Вопрос по повышению помехоустойчивости USB.
Микроконтролер STM32F407 через USB изолятор ADuM4160 связан с системным блоком промышленного контроллера на full speed 12 Mbps.
STM32F407 выполняет задачу сбора и передачи информации от внешних объектов, от которых также гальванически изолирован. Всё хорошо, пока работаем на низких напряжениях. Как только переходим на 220 VAC (DI/DO) начинаются потери связи по USB. Кто в теме и может помочь?

Не совсем понял, но поделюсь своим опытом использования USB High Speed. Делаем установки, в которых к компьютеру подсоединяем до 10 шт. наших устройств. Всё более-менее стабильно работает каждый рабочий день.
Самая частая проблема это плохой экран в кабеле. С покупными были проблемы, сейчас стали сами паять. Иногда по непонятным причинам спаянный кабель плохо работает. Перепаиваем разъёмы и сбои прекращаются, хотя на вид всё нормально. Сейчас обнаглели, стали паять кабели длиной до 10 метров, хотя это и не по стандарту, но проблем нет. Экран должен быть хорошо пропаян с обоих сторон! Корпус разъёма цепляю на GND питания по USB. Установку и компьютер я обязательно соединяю "плетенкой" или использую экраны других кабелей.
Практически все наши устройства питаются по USB. Обычно потребление у нас большое, но стараемся уложиться в 0,5 А. Большинство моих устройств нормально работают и при 4 В или даже ниже. Если устройство питается не по USB, то могут быть всякие нехорошие вещи. Также были проблемы с Full Speed, ничего не меняя в железе перешли на High Speed проблема пропала, почему так произошло не поняли.

Помочь может Ethernet.
USB в описанных вами условиях не жилец.
Можно устанавливать развязки, фильтры, менять кабели, плясать с бубном - это даст лишь несколько меньшую вероятность сбоев. Но сбоить оно будет всегда потому что USB не лечится.

Не соглашусь с автором предыдущего сообщения. USB вполне себе жилец в цеху, важно лишь применять кабель должного качества с наличием ферритового "бублика".


уточните пожалуйста, что значит переходим на 220 VAC

Уточнение: есть модули с одинаковой схемотехникой входные на 24 VDC и 220 VAC. Первые работают, вторые сбоят.
Аналогично выходные модули с релейным выходом при подключении к нагрузке 220 VAC появляются сбои, особенно в момент коммутации.

Смотря что понимать под USB в цеху. Клавиатура к диагностической установке - нормально. А вот пром.контроллеры уже не вариант. Да, всякими ухищрениями можно добиться надёжной работы USB в условиях сильных помех. Основные способы тут уже перечислили.
Но это всё не от хорошей жизни. В пром. оборудовании либо RS-485, либо современные производные от Ethernet.

Насколько я понимаю Full Speed - два сигнала в противофазе с возвратом тока по земле, а High Speed - диференциальный.
Возможно поэтому High Speed - лучше в зоне помех.

американский минобороны (Department of Defence) запрещает использование интерфейса USB для чего-либо более серьезного, чем флешки и принтеры.
примерно по тем же причинам - весьма хреновая надёжность.
Ещё раз подумайте - оно вам надо???

ну тогда Вам нужен фильтр по питанию, например такой фильтр

Здесь скорее не опасение за потерю данных, а то что если при передаче потока по USB отойдёт контакт в разъёме - потребуется не только убийство процесса или драйвера и восстановление устройства из чёрного списка - потребуется перезагрузка компьютера...

Пытались делать системы управления лет 10 назад на КПК - чуть дернул разъём - доставай иголку - перезагружай КПК.
Надёжней и проще оказалось разработать собственное устройство с экраном, тачем и прочем... без шлангов и USB!

PS: Что касается топикспикера - а защитные диоды по USB на плате есть?

Умные мужики в американской военщине !
Можно ссылочку на официальный документ DoD запрещающий применение usb ?

Дополнение для интересующихся.
Схема USB интерфейса на ADuM4160 в прилагаемом файле. Разводка PCB в соответствии с рекомендациями производителя.

