Tester kabli USB, część 1

Nie ma nic bardziej frustrującego niż przypadkowe, losowe błędy podczas sprawdzania i diagnozowania wadliwego sprzętu. Wyeliminowanie jednej z możliwych przyczyn, w postaci potencjalnie uszkodzonego kabla, będzie miało decydujące znaczenie w procesie wiarygodnej diagnostyki wadliwie działającego urządzenia.

W dzisiejszych czasach wiele urządzeń łączy się ze sobą za pomocą kabli USB i to nie tylko w celu przesyłania danych pomiędzy nimi. Praktycznie wszystkie telefony komórkowe używają dziś portu USB do ładowania, a ze względu na ich popularność i wszechobecność, zaczęto wykorzystywać te same złącza i kable również w urządzeniach, takich jak golarki i szczoteczki do zębów. Dlatego zaprojektowaliśmy tester kabli USB, który może sprawdzić praktycznie wszystkie standardowe kable tego typu. Istnieje całkiem spora szansa, że Czytelnik, podobnie jak nasza Redakcja, posiada sporą kolekcję różnej maści kabli USB, zarówno tych nowszych (takich jak USB typu C) jak również tych starszych (takich jak mini i micro USB). Prawdopodobnie nie ma też pewności, które z nich są jeszcze sprawne, a które nie, albo które i do jakiego zadania się jeszcze nadadzą. Tester kabli USB pozwoli przetestować każdy kabel z wtyczką USB-C lub USB-A (2.0 lub 3.2) na jednym końcu i dowolnymi wtyczkami USB-C lub USB-B (takimi jak 2.0, 3.2, micro lub mini) na drugim końcu. Za pomocą kilku podstawowych adapterów można również przetestować kable OTG („on-the-go”) i kable niestandardowe, np. te z wtyczkami USB-A na obu końcach.

Urządzenie jest kompaktowe i działa w sposób zautomatyzowany. Wystarczy podłączyć kabel do odpowiednich gniazd, a urządzenie natychmiast dokona oceny kabla pod kątem jego sprawności i użyteczności w danym zastosowaniu.

Testowanie

Tester kabli USB wykonuje dwa podstawowe testy. Początkowo poszczególne przewody w każdym kablu są testowane pod kątem ciągłości przy niskim natężeniu prądu. Ten test może wykryć, czy na przykład, dany przewód ma odpowiednie wewnętrzne połączenia danych dla USB 2.0 lub USB 3.2, czy też może dostarczać tylko zasilanie. Może również wykryć wewnętrzne zwarcia, które mogą zakłócać albo uniemożliwiać poprawne działanie. Tester może również wykonać test wysokoprądowy na przewodach VBUS i GND, aby ustalić, jakie jest maksymalne natężenie prądu płynącego kablem bez nadmiernego spadku napięcia. Sprawdzenie kabla pod kątem wydajności prądowej jest prawdopodobnie najbardziej użytecznym testem, ponieważ pozwala wykryć najbardziej subtelne i sporadyczne usterki. Są to usterki, w których urządzenie wydaje się działać normalnie, ale zawodzi, gdy potrzebny jest zwiększony pobór prądu. Urządzenie resetuje się z powodu zaniku lub spadku napięcia, ale za chwilę może wznowić poprawne działanie. Na taki problem szczególnie podatne są m.in. przenośne dyski twarde, które często wymagają znacznego natężenia prądu. Żaden z tych testów nie ocenia szybkiej transmisji danych przez kabel; do tego potrzebny jest znacznie bardziej specjalistyczny sprzęt. Mimo to, testy te są wykonywane bardzo szybko i z powodzeniem mogą być stosowane do wstępnej oceny kabla. W Redakcji uznaliśmy, że wraz z rozwojem ruchu Right To Repair tester kabli USB stanie się urządzeniem niezbędnym i podstawowym w miejscach takich jak Repair Cafés (serwisy przywracające do życia stare urządzenia kierowane do utylizacji, pierwsze takie punkty pojawiają się już w Polsce). Strach pomyśleć, ile dobrych urządzeń zostało wyrzuconych z powodu wadliwego kabla USB. 

