Содержание
Интерфейс USB начали широко применять около 20-ти лет назад, если быть точным, с весны 1997 года. Именно тогда универсальная последовательная шина была аппаратно реализована во многих системных платах персональных компьютеров. На текущий момент данный тип подключения периферии к ПК является стандартом, вышли версии, позволившие существенно увеличить скорость обмена данных, появились новые типы коннекторов. Попробуем разобраться в спецификации, распиновки и других особенностях USB.
В чем заключаются преимущества универсальной последовательной шины?
Внедрение данного способа подключения сделало возможным:
- Оперативно выполнять подключение различных периферийных устройств к ПК, начиная от клавиатуры и заканчивая внешними дисковыми накопителями.
- Полноценно использовать технологию «Plug&Play», что упростило подключение и настройку периферии.
- Отказ от ряда устаревших интерфейсов, что положительно отразилось на функциональных возможностях вычислительных систем.
- Шина позволяет не только передавать данные, а и осуществлять питание подключаемых устройств, с ограничением по току нагрузки 0,5 и 0,9 А для старого и нового поколения. Это сделало возможным использовать USB для зарядки телефонов, а также подключения различных гаджетов (мини вентиляторов, подсветки и т.д.).
- Стало возможным изготовление мобильных контролеров, например, USB сетевой карты RJ-45, электронных ключей для входа и выхода из системы
Виды USB разъемов – основные отличия и особенности
Существует три спецификации (версии) данного типа подключения частично совместимых между собой:
- Самый первый вариант, получивший широкое распространение – v 1. Является усовершенствованной модификацией предыдущей версии (1.0), которая практически не вышла из фазы прототипа ввиду серьезных ошибок в протоколе передачи данных. Эта спецификация обладает следующими характеристиками:
- Двухрежимная передача данных на высокой и низкой скорости (12,0 и 1,50 Мбит в секунду, соответственно).
- Возможность подключения больше сотни различных устройств (с учетом хабов).
- Максимальная протяженность шнура 3,0 и 5,0 м для высокой и низкой скорости обмена, соответственно.
- Номинальное напряжение шины – 5,0 В, допустимый ток нагрузки подключаемого оборудования – 0,5 А.
Сегодня данный стандарт практически не используется в силу невысокой пропускной способности.
- Доминирующая на сегодняшний день вторая спецификация.. Этот стандарт полностью совместим с предыдущей модификацией. Отличительная особенность – наличие высокоскоростного протокола обмена данными (до 480,0 Мбит в секунду).
Наглядная демонстрация преимущества USB 2.0 над другими интерфейсами (скорость передачи 60 Мбайт в секунду, что соответствует 480 Мбит в секунду)
Благодаря полной аппаратной совместимости с младшей версией, периферийные устройства данного стандарта могут быть подключены к предыдущей модификации. Правда при этом пропускная способность уменьшиться до 35-40 раз, а в некоторых случаях и более.
Поскольку между этими версиями полная совместимость, их кабели и коннекторы идентичны.
Обратим внимание что, несмотря на указанную в спецификации пропускную способность, реальная скорость обмена данными во втором поколении несколько ниже (порядка 30-35 Мбайт в секунду). Это связано с особенностью реализации протокола, что ведет к задержкам между пакетами данных. Поскольку у современных накопителей скорость считывания вчетверо выше, чем пропускная способность второй модификации, то есть, она не стала удовлетворять текущие требования.
- Универсальная шина 3-го поколения была разработана специально для решения проблем недостаточной пропускной способности. Согласно спецификации данная модификация способно производить обмен информации на скорости 5,0 Гбит в секунду, что почти втрое превышает скорость считывания современных накопителей. Штекеры и гнезда последней модификации принято маркировать синим для облегчения идентификации принадлежности к данной спецификации.
Разъемы USB 3.0 имеют характерный синий цвет
Еще одна особенность третьего поколения – увеличение номинального тока до 0,9 А, что позволяет осуществлять питание ряда устройств и отказаться от отдельных блоков питания для них.
