект с пайкой деталей, в результате которого получится нечто полезное, то этот проект – для вас!
Я постоянно пытаюсь впихнуть Raspberry Pi в какие-нибудь предметы для моих проектов, и несколько из них используют Pi Zero, совершенно не имея свободного места для USB Hub/HAT. Я поискал и нашёл несколько сайтов, продающих крохотные платы с USB-хабами, однако стоимость у них довольно высокая. Поэтому я решил сделать собственную платку, которую достаточно просто собрать из всего лишь 6 дешёвых компонентов. У неё есть версия размером с ноготь на 2 порта и немногим более крупная версия на 4 порта. Я дал общий доступ к проектам плат на OSH Park и вы можете заказать их оттуда:
Конечно, платы, возможно, будут совершенствоваться и дальше, в основном на основе отзывов читателей. Пока что они работают нормально, но не стоит заказывать их сразу по 100 штук.
OSH Park продаёт платы по 3 штуки с бесплатной доставкой [даже международной]. 3 платы на 2 порта обойдутся вам в $2,95, а 3 платы на 4 порта – в $3,55. Довольно дёшево! После заказа платы магазин предложит вам заказать и трафарет (об этом позже).
Обратная сторона платы на 4 порта
Материалы для изготовления
FE1.1s SSOP-28 IC, 1 шт (их придётся заказывать у китайцев, чтобы было подешевле – с eBay или AliExpress; я купил 50 штук примерно за $20)/
Керамический конденсатор 0603 10 мкФ, 3 шт (то же самое — eBay или AliExpress)
Резистор 0603 2.7кОм (аналогично)
Осциллятор на 12 МГц, 1 шт (с ногами; в Китае можно купить 100 шт за $5)
Лучшим местом для таких покупок является Китай. Придётся подождать 2-3 недели, однако в итоге будет дешевле, чем у любого продавца в США [то же обычно верно и для России / прим. перев.]. Я всегда покупаю большие количества компонентов, чтобы хватало надолго.
Сборка платы
На фотографиях показана старая версия платы, но процесс сборки новой ничем не отличается.
Сначала нужно припаять FE1.1. Это может оказаться сложным, поскольку шаг (расстояние между ног) равен всего 0,64 мм. Я уже паял их вручную, однако достаточно просто соединить контакты вместе. Иногда можно провести паяльником, чтобы разделить контакты (не забудьте добавить флюс!), но если так этого сделать не получится, попробуйте использовать косичку для удаления припоя.
У меня отлично получилась пайка при помощи паяльного фена, и теперь я всегда использую этот метод. Для такого метода можно заказать у OSH Stencils трафарет после заказа платы. Трафареты помогут нанести паяльную пасту на небольшие площадки платы.
При помощи трафарета у меня получается очень чисто поставить чип. У моего трафарета есть вырезы только для чипа, потому что я заказал его перед окончательной переделкой платы, но если вы закажете трафареты совместно с платами, у них будут вырезы для конденсаторов и резисторов.
Я использую такой паяльный фен. Он очень дешёвый (Amazon, Ali), у него есть много версий, однако все они, кажется, сделаны на разных фабриках по одному шаблону. Если вы не очень часто паяете компоненты с поверхностным размещением, то этот фен вам послужит. Для такой пайки крайне рекомендую прикупить силиконовый мат, чтобы не сжечь стол.
Затем я обычно ставлю три конденсатора на 10 мкФ. Поскольку у моего шаблона нет вырезов под них, я просто паяю их вручную. Добавляю флюса, и держу конденсатор пинцетом, припаивая каждую сторону по очереди. Обязательно держите его пинцетом, иначе он прилипнет к паяльнику.
Припаяв конденсаторы, я тем же методом паяю резистор на 2,7 кОм.
После установки планарных компонентов я ставлю осциллятор на 12 МГц.
Когда все компоненты установлены на места, и флюс очищен, вы получаете крутейший крохотный USB-хаб! Кстати, цвет покрытия плат на фото называется After Dark – это один из вариантов, предлагаемых OSH Park. Стандартным у них является фиолетовый, но мне очень нравится, как выглядят эти чёрно-медные платы, и к тому же, за цвет не берут дополнительных денег!
Если вы выбрали платы на 4 порта, их сборка будет абсолютно такой же.
