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探尋兼容性這一城市傳說的真面目

嘗試拆解USB集線器

如果使用電腦等控制電子測量儀器或電源裝置,需要設備之間通信。在民用產品中,無線(Wi-Fi,Bluetooth等)占據一定優勢;但在測量儀器,電源等工業用途中,則要求具有穩定性和可靠性,因此很多情況下會使用有線。

在工業用途中,典型的有線通信方式有GPIB,RS232C,USB,LAN等。過去,測量儀器通信的主流是“GPIB(General Purpose Interface Bus)”,而最近使用較多的則是USB,LAN。與LAN相比,USB可以更加輕松(如果不熟悉LAN通信的話,確實還是有些困難的…)地使用電腦完成案頭實驗,構建簡易測量系統,使用更加方便。

本篇文章想和大家談一下在此情況下可能會使用的“USB集線器”。

USB集線器不穩定?

我不知道大家是否遇到過這樣的問題?例如,外置硬盤直接連接電腦時沒有問題,而通過USB集線器連接時,就會出現時而識別,時而不識別,時而發生異常的情況?

據說,電子儀器也存在“兼容性”等問題。但“如果不實際使用就不清楚是否兼容”的話,是非常不方便的。如果可能,我想知道其中緣由(原因構成)。因此,雖然不算是模仿前輩大塚賢一先生的文章《分解的建議》,但我決定嘗試拆解USB集線器。

查看USB集線器內部

在市場上銷售的民用產品中,有可以連接4臺以上設備的多端口型USB集線器(10端口等)。因此,我購買了普通消費者用10端口USB集線器和工業用USB集線器,對其進行拆解,比較其中差異。

圖1 民用10端口USB集線器內部
圖2 工業用USB集線器內部

民用10端口USB集線器(圖1)配備了三個USB控制器。它并非使用一個芯片控制10個端口,而是通過三個USB控制器芯片進行控制。市面上流通的USB控制器芯片,許多是一個芯片最多控制4個端口的產品。

該產品通過一個USB控制器芯片進行級聯(多級連接),連接到另外兩個USB控制器芯片(圖3)。因此,在10端口USB集線器中,通過級聯實現10個端口。

圖3 民用10端口USB集線器的結構圖(示例)

與之相比,工業用USB集線器沒有采用級聯,而是使用一個芯片實現多個端口的USB控制。那么,為何工業用USB集線器內部不是級聯方式呢?可以想象,USB控制器芯片由于支持端口數不同,成本也會有所差異(支持多端口的控制器芯片價格會更高)。在當今社會,即使是工業用,成本要求也越來越嚴苛。使用多端口時,利用廉價的芯片可能更有優勢。為什么工業用還要使用價格昂貴的芯片呢?

兼容性的本來面目

USB通信標準中規定,集線器上最多可連接127臺設備。另外,主機和設備之間最多可以使用5臺集線器。

根據我的經驗,將主機(電腦等),集線器和USB設備組合使用時,即使滿足上述條件,通信也可能不穩定。其原因之一可能就是這種民用多端口集線器。也就是說,從物理角度來講,即使USB集線器的臺數為5臺,但其內部采用了級聯結構,因此實際構成數量已經超出標準(5臺以上)。

如果不了解這種民用多端口集線器結構,當發生異常時,馬上歸結于“好像兼容性不好”這種毫無根據的原因,從而尋找其他產品的情況不在少數。然而可以想象的結果是,通過使用偶然發現的集線器(未采用內部級聯的產品),問題竟莫名其妙地解決了。

民用和工業用的區別

民用和工業用的區別在于對上述不確定現象的思路(可靠性)不同。簡而言之,就是“成本與可靠性”。在成本與可靠性之間存在權衡關系。民用重視成本,工業用則重視可靠性。因此,即使從外觀上看是具有相同功能的產品,但民用和工業用的實際情況卻有區別。

一般來說,工業用途通常被認為價格昂貴。而價格昂貴的原因之一便是“為了確保穩定性甘心承受高成本”的思想(當然也因生產數量少,難以達到民用品的量產效果…)。

如上所述,我們再把主題回到USB上,如果追求通信穩定性,那么主機和USB設備(不使用集線器)進行一對一連接也許是最好的。如果使用USB集線器,我們建議仔細挑選,選擇內部沒有級聯的產品(工業用)。

有一句諺語叫做“疑心生暗鬼”。電子儀器中“毫無根據地誤認為‘兼容性’出了問題”就是暗鬼。作為工程師來說,不應受到這種城市傳說的影響,需要充分調查原因,查清它的真面目。

TEXT BY
市川 正紀
解決方案開發部 解決方案開發課 主任

[主要產品開發業績]
系統聯動試驗系統
符合R10.05標準的快速充電系統
EVPS模擬器
EV模擬器

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