USB و هر آنچه باید در مورد این فناوری بدانید

در ابتدا یواس‌بی به این منظور طراحی شد که بتوانیم بسیاری از لوازم جانبی را با استفاده از یک رابط استاندارد به رایانه متصل کنیم. همچنین یواس‌بی با ایجاد امکان «hot swapping» اجازه اتصال یا جدا کردن لوازم جانبی بدون نیاز به ری‌استارت کردن رایانه یا خاموش کردن هر دستگاه دیگر را فراهم کرده که باعث بهبود شیوه اتصال دستگاه‌های الکترونیکی به همدیگر شده است. ویژگی‌های دیگری که یواس‌بی دارد این است که برق مورد نیاز وسایل کم‌مصرف را بدون نیاز به یک منبع تغذیه جداگانه تأمین می‌کند و همچنین امکان استفاده از بسیاری از لوازم الکترونیکی را بدون نیاز به نصب درایورهای خاص جداگانه برای هر دستگاه فراهم کرده است.

تاریخچه یواس‌بی

یواس‌بی به سرعت جایگزین رابط‌های قدیمی سریال و موازی برای اتصال دستگاه‌ها شد و سال‌هاست که اغلب رایانه‌ها تنها از اتصال یواس‌بی پشتیبانی می‌کنند.

با استفاده از رابط یواس‌بی می‌توان لوازم زیادی مانند ماوس، کیبورد، PDA، گیم‌پد و جوی استیک، اسکنر، دوربین دیجیتال، پرینتر، مدیاپلیر شخصی و حافظه‌های فلش را به رایانه وصل کرد. در مورد بسیاری از انواع این وسایل، یواس‌بی به یک رابط اتصال استاندارد تبدیل شده است. این رابط در ابتدا برای رایانه‌های شخصی طراحی شده بود؛ اما در دستگاه‌های دیگر مانند PDA ها و کنسول‌های بازی نیز رایج گشته است و به عنوان رابط تغذیه دستگاه‌ها برای اتصال وسایل الکترونیکی و آداپتور برق شهری برای شارژ آن وسیله نیز استفاده می‌شود.

مشخصات یواس‌بی

مشخصات یواس‌بی که اختصار عبارت «Universal Serial Bus» (گذرگاه سریال جهانی) است شامل لایه‌های مکانیکی، الکتریکی و پروتکلی این رابط است. طراحی یواس‌بی به وسیله انجمن پیاده‌سازی یواس‌بی (USB-IF) استاندارد شده است. این انجمن هیئتی متشکل از شرکت‌های پیشرو در صنایع رایانه و الکترونیک است.

فیلم آموزش آشنایی با سخت افزار کامپیوتر و مونتاژ و اسمبل کیس + گواهینامه در فرادرس

کلیک کنید

برای یواس‌بی دو نوع سخت‌افزار تعریف شده است. هاب‌های یواس‌بی و یواس‌بی‌های کاربردی. هاب یواس‌بی امکان اتصال به گذرگاه‌های یواس‌بی را ایجاد می‌کند؛ در حالی که یواس‌بی‌های کاربردی، دستگاه‌هایی هستند که هر کدام کارکرد خاصی را اجرا می‌کنند. هر سیستمی می‌تواند یک میزبان داشته باشد که به یک هاب یواس‌بی وصل می‌شود. این هاب یواس‌بی می‌تواند به هاب یا یواس‌بی‌های کاربردی دیگر متصل شود. دستگاه‌ها در یک توپولوژی ستاره‌ای حلقوی آرایش یافته‌اند. قطعه‌های سیم فیزیکی بین یک میزبان، هاب یا وسیله الکترونیکی به صورت نقطه به نقطه اتصال یافته‌اند. گذار هر لایه از یک هاب به هاب دیگر به عنوان یک حلقه در نظر گرفته می‌شود.

تا حداکثر 127 دستگاه را می‌توان به همدیگر متصل نمود. عامل محدود کننده این عدد آن است که بر اساس مشخصات، یواس‌بی تنها می‌تواند از آدرس‌های 7 بیتی استفاده کند. رابط یواس‌بی طوری طراحی شده است که تا دمای 20- درجه سلسیوس نیز فعالیت کند.

گذرگاه یواس‌بی یک گذرگاه کابل با رابط سریال دو طرفه است. داده‌های NRZI تفاضلی به صورت همزمان یا غیرمتقارن بین وسایل مبادله می‌شوند. داده‌ها در سه سرعت متفاوت بر روی کابلی با طول بیشینه 5 متر بر روی 4 سیم انتقال می‌یابند که 2 مورد از سیم‌ها به صورت جفت به هم تابیده متوازن، داده‌ها را انتقال می‌دهند.