Ниже привожу несколько справочных изображений со схемой подсоединения к Raspberry Pi Zero и USB-портам.
Источник
Как выбрать или изготовить USB-хаб
Сегодня для подключения периферийных устройств к компьютеру чаще всего используют интерфейс USB. Но рано или поздно пользователь обнаруживает, что все имеющиеся в его компьютере USB-порты заняты мышью, клавиатурой, WEB-камерой и другими устройствами, а вновь приобретённый принтер, TV-тюнер, USB-осциллограф или что-либо ещё подключить некуда. Как же соединить с компьютером 127 устройств, обещанных спецификацией USB?
Чтобы к одному USB-порту компьютера можно было подключить более одного устройства, применяют хабы (англ. hub — ступица колеса, в которую вставлены все его спицы), называемые также концентраторами. Хаб имеет «восходящий» (upstream) USB-порт, соединяемый с компьютером, и несколько «нисходящих» (downstream) USB-портов, к которым присоединяют периферийные устройства. Спецификация USB допускает последовательное соединение до пяти хабов.
В магазинах, торгующих компьютерной периферией, ассортимент USB-хабов довольно велик — на любой вкус, цвет и кошелёк. Казалось бы, выбирай любой, наиболее симпатичного дизайна с нужным числом портов и за минимальную цену. Ведь неискушённый пользователь часто представляет себе хаб чем-то вроде устройства для подключения двух телевизоров к одной антенне — внутри пара резисторов либо миниатюрный трансформатор.
Однако в данном случае всё гораздо сложнее. В этом я убедился, когда приобрёл два USB-хаба, один — для цифрового интерфейса к трансиверу, второй — для подключения внешнего жёсткого диска к стационарному ПК. Первый хаб на четыре порта с логотипом «DNS» был приобретён в обычном магазине, второй — неизвестного производителя на семь портов — был заказан в зарубежном интернет-магазине.
Эксперименты в лабораторных условиях показали, что оба хаба без проблем работают с мышью, клавиатурой, адаптером USB-COM и звуковой картой, оснащённой интерфейсом USB. Однако с внешним жёстким диском и FLASH-накопителем работает только хаб DNS. При подключении таких устройств через безымянный хаб компьютер выдаёт сообщение «USB-устройство не определено».
Дополнительные эксперименты с цифровым интерфейсом трансивера показали, что хаб DNS и здесь работает без проблем, а вот использование безымянного хаба приводит к «зависанию» компьютера при каждом включении передатчика. При непосредственном без хаба подключении адаптера USB-COM и внешней звуковой карты к компьютеру всё работало без проблем.
Такая ситуация меня заинтересовала. Я решил выяснить, чем же различаются эти два хаба. Почему один полностью выполняет свои функции, а второй, в принципе, работает, но не всегда и не со всеми устройствами?
Каково же было моё удивление, когда после вскрытия корпусов выяснилось, что оба хаба собраны на одной и той же элементной базе и по абсолютно одинаковым схемам! Только в семипортовом установлены две одинаковые микросхемы-контроллера USB-хаба последовательно: к одному из четырёх нисходящих портов первого контроллера подключён восходящий порт второго аналогичного контроллера. Отключение второго контроллера путём перерезания печатных проводников ситуацию не изменило. Чтобы понять причину, пришлось знакомиться с основами устройства и работы шины USB.
Первая спецификация USB 1.0 была опубликована в начале 1996 г., а осенью 1998 г. появилась спецификация 1.1, устранившая проблемы, обнаруженные в первой редакции. Спецификация USB 1.1 определяет два режима передачи информации: низкоскоростной (LS — low-speed), работающий со скоростью до 1,5 Мбит/с и полноскоростной (FS — Full-speed) с предельной скоростью 12 Мбит/с.
Весной 2000 г. была опубликована спецификация USB 2.0, предусматривающая 40-кратное повышение пропускной способности шины. В дополнение к двум ранее имевшимся скоростным режимам введён третий — высокоскоростной HS (High-speed), способный работать со скоростью до 480 Мбит/с.