Podstawy

Zanim zagłębimy się w temat, warto zapoznać się z kilkoma ostatnio opublikowanymi przez nas artykułami. Artykuł z czerwca 2021 r. na temat historii USB (siliconchip.com.au/Article/14883, przedruk w poprzednim numerze EdW) opisuje złącza i okablowanie, z którymi musi współpracować tester kabli USB. Jeśli Czytelnik zainteresowany jest naprawą kabli USB lektura tego tekstu byłaby bardzo wskazana. Wydania z lipca i sierpnia 2021 r. zawierały również artykuły na temat działania USB-C Power Delivery (USB-PD) (siliconchip.com.au/Article/14919, przedruk w poprzednim numerze EdW), działanie ładowarek USB-PD (siliconchip.com.au/Article/14920) i wyzwalacze USB-PD (siliconchip.com.au/Article/14996).

Dostarczanie energii przez USB jest stosunkowo nowym dodatkiem do standardów USB i nasze urządzenie testów USB-PD nie wspiera; te funkcje dostarczania energii są zwykle wbudowane w urządzenia, a nie w kable. 

Zarówno ten artykuł, jak i tester kabli USB używają standardu USB 3.2 w odniesieniu do kabli znanych jako USB 3.0 lub USB 3.1, ponieważ standard USB 3.2 zastąpił (i jest wstecznie kompatybilny) zarówno USB 3.0, jak i USB 3.1. Jest to sytuacja podobna do tej, w której USB 2.0 objęło i zastąpiło USB 1.0 i USB 1.1; obecnie powszechne jest określanie urządzeń zgodnych z tymi standardami jako USB 2.0.

Konstrukcja

Zanim zagłębimy się w szczegóły urządzenia, wspomnimy o niektórych kwestiach projektowych, które poczyniliśmy podczas prac nad konstrukcją. Zaprojektowaliśmy tester kabli USB tak, aby był ekonomiczny w budowie, łatwy w użyciu i wystarczająco wytrzymały do regularnego użytku. Uważamy, że możliwe byłoby wykonanie tego zadania bez mikrokontrolera, wiązałoby się to jednak ze skomplikowaną konstrukcją. Dodajmy do tego fakt, że charakter wyników testów często wykracza poza proste wyniki liczbowe lub podstawowe binarne go/no go, dlatego mikrokontroler jest raczej nieuniknioną częścią układu. Mając to na uwadze, użyliśmy 40-pinowego mikrokontrolera PIC. Mniejsza liczba pinów wymagałaby multipleksera lub przełącznika, co zwiększyłoby złożoność i koszty. Zamiast sięgać po jeden z klasycznych 40-pinowych mikrokontrolerów, takich jak PIC16F877, zdecydowaliśmy się pójść z duchem czasu i użyć jego nowoczesnego potomka – PIC16F18877.

Mikrokontroler wyświetla wyniki testu na wyświetlaczu LCD 20×4 znaki, umożliwiając prostą ocenę „czytelną dla człowieka”. Dzięki temu tester kabli USB może być używany nawet przez osoby bez doświadczenia w elektronice.

Niski pobór mocy charakteryzujący ten nowy mikrokontroler oznacza, że można pominąć przełącznik zasilania. Może się to wydawać niewielką oszczędnością, ale jest to jedna część mniej do rozważenia podczas konstruowania urządzenia i pozwala zaoszczędzić kilka złotych na kosztach. Tester kabli USB po prostu śpi między użyciami, pobierając z baterii 30 μA.

Urządzenie jest zasilane trzema ogniwami AA, które wystarczą na wiele lat, gdy tester będzie leżał na półce. Nominalne napięcie zasilania 4,5 V oznacza, że nie jest potrzebny stabilizator; kolejna część (i więcej pieniędzy) zaoszczędzona.

Urządzenie mieści się w kompaktowej obudowie o wymiarach 140 mm×110 mm×35 mm, czyli najmniejszej, jaka zmieściłaby wszystko. Oznacza to, że urządzenie jest solidne i dobrze wygląda. Na niektórych częściach nie mogliśmy skąpić. W testerze kabli USB zostały zastosowane solidne gniazda USB, które kosztują nieco więcej, ale mają kluczowe znaczenie dla długowieczności takiego narzędzia. Wątpimy, aby jakiekolwiek inne urządzenie miało tak często podłączane i odłączane przewody USB.

Staraliśmy się używać części z otworami przelotowymi, aby umożliwić łatwe ich nabycie oraz łatwy montaż testera. Mimo to, zawiera on kilka części SMD, np. niektórych typów gniazd USB. Wiele z tych gniazd jest dostępnych tylko w tej obudowie.

Aby przeczytać ten artykuł kup e-wydanie

Kup teraz