Что касается совместимости с предыдущей версией, то она реализована частично, подробно об этом будет расписано ниже.
Классификация и распиновка
Коннекторы принято классифицировать по типам, их всего два:
- А – это штекер, подключаемый к гнезду «маме», установленном на системной плате ПК или USB хабе. При помощи такого типа соединения производится подключение USB флешки, клавиатуры, мышки и т.д. Данные соединения полностью совместимы в между начальной версией и вторым поколением. С последней модификацией совместимость частичная, то есть устройства и кабели с ранних версий можно подключать к гнездам третьего поколения, но не наоборот.
Разъемы типа А - B – штекер для подключения к гнезду, установленному на периферийном устройстве, например, принтере. Размеры классического типа В не позволяют его использовать для подключения малогабаритных устройств (например, планшетов, мобильных телефонов, цифровых фотоаппаратов и т.д.). Чтобы исправить ситуации были приняты две стандартные уменьшенные модификации типа В: мини и микро ЮСБ.
Заметим, что такие конвекторы совместимы только между ранними модификациями.
Различные модели разъемов типа В
Помимо этого, существуют удлинители для портов данного интерфейса. На одном их конце установлен штекер тип А, а на втором гнездо под него, то есть, по сути, соединение «мама» — «папа». Такие шнуры могут быть весьма полезны, например, чтобы подключать флешку не залезая под стол к системному блоку.
Шнур-удлинитель для порта USB
Теперь рассмотрим, как производится распайка контактов для каждого из перечисленных выше типов.
Распиновка usb 2.0 разъёма (типы A и B)
Поскольку физически штекеры и гнезда ранних версий 1.1 и 2.0 не отличаются друг от друга, мы приведем распайку последней.
Рисунок 6. Распайка штекера и гнезда разъема типа А
Обозначение:
- А – гнездо.
- В – штекер.
- 1 – питание +5,0 В.
- 2 и 3 сигнальные провода.
- 4 – масса.
На рисунке раскраска контактов приведена по цветам провода, и соответствует принятой спецификации.
Теперь рассмотрим распайку классического гнезда В.
Распайка штекера и гнезда типа В
Обозначение:
- А – штекер, подключаемый к гнезду на периферийных устройствах.
- В – гнездо на периферийном устройстве.
- 1 – контакт питания (+5 В).
- 2 и 3 – сигнальные контакты.
- 4 – контакт провода «масса».
Цвета контактов соответствует принятой раскраске проводов в шнуре.
Распиновка usb 3.0 (типы A и B)
В третьем поколении подключение периферийных устройств осуществляется по 10 (9, если нет экранирующей оплетки) проводам, соответственно, число контактов также увеличено. Но они расположены таким образом, чтобы имелась возможность подключения устройств ранних поколений. То есть, контакты +5,0 В, GND, D+ и D-, располагаются также, как в предыдущей версии. Распайка гнезда типа А представлена на рисунке ниже.
Рисунок 8. Распиновка разъема Тип А в USB 3.0
Обозначение:
- А – штекер.
- В – гнездо.
- 1, 2, 3, 4 – коннекторы полностью соответствуют распиновки штекера для версии 2.0 (см. В на рис. 6), цвета проводов также совпадают.
- 5 (SS_TХ-) и 6 (SS_ТХ+) коннекторы проводов передачи данных по протоколу SUPER_SPEED.
- 7 – масса (GND) для сигнальных проводов.
- 8 (SS_RX-) и 9(SS_RX+) коннекторы проводов приема данных по протоколу SUPER_SPEED.
Цвета на рисунке соответствуют общепринятым для данного стандарта.
Как уже упоминалось выше в гнездо данного порта можно вставить штекер более раннего образца, соответственно, пропускная способность при этом уменьшится. Что касается штекера третьего поколения универсальной шины, то всунуть его в гнезда раннего выпуска невозможно.
