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Projekt USB-Verbindungstester

Mit dem USB-Tester können sie Fehler an ihrem USB-Anschluss oder Gerät finden. Das Gerät zeigt an, ob der Anschluss Spannung liefert und kann ein USB 1.1 und 2.0 Gerät simulieren. Mit den am Gerät befindlichen Buchsen kann man auch genauer nachmessen, welche Spannung und welcher Strom fließt.

PS: Der Tester hat keine eigene Stromversorgung, weil jeder aktive USB-Hub an seinen Ausgängen 5VDC/0,5A liefert.

Gesamtdarstellung

usbvt1a.png
Abb. 1a: Gesamtdarstellung des Testers mit Schaltplan.

Bedienelemente

  • Links befindet sich der Anschluss zum Host Gerät (männlicher USB-Stecker).
  • Rechts ist der Anschluss zum Gastgerät (weiblicher USB-Stecker).
  • Die rote LED zeigt an, ob Spannung am Eingang anliegt.
  • Der silberne 3-Stellen-Schalter K1 (rechts neben der LED) schaltet zwischen USB-Version 1.1, USB-Version 2.0 und keine Gerätesimulation um.
  • Der rote 2-Stellen-Schalter K2 verbindet die Betriebsspannung vom Eingang mit dem Ausgang.
  • Die rote Buchse ist mit der Betriebsspannung des Eingangs,
  • die gelbe Buchse ist mit der Betriebsspannung des Ausgangs und
  • die schwarze Buchse ist mit der gemeinsamen Masse verbunden.

Bedienung

Hinweis:

  • Der silberne Schalter K1 sollte bei allen Anwendungen zuerst in der Mittelstellung sein und
  • der rote Schalter K2 auf aus.
  • Ermitteln, ob am Host Gerät Spannung anliegt.

    Wenn man den Eingang an das Host Gerät anschließt und sie genügend Spannung liefert, leuchtet die rote LED. Die anliegende Spannung kann man in dieser Konfiguration auch zwischen den Buchsen rot und schwarz messen.

  • Den Strom des Gastgerätes messen.

    Sofern eine Spannung anliegt, ist es auch möglich, den Stromverbrauch des Gastgerätes zu ermitteln. Als Gastgerät ist das am Tester angeschlossene Gerät gemeint. Um den Strom zu messen, verwendet man die Buchsen rot und gelb. Die rote Buchse ist der Eingang der Stromversorgung und die gelbe Buchse der Ausgang der Stromversorgung. Der rote Kippschalter verbindet, oder trennt die rote und gelbe Buchse. Zur Messung des Stromes sollte der rote Kippschalter auf aus gestellt sein.

  • USB-Gerät simulieren.

    Der silberne Schalter K1 stellt die USB Simulation ein.

    • In der Stellung 2.0 verbindet es die Betriebsspannung über ein 1,5K Widerstand mit dem D+ Leiter. Damit simuliert es ein USB 2.0 Gerät.
    • In der Stellung 1.1 verbindet es auf gleiche Weise den D- Leiter und simuliert ein USB 1.1 Gerät.
    • In der Mittelstellung ist die Simulation ausgeschaltet.

    Windows hat keine eingebaute Fähigkeit die Art des Gerätes zu erkennen. Nur das es da ist. Unter Linux kann man mit dem Befehl watch 'dmesg | tail' die Art des Gerätes problemlos ermitteln.

  • Anschluss eines Gastgerätes.

    Wenn ein Gastgerät an den Ausgang angeschlossen wird und der rote Schalter K2 auf ein steht, wird das Gastgerät direkt mit dem Hostgerät verbunden.

    Wenn der rote Schalter K2 aus ist, kann man mit einem Ampere-Meter, welches an den Buchsen rot und gelb angeschlossen ist, sehen, welcher Strom vom Gastgerät aufgenommen wird.

    Alternativ kann man auch die Spannung vom Gastgerät ermitteln, wenn es eine eigene Stromversorgung hat. Zum Beispiel ein aktiver USB-Hub. Dazu muss der rote Schalter K2 auf aus sein. Die Spannung kann man nun über die Buchsen gelb und schwarz messen und muss unter 5,25V sein.