1. Фильтр по AC, о чем я писал выше
2. Попробуйте увеличить С5

Безусловно, 485 и Ethernet гораздо больше приспособлены для подобных условий! Однако, мне попадались примеры успешного внедрения USB в щедрых на помехи местах. В качестве примера, в одной из лабораторий у нас стоит рентгеновский фотоэлектронный спектрометр Thermo Scientific K-Alpha, он подключается к ПК по USB (есть еще три линии FireWire, но они идут непосредственно к трем же видеокамерам внутри установки). Когда приходил специалист по настройке, мы вскрывали "станок" (часть трэйнинга) и я был приятно обрадован увидев там родной Cypress FX2 рядом с USB-B разьемом на "материнской плате". В самой установке непрерывно жужжат два мощных турбомолекулярных насоса, которые запитываются от источников, чья мощность вызывает уважение. Еще в системе есть генератор аргоновой плазмы для очистки пов-ти образцов (десятки Ватт, 13.5МГц). Спектрометр работает 24 часа в сутки, 7 дней в неделю. За год эксплуатации был лишь один сбой, связанный со скачком напряжения в здании. Рядом с ним стоят системы для испарения и магнетронного распыления металлов, которые, надо думать, тоже могут являються источниками помех.

А может такое быть, что на H-GND половина сетевого питания - т.е. 110В (как это бывает в настольных компьютерах, когда их подключают без заземления)? "Земля" в розетках есть?
Если заземления в розетках нет, а пол-питания на H-GND таки есть (индикатором проверить), то эти 110В будут "заливаться" на линии D+ и D- через сапрессоры, и создавать помехи при передаче данных.

А в тех модулях что на 24VDC (возможно), внешний сетевой адаптер имеет только выводы питания 24 вольта, потому заземления минуса питания и шилда USB нет, и соответственно нет помех и на самой шине.

Вы имеете в виду ESD protection компоненты VD2, VD3? Нет, они не имеют никакого отнощение к помехе. Вы хотите сказать что если их выпаять, то сбоев не будет? Ни в коем случае это не поможет.
Касательно земли по питанию AC, это тоже без разницы, есть эта земля (класс 1) или ее нет (класс2). Сбоит оттого что при наличии помехи все сигналы относяшиеся к HOST (gnd, 5V, D+, D-) "прыгают" относительно тех же сигналов относящихся к device. А из-за наличия паразитной емкости между сигналами эти "скачки" для каждого сигнала отличаются друг от друга по амплитуде, поэтому часть помехи прикладывается между D+,D- и происходит сбой.

Коллеги, здравствуйте.
В том-то вся и проблема, что характер сбоев не понятен. Источник сигнала 220 VAC также гальванически изолирован от модулей либо через оптопары входов, либо через конструктив реле выходов. Т.е. гальваническая развязка от собственно контроллера двойная. Однако, сбои наблюдаются регулярно. Что это - недостаток асинхронного интерфейса USB? Есть ли возможность аппаратно решить проблему. Переход на другой интерфейс будет очень затратным, потому вопрос и поднят. Если у кого есть реальные идеи, могу свести с руководством фирмы, есть возможность получить какие-то бонусы. Пишите в личку.

Все таки, это скорее всего синфазные помехи от АС-DC, они просачиваются даже через очень маленькие паразитные емкости. Ставте синфазные фильтры по входам и выходам AC-DC.

также, большое значение имеет качество USB кабелей и их длина. Проверьте что экранная оплетка соединена с конектором.

К сожалению, комплексная оценка системы в части помехоустойчивости всегда непрогнозируема.

Иногда удаётся обойтись малой кровью. Например, в случаях грубых ошибок с заземлениями.
Может помочь возня с кабелями(кольца, экраны и т.д.), если проблемное место почти очевидно.

Но чаще всего, учесть и оценить все паразитные связи, источники помех и их характер не удаётся.
Т.е., модель помех получается неточной и неполной, а её использование сильно затруднено.
В таких случаях, борьба с помехами может вылиться в широкое использование "метода тыка".
Затратность такой борьбы может превысить стоимость радикальных мер по замене чувствительных к шуму элементов и решений.

Думаю, что придётся Вам разбираться с этой историей самому.
Т.е., попытаться построить модель помех и разобраться с возможными ошибками.
Очень рекомендую пользоваться следующей книжкой:
Отт Г. - Методы подавления шумов и помех в электронных системах (1979).

И вот если как следует разберётесь и окончательно упрётесь, свежий взгляд со стороны может помочь.
И есть вероятность, что в конце концов радикальные меры по замене интерфейса окажутся дешевле.