Теперь рассмотрим распайку контактов для гнезда типа В. В отличие от предыдущего вида, такое гнездо несовместимо ни с каким штекером ранних версий.
Распайка USB 3.0 тип В
Обозначения:
А и В – штекер и гнездо, соответственно.
Цифровые подписи к контактам соответствуют описанию к рисунку 8.
Цвет максимально приближен к цветовой маркировки проводов в шнуре.
Распиновка микро usb разъёма
Для начала приведем распайку для данной спецификации.
Распайка разъема микро USB v 2.0
Как видно из рисунка, это соединение на 5 pin, как в штекере (А), так и гнезде (В) задействованы четыре контакта. Их назначение и цифровое и цветовое обозначение соответствует принятому стандарту, который приводился выше.
Описание разъема микро ЮСБ для версии 3.0.
Для данного соединения используется коннектор характерной формы на 10 pin. По сути, он представляет собой две части по 5 pin каждая, причем одна из них полностью соответствует предыдущей версии интерфейса. Такая реализация несколько непонятна, особенно принимая во внимание несовместимость этих типов. Вероятно, разработчики планировали сделать возможность работы с разъемами ранних модификаций, но впоследствии отказала от этой идеи или пока не осуществили ее.
Разводка разъема микроUSB для версии 3.0
На рисунке представлена распиновка штекера (А) и внешний вид гнезда (В) микро ЮСБ.
Контакты с 1-го по 5-й полностью соответствуют микро коннектору второго поколения, назначение других контактов следующее:
- 6 и 7 – передача данных по скоростному протоколу (SS_ТХ- и SS_ТХ+, соответственно).
- 8 – масса для высокоскоростных информационных каналов.
- 9 и 10 – прием данных по скоростному протоколу (SS_RX- и SS_RX+, соответственно).
Распиновка мини USB
Данный вариант подключения применяется только в ранних версиях интерфейса, в третьем поколении такой тип не используется.
Распиновка разъема мини USB
Как видите, распайка штекера и гнезда практически идентична микро ЮСБ, соответственно, цветовая схема проводов и номера контактов также совпадают. Собственно, различия заключаются только в форме и размерах.
В данной статье мы привели только стандартные типы соединений, многие производители цифровой техники практикуют внедрение своих стандартов, там можно встретить разъемы на 7 pin, 8 pin и т.д. Это вносит определенные сложности, особенно когда встает вопрос поиска зарядника для мобильного телефона. Также необходимо заметить, что производители такой «эксклюзивной» продукции не спешат рассказывать, как выполнена распиновка USB в таких контакторах. Но, как правило, эту информацию несложно найти на тематических форумах.
USB значит Universal Serial Bus (Универсальная Последовательная Шина)
USB (Universal Serial Bus — Универсальная Последовательная Шина)
Всё многообразие коннекторов USB версии 2.0 отражено на картинке ▼
▲ Изолирующие детали разъёма отмечены тёмно-серым цветом, металлические части — светло-серым.
Фиолетовые контакты ID не используются в зарядных и дата-кабелях. Они нужны только в кабеле OTG.
▼ Название того или иного коннектора снабжается буквенными индексами.
Тип коннектора:
- А — активное, питающее устройство (компьютер, хост)
- B — пассивное, подключаемое устройство (принтер, сканер)
«Пол» коннектора:
- M (male) — штекер, «папа»
- F (female) — гнездо, «мама»
Размер коннектора:
Например: USB micro-BM— штекер (M) для подключения к пассивному устройству (B); размер micro.
Назначение контактов USB 2.0
- Красный VBUS (+5V, Vcc — Voltage Collector Collector) +5 Вольт постоянного напряжения относительно GND. Для USB 2.0 максимальный ток — 500 mA.
