この記事は
WMMC Advent calendar 2020 の1日目の記事です。
当方は素人で、内容についての厳密性などが欠けていることがありますのでご了承ください。
一応ためになるケーブルとコネクタの話 USB編 - Qiita
こちらのブログに合わせた表記をするようにはしております。
また、そんなに深いところまでやらないので。ご了承ください。
0.開催の辞
皆様ご無沙汰しております。
今年、突然感染症が世界を大きく変えました。開催される予定だった日本オリンピックは延期、経済への大ダメージ、医療関係者の悲鳴が常に聞こえる、そんな年でした。皆様方も新型コロナウイルスの影響で大変な状況となっていらっしゃることと存じ心よりお見舞い申し上げます。
さて話はサークルの方に移るんですが、僕は昨年度からあまりサークルに顔を出してなかったのですが、最後にこう言う形でサークルのイベントを僕から提案、企画させていただいた次第です。
まぁこの calendarには多分複数回ところどころに僕が頻出すると思うんですが、後輩を中心に好きなことについて書いてもらいつつ、外部の皆様と親交を深めていって欲しいな〜って思います。
では、これからの25日間、部員の皆様には年末のお忙しい中申し訳ないですがブログの方何卒よろしくお願いします
1.まずはじめに
で、初回なので少しお堅めにブログを書くことにして USBについての記事でも書きます。
話の発端は先日、あまり大声で言えませんが
けんきうしつのお高いデバイスのUSB端子部分を破損し、大いに反省しつつも償いのつもりでUSB端子の修理をしておりました…
その際、USB端子の議論が出たのでその時のお話です。
p.s 修理はできませんでした。🙇♂️(ここテストに出るぞ)
とまぁ、USBケーブルって日常的によく使いますよね。
iPhoneの充電など、生活にかかせません。
そんな身近なUSBという規格だからこそ、すこし理解を深めておくことは損ではないです。よね？
1.1 USBとは？
USBとはコンピュータとその周辺機器を繋ぐための統一規格のことです。
昔は周辺機器(以後ペリフェラル)毎に特定のコネクタを繋ぐ必要がありましたがそれは不便です。だからこそ、この規格が完成し、ここまでの汎用性を有するようになったのです。
USBについてですが、ちなむと今現在流通しているものは
USB-2.0かUSB3.0かUSB-3.1、USB-3.2のあたりでしょう…多分。(ちなむとUSB-3.1はGen1
とGen2で違う種類となっております)
このUSBにくっついてる数字は規格バージョンのことです。バージョンが新しいものほど通信速度が速く、また給電電流が増加しています。
例としてUSB-3.0を挙げると、
USB-3.0は通信速度が5Gbpsであり、2.0の10倍早い通信速度となっています。また、供給電流も1Aに近く、2.0の約2倍までに増加しています。
USB-3.xの簡単な見分け方として、
USB端子の断面が青いものは3.xであるらしいです。
他にも
下図のように端子にあるマークでも分類が可能であるらしいです。
(引用:『USB』の違いってなに？Lightning、Type-C、USB3.0、micro USBなど各ケーブルと対応機種は…｜TIME＆SPACE by KDDI)(2020,11/29現在)
以上のような分類ができるとのことですが、中には上のような特徴がないものもあり、最終的な確認には仕様書を読んでいただきたいです。
機会があればお家にあるUSB端子の断面を是非とも見てみてほしいですね〜。
1.2USB端子の種類
(引用:今更聞けない基礎知識・USBの種類とは？｜テックウインド株式会社) (2020,11/29現在)
まぁとりあえず正直どれがどうとか言うのが面倒なので上の画像を見ながらある程度把握していってください。はい。
まず基本的に断面形状が長方形のものをType-A、正方形なものをType-B、楕円のものをType-Cといいます。
そして大きさによっても冠言葉が変わります。
一番よく目にするもの(定性、定量的ではないですが筆者的には世間で一番スタンダードなものと認知しています)のサイズを標準とすれば
すこし小さいものをminiシリーズ、さらに小さいものをmicroシリーズと呼びます。
1.3.USBのピンって何なの？
USBのピンが何かって意識することがないですよね。
そもそも知ろうとも思わないかもしれません。
先述したようにUSBにはバージョンがあり、
3.xには線がいっぱいあります。しかし僕がよくわかってないのでこちらに関しては調べてもらえると幸いです。
基本的にピンアサイン4本バージョンとピンアサイン5本バージョンのあるUSB-2.0だけしかあんまりよくわかってないです。はい。
詳しいことは調べてください。
USB-2.0端子(4本ver)
はピンアサインとして
- 5V
- GND(SG)
- D+
- D-
があります。5VピンとGNDはそのままの意味で、
D+とD-は通信線です。
決してレポートの評価ではないです。逆にその場合落単っていう嵐を呼びます🥺
USB-2.0端子(5本ver)
はピンアサインとして
- 5V
- GND(SG)
- D+
- D-
- IDピン
があります。
いやマジでなにこれって感じ。
簡潔に言うと、
これはGNDに落とすかフロートにする(要するにNC)ことでホストとペリフェラルを判別できるようにするピンです。