А параллельно контактам реле что-нибудь стоит?
Горе в том, что сбои идут нерегулярно... Никто не может поручиться, что при одновременном (или с некоторой задержкой) срабатывании определенных реле уровень поставленной защиты не будет преодолен помехой.

Горе в том, что без схемы соединений обсуждение м.б. только "общетеоретическим". Ну очень "общетеоретическим".

Схема соединений в данном случае имеет десятистепенную важность.
Tanya все правильно изложила:

в усб есть две системные проблемы:
1) никудышняя помехоустойчивость на уровне электрических сигналов%
2) идиотическая (у меня другие выражения только матерные) обработка сбоев предписываемая спецификацией. спецификацию буквально соблюдают все реализации усб хостов включая кремний (это потому что если кодеры хоста отступят от спецификации хоть на микрон зОказчеГи их распнут). результат соблюдения - в большинстве случаев мертвое зависание хоста при единичном сбое на шине.

п.п. 1 и 2 совместно дают "usb не лечится".

Как я понимаю, C5 одну из развязок нейтрализует, попробуйте убрать.

А куда у вас подключен экран? Если на H-GND, то попробуйте разорвать эту связь и подключить к H-GND через параллельно соединенные конденсатор 1н и резистор 1М.

Я бы по другому построил защиту:
1. Непосредственно у разъёма поставил бы USBLC6 вместо VD2-VD3 сидящую на земле и питании разъёма, имеющую 0.1мкФ. Все цепи в верхнем слое без переходных отверстий.
2. Очень хочется иметь L2 - перенесите за USBLC6.
3. За USBLC6 землю можно разорвать дроселем типа BLM - у вас там всё равно выше 12МГц ничего по земле не передаётся.
4. На ввод питания в систему L3-BLM поставил бы ёмкость X7R 10-100мкФ в соответствии с потреблением от USB.

Ага, а в тех решениях, где USB работает, особенно в условиях сильных помех, схема соединений таки имеет значение. Пример со спектрометром тому подтверждение.
Правда, стоит ещё добавить, что в условиях сильных помех применяют и ряд дополнительных методов по их подавлению.
Так что, вопрос только в соотношении реальных и допустимых уровней помех.
Например, если работать в зоне дуговой сварки, особенно на малых сварочных токах, без аккуратной проработки защитных мер поляжет всё, что угодно. Но работают же.

А если вернуться к схеме соединений, то 80..90% такого рода проблем - это косяки с заземлением, земляными петлями и питанием. Т.е., на 2/3 это схема соединений.
В своё время приходилось достаточно много этим заниматься. Фантазиям народным нет границ.

Ну а проблемы USB давно известны. И давно известно то, что для многих задач это не лучший выбор.
И именно поэтому бывает проще его заменить, нежели производить тщательную зачистку системы в целом.
Собственно, именно об этом я и говорил ранее.

Тот же Ethernet может снять ряд вопросов именно к схеме соединений, и частенько позволяет просто о ней забыть, если дело касается помехоустойчивости.
Но на этом вопросы к схеме соединений обычно не заканчиваются. Есть ещё электробезопасность. И это ещё та отдельная история.

А вот нежелание обращаться сперва к схеме соединений, вместо того, что бы рассуждать о том, что лечится или нет, весьма огорчает.
В институтах совсем перестали учить, что ли?


А вот это как раз можно достаточно качественно оценить. Когда источники помех точно известны, задача несколько упрощается.

как раз наоборот, если C5 увеличить то помехоустойчавость улучшится.

Смысл гальванической развязки в том, чтобы изолировать земли и устранить помеху из-за неидеальности цепей заземления.
В случае большой коммутационной помехи по земле на левой стороне схемы из-за большого импульсного тока по земле USB кабеля, при отсутствии гальванической развязки, эта помеха будет являться помехой common mode для USB входа компьютера.
Вы же предлагаете как раз соединить по переменке землю USB кабеля на стороне устройства с землей источника помехи.

Конденсатор С5 в этой схеме обеспечивает определенную защиту от разрядов статического электричества. Занижать его емкость не следует, но и завышать тоже. В данном случае, 100-200пФ выглядят оптимально, хотя никто не мешает подобрать его экспериментально (в сторону увеличения).