- Белый D- (-Data)
- Зелёный D+ (+Data)
- Чёрный GND — общий провод, «земля», «минус», 0 Вольт
Разъёмы mini и micro содержат 5 контактов:
- Красный VBUS
- Белый D-
- Зелёный D+
- ID — в разъёмах «B» не задействован; в разъёмах «A» замкнут с GND для поддержки функции «OTG»
- Чёрный GND
Кроме прочего, в кабеле содержится (правда, не всегда) оголённый провод Shield — корпус, экран, оплётка. Этому проводу номер не присваивается.
Распиновка шнура мыши и клавиатуры
У некоторых мышей и клавиатур в кабеле встречаются нестандартные цвета проводов.
Прочтите также про подключение мышей и клавиатур к порту PS/2.
Интерфейс USB – популярный вид технологической коммуникации на мобильных и других цифровых устройствах. Разъемы подобного рода часто встречаются на персональных компьютерах разной конфигурации, периферийных компьютерных системах, на сотовых телефонах и т.д.
Особенность традиционного интерфейса – USB распиновка малой площади. Для работы используются всего 4 пина (контакта) + 1 заземляющая экранирующая линия. Правда, последним более совершенным модификациям (USB 3.0 Powered-B или Type-C) характерно увеличение числа рабочих контактов. О чем мы и будем говорить в этом материале. Также опишем структуру интерфейса и особенности распайки кабеля на контактах разъемов.
Виды разъемов USB
Аббревиатура «USB» несет сокращенное обозначение, которое в целостном виде читается как «Universal Series Bus» – универсальная последовательная шина, благодаря применению которой осуществляется высокоскоростной обмен цифровыми данными.
Универсальность USB интерфейса отмечается:
- низким энергопотреблением;
- унификацией кабелей и разъемов;
- простым протоколированием обмена данных;
- высоким уровнем функциональности;
- широкой поддержкой драйверов разных устройств.
Какова же структура USB интерфейса, и какие существуют виды ЮСБ технологических разъемов в современном мире электроники? Попробуем разобраться.
Технологическая структура интерфейса USB 2.0
Разъемы, относящиеся к изделиям, входящим в группу спецификаций 1.х – 2.0 (созданные до 2001 года), подключаются на четырехжильный электрический кабель, где два проводника являются питающими и ещё два – передающими данные.
Также в спецификациях 1.х – 2.0 распайка служебных ЮСБ разъемов предполагает подключение экранирующей оплётки – по сути, пятого проводника.
Существующие исполнения соединителей универсальной последовательной шины отмеченных спецификаций представлены тремя вариантами:
- Нормальный – тип «А» и «В».
- Мини – тип «А» и «В».
- Микро – тип «А» и «В».
Разница всех трёх видов изделий заключается в конструкторском подходе. Если нормальные разъемы предназначены для использования на стационарной технике, соединители «мини» и «микро» сделаны под применение в мобильных устройствах.
Поэтому два последних вида характеризуются миниатюрным исполнением и несколько измененной формой разъема.
Таблица распиновки стандартных соединителей типа «А» и «В»
| Контакт | Спецификация | Проводник кабеля | Функция |
| 1 | Питание + | Красный (оранжевый) | + 5В |
| 2 | Данные – | Белый (золотой) | Data – |
| 3 | Данные + | Зеленый | Data + |
| 4 | Питание – | Черный (синий) | Земля |
Наряду с исполнением разъемов типа «мини-А» и «мини-В», а также разъемов типа «микро-А» и «микро-В», существуют модификации соединителей типа «мини-АВ» и «микро-АВ».
Отличительная черта таких конструкций – исполнение распайки проводников ЮСБ на 10-пиновой контактной площадке. Однако на практике подобные соединители применяются редко.
Таблица распиновки интерфейса Micro USB и Mini USB соединителей типа «А» и «В»
| Контакт | Спецификация | Проводник кабеля | Функция |
| 1 | Питание + | Красный | + 5В |
| 2 | Данные – | Белый | Data – |
| 3 | Данные + | Зеленый | Data + |
| 4 | Идентификатор | – | Хост – устройство |
| 5 | Питание – | Черный | Земля |
Технологическая структура интерфейсов USB 3.х
Между тем совершенствование цифровой аппаратуры уже к моменту 2008 года привело к моральному старению спецификаций 1.х – 2.0.