نرخ انتقال داده

نرخ انتقال داده در یواس‌بی می‌تواند از 10 کیلوبیت بر ثانیه تا 400 مگابیت بر ثانیه در یکی از سه حالت سرعت تعریف شده است. در حالت سرعت پایین یعنی 10 تا 100 کیلوبیت بر ثانیه، دستگاه‌هایی مانند کیبورد و ماوس مورد استفاده قرار می‌گیرند. حالت سرعت کامل از سوی بسیاری از دستگاه‌ها استفاده می‌شود و امکان جابجایی داده با نرخ 500 کیلوبیت تا 10 مگابیت بر ثانیه را ایجاد می‌کند. در حالت سرعت بالا که در یواس‌بی نسل 2 وجود دارد جابجایی داده‌ها با سرعتی تا 480 مگابیت بر ثانیه و محدوده سرعت بین 25 تا 400 مگابیت بر ثانیه ممکن است.

انتقال داده در حالت سرعت بالا نیازمند افزودن یک مقاومت پایانی 45 اُهمی بین هر خط داده و اتصال زمین است. استفاده از یواس‌بی در حالت سرعت کامل به اختلاف پتانسیل 2.8 تا 0.3 ولت نیاز دارد. استفاده از آن در حالت سرعت بالا با اختلاف پتانسیل 400 میلی ولت +/-10% تا 0 ولت +/- 10mV صورت می‌گیرد. امپدانس کابل برای هر دو حالت، 90 اهم +/- 15% (تفاضلی) است.

برای اتصال داده در رابط یواس‌بی از چهار پروتکل بسته داده‌ها استفاده می‌شود که شامل پروتکل کنترل، وقفه، همزمان و Bulk است. در هر تبادل سه بسته انتقال می‌یابد. یک بسته توکن که آدرس را در خود جای داده است، یک بسته داده که داده‌ها را در خود حمل می‌کند و یک بسته handshake که مبادله را خاتمه می‌بخشد.

NRZI در سیگنال تغییری ایجاد می‌کند که نشان دهنده صفر منطقی است و عدم ایجاد تغییر به معنی 1 منطقی است. اما NRZI از برخی تدابیر برای توقف ماندن سیگنال در شرایط آماده به کار استفاده می‌کند. اگر بیش از 6 عدد 1 منطقی مبادله شوند (تغییری در سیگنال پدید نیاید) یک صفر منطقی درج می‌شود تا یک گذار ایجاد شود. NRZI با استفاده از این تدبیر بیتی، به حالت Self-clock عمل می‌کند و به گیرنده امکان همگام‌سازی با فرستنده را می‌دهد.

یواس‌بی نسل 3 (Super-Speed USB) نرخ انتقال داده را تا 4.8 گیگابیت بر ثانیه یا 600 مگابایت بر ثانیه افزایش داده است. پورت‌های یواس‌بی 3 و کابل‌های آن‌طوری طراحی شده‌اند که امکان تطبیق‌پذیری با نسل‌های پیشین و همچنین سازگاری با نسل آینده کابل‌های نوری را داشته باشند. کانکتورهای یواس‌بی 3 دارای همان پین‌های شبیه یواس‌بی‌های قدیمی نسل 2 هستند به جز این که مجموعه جدیدی از پین‌ها برای اتصال یواس‌بی به آن‌ها اضافه شده است.

کابل یواس‌بی

کابل یواس‌بی چهار کانکتور دارد که دو تا از آن‌ها برای توان و دو مورد نیز برای انتقال داده مورد استفاده قرار می‌گیرند. سیم‌های انتقال داده در اندازه 28 AWG (استاندارد کابل امریکا) و سیم‌های انتقال توان 20 تا 28 AWG هستند. سیم‌های انتقال توان جدا از هم هستند و سیم‌های انتقال داده به هم تابانده شده‌اند. کابل‌های طولانی‌تر از سیم‌های 20 AWG برای انتقال توان استفاده می‌کنند.

فیلم آموزش آشنایی با سخت افزار موبایل و تبلت و عیب یابی آن ها در فرادرس

کلیک کنید

کابل‌های استاندارد در یک سر خود اتصال A و در سر دیگر اتصال B دارند. بیشینه طول کابل 5 متر است؛ اما می‌توان با استفاده از هاب و اکستنشن‌های تکرارکننده طول آن‌ها را افزایش داد.