Извиняюсь, конечно я больше программист чем схемотехник, но всё-же...
В этой схеме зачем вообще нужен ADUM4160 (изолятор USB), если Вы мимо него всё равно связываете гальванически две стороны схемы???
Связь по резистору и конденсатору.
И может я что-то не понимаю, но вроде обычно в USB-разъёме GND - это 4я нога, а +5 - 1я. А 5 и 6 вроде экраны.
Наши схемотехники обычно такую схему включения ADUM4160 используют (не промышленные условия эксплуатации):
Нажмите для просмотра прикрепленного файла


Странно.... Всегда считал, что защиту от статики обеспечивают только элементы с нелинейной проводимостью (типа диодов, TVS-диодов, разрядников и т.п.), но никак не кондёры...

В данном случае, разряженный конденсатор снижает разность потенциалов образующуюся при воздействии короткого разряда на изолированную часть. Если она заземлена тем или иным образом, то конденсатор можно не ставить.

Также он образует путь для переменного тока. И две части уже нельзя считать гальванически изолированными.
У ADUM4160 проходная ёмкость всего 2.2пФ, а у Вас в 100 раз больше.

Ваша схема включения ADUM4160 просто великолепна, но у меня возникает вопрос - зачем ваши схемотехники так издеваются над DC/DC?
Насколько я понимаю в работе DC/DC, он переносит энергию из конденсатора на своём входе в конденсатор на своём выходе, с определённой частотой, добиваясь требуемого напряжения на выходном конденсаторе, считая что за время регулирования напряжение на входном конденсаторе не изменится.

Т.е. ваш бедный DC/DC имеющий на входе и выходе по 0.1мкФ будет стабильно работать при токе около 100мкА, вероятно он сам кушает больше.
Всё таки FL1 сопротивляется передаче энергии с частотой в несколько сот килогерц из 10мкФ.

Возможно LC цепь из 270мкГн и 330мкФ призвана бороться с пульсациями на выходе DC/DC, но нужно понимать что DC/DC не сможет из-за L3 быстро отслеживать изменение тока потребления. Грубо говоря, увеличение тока на 20% вызовет кратковременную просадку напряжения на 20% у R53. И чем больше сопротивление L3 - тем позже до DC/DC дойдёт что творится около R53.

Отсюда вопрос: DC/DC мучаете умышленно или по недосмотру?



Термин "гальваническая развязка" предполагает отсутствие постоянного тока при приложенном высоковольтном постоянном напряжении.
Хотя с точки электробезопасности - ограничивают и величину переменного тока значением ёмкости между частями.

на сайте analog device обьясняется назначение C5
Он понижает элекромагнитное излучение, как показано на картинке. По этой же причине конденсатор ставят между main AC и землей у всех AC/DC адапторов, между землями гальванически развязанных DC/DC конвертеров и прочих гальванических изоляторов. Кроме того, этот конденсатор несколько улучшает помехоустойчивость, проверено на практике. Это оттого что между USB D+, D- сигналами с обоих сторон есть связь через паразитную емкость.
Сommon-mode фильтры на схеме, которую привел jcxz (на сигналах D+, D-), тоже могут помочь.

Есть нюансы.
Когда гальваническая развязка применяется для целей электробезопасности - она должна обеспечивать изоляцию постоянного тока и тока промышленной частоты и НЕ изолировать ток высокой частоты чтобы помехи стекали в заземление.
Когда гальваническая развязка применяется для целей защиты от помех она должна обеспечивать как изоляцию от вышеперечисленного так и изоляцию токов высокой частоты, т.е иметь минимальную проходную емкость (~0.5pf лучше еще меньше).
У ТС второй случай поэтому конденсатор помехозащищенность ухудшает (с ним развязка для импульсных помех вообще отсутствует).

Насколько я помню - фильтр FL1 высокочастотный, это собственно: CM04RC04T. У него полоса подавления >= 20МГц.
Вот насчёт просадок вых. напряжения при изменении тока нагрузки - это Вы совершенно правы: мне программно приходится коммутировать некоторые нагрузки в схеме - были проблемы с этим.
Наши схемотехники уже посыпали голову пеплом и собирались в след. переразводках переделать схему питания.

Подскажите, как изменять скорость передачи 1.5, 12 Мбит/c микруха ADUM3160?

Выводы SPU, SPD.

SPU, SPD перемычкой между +Up и GND? а вывод PIN при этом куда?

А datasheet прочитать не быстрее?