В 2008 г. появился новый стандарт — USB 3.0 (Super Speed), coгласно которому скорость передачи доведена до 5 Гбит/с. Однако, чтобы достичь такой скорости, пришлось серьёзно изменить конструкцию разъёмов и кабелей, при этом полной совместимости с предыдущими версиями достичь не удалось. Этот интерфейс целесообразно использовать для связи с высокоскоростными жёсткими дисками, если требуется частая пересылка файлов большого объёма. Но за ним, несомненно, будущее.
С логотипом «USB 2.0» связан один тонкий момент. Хотя предельная пропускная способность этого интерфейса 480 Мбит/с, в спецификации заложена и возможность его работы в режимах LS и FS. Таким образом, пропускную способность 480 Мбит/с могут обеспечить только устройства, способные работать в режиме HS.
Разработчики USB рекомендуют использовать логотип «USB 2.0» только для HS-устройств, но на рынке свои законы и многие производители используют этот логотип и для FS-устройств, удовлетворяющих, по сути, лишь спецификации USB 1.1. Другими словами, надпись на упаковке «USB 2.0» ещё ни о чём не говорит. Устройства, полностью удовлетворяющие этой спецификации, должны иметь маркировку «USB 2.0 HI-SPEED» и явное указание на возможность работы со скоростью 480 Мбит/с.
Сигнал, передаваемый по линии связи со скоростью 480 Мбит/с, представляет собой прямоугольные импульсы, следующие с частотой до 480 МГц. Любому мало-мальски сведущему в радиотехнике человеку понятно, что для неискажённой передачи прямоугольных импульсов такой частоты необходимо при разработке печатной платы жёстко соблюдать требования к волновому сопротивлению линий передачи между микросхемами и разъёмами и его постоянству по всей длине линии.
Волновое сопротивление двухпроводной дифференциальной сигнальной линии на плате должно быть 90 Ом ± 10%. Линия должна быть симметричной, а расстояние между ней и другими печатными проводниками на плате — не менее пятикратного расстояния между проводниками линии. Под ними с обратной стороны платы на всём протяжении должен быть сплошной слой фольги — экран (общий провод). Участки линии, на которых эти требования не выполняются (например, подходы к выводам микросхем или к контактам разъёмов), должны быть минимальной длины.
Типичные ошибки при трассировке таких линий связи показаны на рис. 1, где 1 — разрыв экрана под линией; 2 — отвод от проводника линии; 3 — непа-раллельность проводников и изменение зазора между ними; 4 — посторонний проводник рядом с линией.
Ну и, конечно, нужно соблюдать обычные требования к монтажу высокочастотных цепей. Все проводники должны быть минимальной длины, а блокировочные конденсаторы располагаться как можно ближе к соответствующим выводам микросхем.
При взгляде на фотографии печатных плат покупных хабов видно, что в хабе DNS (рис. 2) эти требования более-менее соблюдены. Разработчики же безымянного хаба (рис. 3) применили в нём одностороннюю печатную плату, поэтому волновое сопротивление линий связи сильно отличается от стандартных 90 Ом и наблюдается высокая чувствительность к электромагнитным помехам.
В обоих хабах использованы одинаковые микросхемы-контроллеры USB-хаба FE1.1s. Сайт их производителя http:// www.jfd-ic.com/ доступен, к сожалению, только на китайском языке. Возможная схема включения этой микросхемы показана на рис. 4. Она отличается от типовой отсутствием светодиодных индикаторов активных портов и дополнительной микросхемы энергонезависимой памяти. Подробнее с характеристиками и особенностями микросхемы FE1.1s можно ознакомиться в [1] (на английском языке).
Чтобы проверить предположение, что плохая работа хаба вызвана игнорированием требований спецификации USB к топологии печатной платы, я разработал свой вариант платы. Чертёж печатных проводников на её условно верхней стороне изображён на рис. 5. Фольга на нижней стороне сохранена полностью, за исключением зенковки отверстий для выводов деталей, не соединяющихся с общим проводом. Расположение деталей на обеих сторонах платы — на рис. 6. В переходные отверстия (они показаны залитыми) вставлены отрезки лужёного провода, пропаянные с обеих сторон платы.
Геометрические размеры сигнальных линий для получения требуемого волнового сопротивления рассчитаны с помощью программы TX-LINE [2]. Она бесплатна и доступна для скачивания после регистрации на сайте. Программа не требует инсталляции, работа с ней интуитивно понятна.