Эти виды интерфейса не позволяли подключение новой аппаратуры, к примеру, внешних жестких дисков, с таким расчётом, чтобы обеспечивалась более высокая (больше 480 Мбит/сек) скорость передачи данных.
Соответственно, на свет появился совершенно иной интерфейс, помеченный спецификацией 3.0. Разработка новой спецификации характеризуется не только повышенной скоростью, но также дает увеличенную силу тока – 900 мА против 500 мА для USB 2/0.
Понятно, что появление таких разъемов обеспечило обслуживание большего числа устройств, часть из которых может питаться напрямую от интерфейса универсальной последовательной шины.
Как видно на картинке выше, интерфейсы третьей спецификации имеют больше рабочих контактов (пинов), чем у предыдущей – второй версии. Тем не менее, третья версия полностью совместима с «двойкой».
Чтобы иметь возможность передавать сигналы с более высокой скоростью, разработчики конструкций третьей версии оснастили дополнительно четырьмя линиями данных и одной линией нулевого контактного провода. Дополненные контактные пины располагаются в отдельным ряду.
Таблица обозначения пинов разъемов третьей версии под распайку кабеля ЮСБ
| Контакт | Исполнение «А» | Исполнение «B» | Micro-B |
| 1 | Питание + | Питание + | Питание + |
| 2 | Данные – | Данные – | Данные – |
| 3 | Данные + | Данные + | Данные + |
| 4 | Земля | Земля | Идентификатор |
| 5 | StdA_SSTX – | StdA_SSTX – | Земля |
| 6 | StdA_SSTX + | StdA_SSTX + | StdA_SSTX – |
| 7 | GND_DRAIN | GND_DRAIN | StdA_SSTX + |
| 8 | StdA_SSRX – | StdA_SSRX – | GND_DRAIN |
| 9 | StdA_SSRX + | StdA_SSRX + | StdA_SSRX – |
| 10 | – | – | StdA_SSRX + |
| 11 | Экранирование | Экранирование | Экранирование |
Между тем использование интерфейса USB 3.0, в частности серии «А», проявилось серьёзным недостатком в конструкторском плане. Соединитель обладает ассиметричной формой, но при этом не указывается конкретно позиция подключения.
Разработчикам пришлось заняться модернизацией конструкции, в результате чего в 2013 году в распоряжении пользователей появился вариант USB-C.
Модернизированное исполнение разъема USB 3.1
Конструкция этого типа разъема предполагает дублирование рабочих проводников по обеим сторонам штепселя. Также на интерфейсе имеются несколько резервных линий.
Этот тип соединителя нашел широкое применение в современной мобильной цифровой технике.
Стоит отметить характеристики USB Type-C. Например, скоростные параметры для этого интерфейса показывают уровень – 10 Гбит/сек.
Конструкция соединителя выполнена в компактном исполнении и обеспечивает симметричность соединения, допуская вставку разъема в любом положении.
Таблица распиновки, соответствующая спецификации 3.1 (USB-C)
| Контакт | Обозначение | Функция | Контакт | Обозначение | Функция |
| A1 | GND | Заземление | B1 | GND | Заземление |
| A2 | SSTXp1 | TX + | B2 | SSRXp1 | RX + |
| A3 | SSTXn1 | TX – | B3 | SSRXn1 | RX – |
| A4 | Шина + | Питание + | B4 | Шина + | Питание + |
| A5 | CC1 | Канал CFG | B5 | SBU2 | ППД |
| A6 | Dp1 | USB 2.0 | B6 | Dn2 | USB 2.0 |
| A7 | Dn1 | USB 2.0 | B7 | Dp2 | USB 2.0 |
| A8 | SBU1 | ППД | B8 | CC2 | CFG |
| A9 | Шина | Питание | B9 | Шина | Питание |
| A10 | SSRXn2 | RX – | B10 | SSTXn2 | TX – |
| A11 | SSRXp2 | RX + | B11 | SSTXp2 | TX + |
| A12 | GND | Заземление | B12 | GND | Заземление |
Следующий уровень спецификации USB 3.2
Между тем процесс совершенствования универсальной последовательной шины активно продолжается. На некоммерческом уровне уже разработан следующий уровень спецификации – 3.2.