کانکتورهای یواس‌بی

دو کانکتور استاندارد برای یواس‌بی وجود دارد، کانکتور نوع A و نوع B. یک نوع سوم «مینی B» نیز وجود دارد که برای دستگاه‌های کوچکی مانند دوربین‌های دیجیتال و پخش‌کننده‌های ام‌پی‌تری استفاده می‌شود. کانکتورهای A و B چهار کانکتور نوع مینی B پنج کانتکت دارد.

با این که کل سیستم یواس‌بی از چهار سیم استفاده می‌کند؛ اما کانکتورهای زیادی از نوع مینی B نیز وجود دارند که تا 16 کانتکت دارند که وظایف اختصاصی دارند و غالباً از سوی تولیدکننده‌های دوربین دیجیتال مانند نیکون، المپیوس و ... استفاده می‌شوند.

پین‌های خروجی استاندارد یواس‌بی

[table id=5 /]

پین‌های خروجی کانکتور مینی/ میکرو یواس‌بی

[table id=6 /]

چگونه توان خروجی یک یواس‌بی را اندازه‌گیری کنیم؟

با توجه به این که دستگاه‌های زیادی توان خود را به وسیله کابل یواس‌بی تأمین می‌کنند، اطلاع از این که یک پورت یواس‌بی مانند پورت لپ‌تاپ چه میزان توانی ارائه می‌کند، حائز اهمیت است. اگر یک دستگاه بخواهد توانی بیش از آنچه پورت یواس‌بی ارائه می‌کند، از آن بکشد این احتمال وجود دارد که پورت از کار بیفتد و یا حتی منجر به آتش‌سوزی شود.

همه پورت‌های یواس‌بی مانند هم نیستند. اغلب رایانه‌ها یا لپ‌تاپ‌ها آمیزه‌ای از پورت‌های نسل 2 و 3 دارند که هر کدام خروجی‌های متفاوتی دارند. اطلاع از توان خروجی هر پورت همچنین می‌تواند کمک کند که هر نوع اشکالی در مورد پورت را بدانیم. برای مثال اگر یک پورت نتواند وسایل مختلف را به طور سریع شارژ کند، این احتمال وجود دارد که ارائه توان پورت به‌اندازه‌ای که باید باشد، نیست. خوشبختانه اندازه‌گیری توان خروجی پورت یواس‌بی کار آسانی است.

برنامه USBDeview

برای اندازه‌گیری خروجی توان یک پورت یواس‌بی بر روی ویندوز می‌توانید برنامه رایگان USBDeview را دانلود کنید. این برنامه پرتابل است و نیازی به نصب ندارد.

زمانی که برای نخستین بار این برنامه را باز می‌کنید، فهرست کاملی از همه دستگاه‌های یواس‌بی که تا کنون استفاده کرده‌اید را می‌بینید. همچنین همه پورت‌های یواس‌بی دستگاه در فهرستی ارائه می‌شوند. پورت‌هایی که در حال حاضر در حال استفاده هستند با استفاده از یک چک‌باکس سبز رنگ مشخص شده‌اند.

برای مشاهده جزییات یک پورت یواس‌بی، بر روی نام آن دو بار کلیک کنید. در این بخش می‌توانید همه اطلاعات در مورد پورت از جمله زمان آخرین استفاده، زمانی که می‌توان به طور امن دستگاهی را از آن جدا کرد و اطلاعات زیاد دیگری را مشاهده کنید. در فیلد Power میزان توان خروجی پورت به صورت میلی‌آمپر قابل مشاهده است.

امیدواریم از مطالعه این نوشته در مورد پورت‌های یواس‌بی و مشخصات آن‌ها لذت برده باشید. هر گونه دیدگاه یا پیشنهاد خود را در بخش نظرات با ما و دیگر خوانندگان وبلاگ فرادرس در میان بگذارید. اگر این نوشته مورد توجه شما واقع شده است، آموزش‌های زیر نیز احتمالاً برای شما مفید خواهند بود:

• آموزش مبانی ​الکترونیک – مفاهیم تئوریک به همراه شبیه سازی عملی و کاربردی
• الکترونیک دیجیتال و میکروکنترلرها
• گنجینه فرادرس های آموزش الکترونیک دیجیتال و سیستم های برنامه پذیر
• آموزش الکترونیک صنعتی و مبدل ها
• مجموعه آموزش های مهندسی برق

==