Запустив программу и перейдя на вкладку связанных микрополосковых линий (coupled MS line), следует выбрать материал проводников линии — медь (copper), ввести диэлектрическую проницаемость (dielectric constant) стеклотекстолита, равную 5,5, и размеры линии. При толщине стеклотекстолита 1 мм, ширине печатных проводников 0,7 мм, расстоянии между ними 0,5 мм и толщине фольги 0,02 мм получаем на частоте 500 МГц волновое сопротивление около 93 Ом.
Все предназначенные для поверхностного монтажа пассивные элементы — типоразмера 1206 или 0805. Оксидные конденсаторы C1, C3, С5, кварцевый резонатор ZQ1 и разъём внешнего питания XS5 смонтированы со стороны сплошной фольги, остальные элементы — со стороны печатных проводников.
Если хаб будет использоваться только как пассивный (все подключённые к нему устройства будут получать питание от компьютера), то диод VD1 можно заменить перемычкой. При подключении к хабу устройств, потребляющих более 500 мА, питания от компьютера будет недостаточно. В этом случае перемычку следует удалить и, не устанавливая диод VD1, подключить к разъёму XS5 источник стабилизированного напряжения 5 В необходимой мощности.
Для эксплуатации хаба как в пассивном, так и в активном режиме без перепаек диод с барьером Шотки VD1 в нём должен быть установлен. Он исключит попадание напряжения внешнего блока питания в USB-порт компьютера.
В принципе, для уменьшения толщины платы все детали можно разместить со стороны печатных проводников, но без металлизации отверстий это усложняет монтаж. Если необходимо, можно изменить размеры платы и расположение разъёмов uSb, немного скорректировав рисунок печатных проводников.
Микросхему FE1.1 s я выпаял из своего семипортового хаба, но в Интернете её можно приобрести и отдельно. Это один из немногих контроллеров USB-хаба, выпускаемых в корпусе SSOP-28 с шагом выводов 0,64 мм. Плата под такой корпус вполне может быть изготовлена методом термопереноса рисунка на фольгу.
Испытывая изготовленный хаб, я обнаружил, что влияние электромагнитного излучения полностью исчезло, два из четырёх его портов великолепно работают с FLASH-накопителем и с жёстким диском с интерфейсом USB, но два других — только с мышью.
Пришлось выпаять из семипортового хаба второй контроллер и заменить им первый на самодельной плате. Теперь полноценно заработали три порта из четырёх. Причём перестал работать в режиме HS тот порт, который с первым контроллером функционировал без проблем.
В документации на микросхему FE1.1 s сказано, что все её экземпляры после изготовления проходят выходной контроль. Очевидно, бракованные экземпляры отправляются не в мусор, а к безымянным производителям. Либо контроллер имеет какие-то недокументированные варианты исполнения. Так или иначе, вариант с тремя полноценными портами USB 2.0 меня устроил.
Обращаю внимание, что практически все дешёвые хабы с разъёмом для подключения внешнего блока питания не имеют никакой развязки между цепями внешнего и внутреннего питания. Контакты питания всех разъёмов просто соединены между собой. В результате есть шанс вывести из строя USB-порт компьютера, подав на него напряжение внешнего блока питания, подключённого к хабу.
Если к приобретённому хабу предполагается подключение внешнего блока питания, нужно вскрыть корпус хаба и перерезать проводник, идущий от контакта 1 разъёма восходящего порта (того, который соединяют с компьютером). Для сохранения возможности использования хаба в пассивном режиме в это место можно впаять диод аналогично VD1 на схеме рис. 4. Он должен быть с барьером Шотки (для уменьшения падения напряжения) и с допустимым прямым током не менее 1 А.
Согласно спецификации USB 2.0, соединительный кабель должен быть обязательно экранированным. При покупке кабеля бывает, однако, сложно определить, есть в нём экран или нет. Единственное, что может свидетельствовать о наличии экрана — маркировка «USB 2.0 High Speed» на кабеле. Косвенным признаком служат помехоподавляющие ферритовые «защёлки» на его концах.
Однако ни маркировка, ни защёлки ничего не говорят о качестве экрана. В хорошем кабеле он должен быть из фольги, обёрнутой вокруг жгута проводов, поверх которой надет плетёный медный «чулок». Нередко производители удешевляют производство, используя вместо полноценного экрана несколько омеднённых стальных жил.