Согласно имеющимся сведениям, скоростные характеристики интерфейса типа USB 3.2 обещают вдвое большие параметры, чем способна дать предыдущая конструкция.
Достичь таких параметров разработчикам удалось путем внедрения многополосных каналов, через которые осуществляется передача на скоростях 5 и 10 Гбит/сек, соответственно.
Кстати следует отметить, что совместимость перспективного интерфейса с уже существующим USB-C поддерживается полностью, так как разъем «Type-C» (как уже отмечалось) наделен резервными контактами (пинами), обеспечивающими многополосную передачу сигналов.
Особенности распайки кабеля на контактах разъемов
Какими-то особыми технологическими нюансами пайка проводников кабеля на контактных площадках соединителей не отмечается. Главное в таком процессе – обеспечение соответствия цвета предварительно защищенных от изоляции проводников кабеля конкретному контакту (пину).
Также, если осуществляется распайка модификаций устаревших версий, следует учитывать конфигурацию соединителей, так называемых – «папа» и «мама».
Проводник, запаянный на контакте «папы» должен соответствовать пайке на контакте «мамы». Взять, к примеру, вариант распайки кабеля по контактам USB 2.0.
Используемые в этом варианте четыре рабочих проводника, как правило, обозначены четырьмя разными цветами:
Соответственно, каждый проводник подпаивается на контактную площадку, отмеченную спецификацией разъема аналогичной расцветки. Такой подход существенно облегчает работу электронщика, исключает возможные ошибки в процессе распайки.
Аналогичная технология пайки применяется и к разъемам других серий. Единственное отличие в таких случаях – большее число проводников, которые приходится паять. Чтобы упростить себе работу, удобно использовать специнструмент – надежный паяльник для пайки проводов в домашних условиях и стриппер для снятия изоляции с концов жил.
Независимо от конфигурации соединителей, всегда используется пайка проводника экрана. Этот проводник запаивается к соответствующему контакту на разъеме, Shield – защитный экран.
Нередки случаи игнорирования защитного экрана, когда «специалисты» не видят смысла в этом проводнике. Однако отсутствие экрана резко снижает характеристики кабеля USB.
Поэтому неудивительно, когда при значительной длине кабеля без экрана пользователь получает проблемы в виде помех.
Распаивать кабель USB допускается разными вариантами, в зависимости от конфигурации линий порта на конкретном устройстве.
К примеру, чтобы соединить одно устройство с другим с целью получения только напряжения питания (5В), достаточно спаять на соответствующих пинах (контактах) всего две линии.
Выводы и полезное видео по теме
Представленный ниже видеоролик поясняет основные моменты распиновки соединителей серии 2.0 и других, визуально поясняет отдельные детали производства процедур пайки.
Владея полной информацией по распиновке соединителей универсальной последовательной шины, всегда можно справиться с технической проблемой, связанной с дефектами проводников. Также эта информация обязательно пригодится, если потребуется нестандартно соединять какие-то цифровые устройства.
Хотите дополнить изложенный выше материал полезными замечаниями или ценными советами по самостоятельной распайке? Пишите комментарии в блоке ниже, добавляйте, при необходимости, уникальные фотоматериалы.
Может у вас остались вопросы после прочтения статьи? Задавайте их здесь – наши эксперты и компетентные посетители сайта постараются прояснить непонятные моменты.