例えを上げてみましょう。
iPhoneを考えてみます。
iPhoneをUSB経由でパソコンに繋ぐと
パソコン(ホスト)で読み取ることができます。
逆にiPhoneをホストにしてUSBでマウスやキーボード(ペリフェラル)を接続することも考えられます。
このiPhoneを
①ホストにするのか？
②ペリファラルとして使うのか？
を切り替えをするためには適切なケーブルを選んで使う必要があります。そのためにIDピンが必要なのです。
このIDピンによる切り替えをOn the go (OTG)と呼びiPhoneをホストにするためにはこのOTGのケーブルを用意する必要があります。
OTGケーブルとそのほかのケーブルの差、
それこそIDピンがフロートかGNDか
と言うことのようです。SPI通信のNSピンみたいなものですかね？
ちなむとOTGケーブルだとIDピンはGNDと導通してます。
USB-2.0のピンアサインはこんなもんです。
要するに適当にUSB選んでたらやりたいことができない可能性があるってことです。
OTGケーブルについては
で調べました。
んで、オス♂メス♀でのピンアサインを混同しがちなので備忘録として載せておきます。調べた時に出てきたものの中でもここらがわかりやすかったですね…
画像引用:USBコネクタ ピン配置 (ピンアサイン) ケーブル色｜ぴーしーとこうさく
(2020,11/29現在)
↑Type-Cのオス(wiki参照)
↑Type-Cのメス(wiki参照)
PCB設計で個人的に一番よく見るやつ↓
microUSB-b
オスの方だけでも載せておきます。
(上図は僕が作成したので保存、乱用していただいて構いません)
通信線の注意ですが、
D+はD+と、D-はD-同士を繋ぎます。
UARTのTX、RXの知識を得ていると違和感を覚えます…
ここまでUSBについて素人がごちゃごちゃ言ってきましたが、
正確で詳しいことを知りたい方は
現代PCの基礎知識(7):仕様書を紐解くとわかる―本当はややこしいUSB | Think IT（シンクイット）
こちらを参照していただけると幸いです。
2.本題
で、先日プリント基板(以後PCB)にmicro-USB-Type B
をはんだ付けすることがありまして…()
その時、このコネクタの強度を上げるためにはどうすればいいのかを考えました。
そこで、このようなことを考えました。
"USBのメスコネクタのケース(FG)をPCBと無理やりはんだ付けして固定させる"
でも、FG(フレームグラウンド)とSG(シグナルグラウンド)をくっつけていいものか…
と考えました。FGとSGについて、よくわからないひとは検索してみてください。
調べてみるとUSBの規格書には指定は書いてないようで、設計者は状況に応じて落とし方を工夫していました。結局正解はないと言うことがネットから得られたんですが、落とし方については面白かったのでいかに少し紹介します。
①フロート
FGとSGをくっつけることでFGのインピーダンスが低かった場合、そこからノイズが入ってしまい、ノイズがSGに伝わったりするようです。
これを防ぐためにフロートにしてあることがあります。
あとはまぁ感電防止の役割もあるようです。
コモンノードノイズなども考えられます。
ただし、この場合にはフロートだと空気のインピーダンスが大きいためノイズの低減までに時間がかかると言う場面もあるようです。
②FGから1〜10pFのコンデンサを介してSGに落とす
音響などの音質改善のためにFGとSGの間にコンデンサを入れることで周波数特性を改善できるようです。
また、ノイズエネルギーがコンデンサに吸収されて低減するという意見も存在しました。
③FGから抵抗を介してSGに落とす
FGからのノイズの影響をPCBに与えない効果
があるようです。
詳しいことはわかりませんが、基板のキャパシタンスと抵抗によるフィルター回路がノイズの低減に貢献していると言う考えがあるようです。
④普通に繋ぐ
これはSGとFGを繋いじゃうようです。
一点設地にするかしないかも設計者によって異なるようです。
繋ぐと、金属フレームがシールドとなって動作が安定することもある？ようです(よく分からんかった)
結論
むやみに設計者の意図を踏みにじらず、グルーガンなどで強度を強くするのが正解なのかもしれません。また、自分が基板を設計するときは
その場に応じて変更していく必要がありそうです。作ってみてノイジーなら変えてみる可能性を少し脳内に残しておくといいのかもしれませんね。
↓こんな言葉もネットにはありましたし。
余談ですが下の画像のこちらのやつ(ＦＴ−２３２ＲＱ ＵＳＢシリアル変換モジュール: 半導体(モジュール) 秋月電子通商-電子部品・ネット通販)でFGとSGを導通させてもマイコンへの書き込みとかになんら動作に影響はなかったです。
(このコネクタ、逆接めっちゃしやすいんすよね。だからきちんと接続先に逆接対策もしておかないとダメっすね。ただ、逆接対策してるからといって逆接してもいいわけではないっす。先日同期が逆接しても大丈夫って後輩に教えてたのですが逆接しないに越したことないぞ。一応。)
3.最後に
長々と書いてしまいましたねははは。
明日はsophiaさんの記事で
「もしクラシックマウスから車のエンジン音がしたら」です。
遅いマウスから爆音聞こえた時の無駄な割り込み感のシュールさやばそうですね笑
ブログリンクはこちらです
是非ともお楽しみに！