Качество экрана можно оценить, измерив сопротивление между металлическими корпусами разъёмов на обоих концах кабеля. Если оно близко к нулю, в кабеле полноценный медный экран. Если сопротивление 3. 4 Ом и более — экран есть, но он из стальных проволок. Такой кабель обычно тоньше, но его использование в условиях электромагнитных помех может приводить к сбоям компьютера. Например, когда рядом с кабелем лежит сотовый телефон или поблизости работает любительский трансивер.
Если сопротивление между корпусами разъёмов бесконечно, значит, кабель не экранирован и для работы в режиме High Speed непригоден. В любом случае корпус разъёма не должен соединяться ни с одним из его контактов. Никакие самостоятельные пайки, сращивание проводов, экранирование или замена разъёмов в кабеле недопустимы.
Самый надёжный критерий выбора — прозрачная внешняя оболочка кабеля, через которую отчётливо просматривается качественная экранирующая оплётка. А если при этом на обоих концах имеются ферритовые защёлки, то такой кабель смело можно отнести к категории PRO.
Подытоживая сказанное, сформулирую основные критерии выбора хаба USB 2.0 для высокоскоростного обмена информацией:
— приобретать хаб лучше в розничном магазине, заранее оговаривая возможность его возврата или обмена на другую модель;
— на упаковку и корпус хаба должны быть нанесены логотип «USB 2.0 High Speed» и явное указание на возможность работы со скоростью 480 Мбит/с;
— сразу после покупки (а по возможности до неё) следует проверить работу всех портов хаба с высокоскоростным устройством, например с FLASH-накопителем USB 2.0;
— если для подключения устройств к хабу или хаба к компьютеру планируется использование соединительных кабелей, предпочтение лучше отдать тем хабам, у которых все разъёмы смонтированы на плате, поскольку торчащие «хвостики» с разъёмами почти наверняка не имеют экранов. В результате один конец экрана кабеля окажется никуда не подключённым, что может привести к сбоям при работе в режиме High Speed;
— если предполагается использовать хаб с внешним блоком питания, будьте готовы к тому, что потребуется доработка хаба, описанная выше;
— никакой защиты от перегрузки в дешёвых хабах нет, чтобы там ни было написано на упаковке. Предполагается, что она имеется в USB-портах компьютера. Полноценный хаб с защитой от перегрузки — это уже совсем другая ценовая категория;
— приобретайте высококачественный экранированный кабель с надписью «High Speed» на нём, по возможности с прозрачной внешней оболочкой.
Если ни одна из продаваемых моделей хабов не устраивает, сделайте его сами, как описано выше.
1. FE1.1s USB 2.0 High Speed 4-Port Hub Controller. — URL: http://www.jfd-ic.com/ Documents/FEI. 1 s%2oData%20Sheet%20 (Rev.%201.0).pdf (13.08.14).
2. TX-LINE: Transmission Line Calculator. — URL: http://www.awrcorp.com/products/ optional-products/tx-line-transmission-line-calculator (13.08.14).
Файл печатной платы в формате Sprint Layout 6.0 имеется здесь
Автор: Н. Хлюпин, г. Киров
Мнения читателей
Автор ты черт гребаный, ни на схеме ни в файле *.lay не стоИт маркировка первой ножки микросхемы, развел оказалась зеркальной, с@%ка предупреждать надо.
Дмитрий / 03.02.2017 — 15:33
Уважаемый автор, правильно ли было рассчитывать волновое сопротивление при помощи вкладки связанных микрополосковых линий (coupled MS line)? Разве по этим двум проводникам распространяются разные не сигналы (прием и передача)? На Ваш взгляд не было бы правильнее рассчитывать во вкладке Microstrip?
Роман / 09.03.2015 — 13:22
Заморочился созданием хаба на сей микрухе. Новые, непаяные, заказал у производителя.Есть баг, пока не прошьешь ИДдевайса и ИД производителя в ЕЕПРОМ — иначе, чем через еще 1 хаб комп не хочет работать. Вот играемся, будем шить еепромину.skypemeffistoffel_romansv8
Вы можете оставить свой комментарий, мнение или вопрос по приведенному выше материалу:
Источник