Versuchsaufbau

usbvt2a0.jpg
Abb. 2a: Versuchsaufbau. Für eine größere Darstellung das Bild anklicken.

Es wurde ein Versuchsaufbau gemacht, siehe Abb. 2a. Dabei wurden zwei USB-Sticks und ein USB-Floppy-Laufwerk zur Messung angeschlossen. Die Spannung blieb bei normativen 5V.

  1. Es wurde ein 512 MByte USB-Stick gemessen. Dieses Gerät wies allerdings technische Fehler auf:

    • Strom im Ruhezustand: 46-51mA
    • Strom bei Zugriff auf den Datenträger: ~90mA
  2. Ein weiterer USB-Stick wurde gemessen:

    • Strom im Ruhezustand: 30 mA
    • Strom bei Zugriff auf den Datenträger: 49mA
  3. Das USB-Floppy-Laufwerk wurde gemessen:

    • Strom im Ruhezustand: 10mA
    • Strom bei Zugriff auf den Datenträger: 180-250mA

Schaltplan

     IN                                           OUT
                                        Buchsen
     rt     Sicherung                  rt     gb   rt
Vcc  o-------o \_/o------o-------o------o     o-----o  Vcc
                         |       |      |  T Ein/Aus
                        .-.     .-.     | --- |
     gn         330 Ohm | |     | |1K5  o-o o-o    gn
 D+  o------------------|-|-----|-|---o-------------o  D+
                        '-'     '-'   o
                         |       'o---- 3 Stellen
     ws                  |            o Umschalter ws
 D-  o-------------------|------------o-------------o  D-
                     LED V ->
                     rt  -
     sw                  |              sw         sw
GND  o-------------------o--------------o-----------o  GND
                                     Buchse
    

Stückliste

  • 1x Widerstand 1,5 kOhm
  • 1x Widerstand 330 Ohm
  • 1x LED in Rot 1,8V
  • 1x Sicherung + Halterung für 240V/0,5A
  • 3x Lötnägel + Stecker 7x1mm & 9x1,3mm
  • 3x Buchsen in jeweils Rot, Gelb und Schwarz
  • 1x USB-Verlängerung 2m
  • 1x silberner 3-Stellen-Schalter
  • 1x roter 2-Stellen-Schalter
  • 1x Platine
  • 1x Gehäuse
  • 2x Zugentlastung

Aufgabe

USB-Tester v1.1 mit Verbindungserkennung:

Die Idee basiert auf eine nicht mehr bekannte Literaturstelle aus einer Zeitschrift. Die technischen Daten wurden aber auch im Buch USB 1.1 von Hans Joachim Kelm (/108/ S. 045 ff., 2.3.2 Connect- und Disconnect-Erkennung) gefunden.

  • Test der Funktion, d.h. Windows oder ... würde nach einem neuen Treiber für das Gerät fragen, wenn
    • USB v1.1 mit Low-, bzw. Full-Speed: Vcc über 1,5kOhm an D- oder
    • USB v2.0 mit High-Speed: Vcc über 1,5kOhm an D+
    verbunden ist!
  • Anzeige der Betriebsspannung durch eine LED.
  • Betriebsspannung des USB-Eingangs vom Typ B auf zwei Messpunkte führen. Ebenso den positiven Betriebsspannungskontakt des USB-Ausgangs. Dadurch besteht die Möglichkeit, den Stromfluss zwischen Eingang und Ausgang zu messen, um so den Verbrauch des angeschlossenen USB-Gerätes zu ermitteln.
  • Dokumentation des Schaltungsaufbaus, der Handhabung und der Funktion.

PS: Auf eine Notstromversorgung 5V/500mA wird verzichtet, da bereits viele preiswerte USB-Hub's mit integrierter Stromversorgung auf dem Markt sind.

Voraussetzung:

  • Grundkenntnisse der Elektronik (Widerstand, Kondensator, Spule, Diode, Transistor) und des Schaltplanentwurfs auf Papier;
  • handwerkliche Fähigkeit bzgl. Löten

und ein Zeitraum von 3 bis max. 10 Tage.