如何利用工业USB-C电缆确保互操作性、降低成本并提高可靠性
发布时间：2022-2-11 11:44
发布者：eechina
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工业设施已变成一个越来越复杂的线缆网络，除了数字电子互连器件之外，还包括物联网 (IoT) 节点的互联。虽然数字网络已利用以太网、BACnet 等有线协议和 Wi-Fi、蓝牙等无线网络协议实现标准化，但单板计算机 (SBC) 或可编程逻辑控制器 (PLC) 等控制计算机与传感器或致动器等外设之间的数字互连器件却千差万别。 更让人困惑的是，互连器件使用各种各样的电缆、连接器和引脚分配，这些看上去非常相似，却又完全不兼容。 系统设计人员有责任减少这些不兼容性并确保互操作性，同时还要降低成本，加快系统组装并提高可靠性；即使在恶劣的工业环境条件下亦是如此。若要实现这一目标，一种方法是对 IP67 或 IP68 等级的 USB-C 电缆组件进行标准化。如此即可改进各种设备间的电缆组件兼容性，这就能让技术人员更轻松。 本文介绍工业应用中的数字互连器件问题，以及如何通过对 USB-C 电缆和连接器进行标准化以实现简单数字互连器件，来解决其中诸多问题。然后，本文介绍 PEI-Genesis、Amphenol LTW 和 Bulgin 的各种 USB-C 连接器和电缆组件及其独有特点，包括 IP67 合规性。最后讨论它们如何为计算机到传感器/致动器应用提供无处不在的可靠且稳健的连接。 工业自动化中的数字互连器件 工业设备是由控制计算机管理，后者可以是 SBC、PLC 或附近的笔记本电脑。控制计算机经常连接到工业设备所需的附近设备，这些设备可以泛称为传感器，包括开关、光学和环境传感器，另外还有电机、螺线管或灯等致动器。对于大多数重型工业设备，设备制造商的设计人员会选择用于电缆端的连接器类型，并选择所使用的电气协议。对于定制工业控制，工程师和技术人员会选择并安装计算机、致动器、传感器、连接器和电缆。一旦选定连接器类型和电气协议，这些之后就无法更改，因为重新适配过程会很漫长且昂贵。因此，当规划工业运营时，必须在设计流程的很早期就决定传感器和致动器使用的数字互连器件类型。与任何广泛使用互连数字系统的系统一样，运行规模越大，对设备（包括电缆）进行标准化可以节省的时间和金钱就越多。 在设置或重新配置设备时，技术人员必须有现成的适当电缆和兼容的连接器端接可用。乍一看，两种电气不兼容的电缆组件可能貌似相同，甚至可能有看上去能够配接的相似连接器，但实际上并非如此。这种非显而易见的兼容性问题会给技术人员造成挫折，并导致系统部署延迟。即使使用适当的电缆，也可能需要多次尝试才能将电缆上的不可逆键合连接器正确定位到设备上，以确保稳固连接。在低光环境或部署速度至关重要的情况下，对一种电缆组件进行标准化可以减少挫折感，同时确保机器之间的互操作性。这不仅节省时间，还能节省成本，因为可以批量购买电缆组件。 利用 USB-C 实现数字互连的优势 USB-C 电缆组件适用于工业设备之间的大多数应用，可解决无处不在的数字互连问题。USB-C 插头和插座是旋转对称的无键双面刀片式连接器，可确保首次插入即牢固连接，从而节省时间并减少挫折感，技术人员再也不需要几经摸索才能正确定位键控连接器。USB-C 电缆还有附加优势，可以为传感器或致动器提供电源。 工业设施可以对控制计算机与传感器和致动器之间的大多数数字互连器件采用的 USB-C 电缆和连接器进行标准化，简化电缆组件库存管理和连接器的互操作性。工业 IP67 USB-C 电缆和连接器是重型产品，可以经受恶劣的工业设施环境中常见的高温、溶剂和液体影响。USB-C 工业电缆还能最大限度减少电力和信号损失，并且对不当弯曲和扭曲力的耐受程度更高。 USB-C 连接器支持 USB 2.0 和 USB 3.1。USB-C 标准要求 USB 3.1 端口和电缆组件向后兼容 USB 2.0 480 Mb/s 的速度。这样 USB 2.0 端口可以使用与 USB 3.1 相同的电缆组件，从而防止兼容性问题。然而，USB 3.1 支持的速度要高得多。USB 3.1 第 1 代电缆组件支持高达 5 Gb/s 的速度，USB 第 2 代电缆组件支持高达 10 Gb/s 的速度。为了识别传输速度，USB 规格要求两端带有 USB-C 连接器的电缆组件在连接器外壳中嵌入电子标记芯片，以明确电缆组件的最大功率和数据传输速度。电子标记芯片中的数据在首次插入时由 USB 主机读取，告知 USB 主机该电缆的最大传输速度，以确保 USB 主机正确发送数据。只支持 USB 2.0 速度的 USB-C 电缆组件不需要电子标记芯片，因此如未发送芯片数据，USB 主机将以 480 Mb/s 的速度发送数据。 USB-C 标准允许的最大功率输送为 5 V DC 和 3 A，总功率为 15 W。这是常见 USB 电缆组件的标准。不过，USB 3.1 第 1 代及以后的规格允许以 20 V 和 5 A 提供 100 W 功率。为 USB 3.1 功率输送而设计的 USB-C 电缆组件必须包含可识别功率输送容量的电子标记芯片，否则 USB 主机将默认其为 15 W。这样可防止因功率过载而破坏电缆，从而提高安全性。 虽然这里关注的是数字互连器件的 USB-C 电缆组件标准化，但需要知道有三种电缆组件容量： USB 2.0 模式：无电子标记，可提供 15 W 的功率和 480 Mb/s 的数据 USB 3.1 第 1 代：电子标记，提供 100 W 的功率和 5 Gb/s 的数据 USB 3.1 第 2 代：电子标记，提供 100 W 的功率和 10 Gb/s 的数据 如果较低容量的 USB-C 电缆与正确配置的较高容量 USB-C 主机和器件一起使用，USB 主机将把电源和数据限制到较低容量。这样可防止电缆上的功率过载，从而提高安全性，同时确保数据速率兼容以提高可靠性。工业设施可以只使用提供最大要求功率和数据传输的标准来实现进一步简化操作。除非工业自动化设施要进行高速数据操作，如传输实时视频流，否则对 USB 3.1 第 1 代电缆组件进行标准化就是保险的选择。通常，5 Gb/s USB 3.1 第 1 代规定电缆最长为 2 m，这足以让控制计算机连接到附近的传感器和致动器。如果需要可靠地发送 10 Gb/s 数据，USB 3.1 第 2 代规定电缆最长为 1 m。若通过更长的电缆发送 10 Gb/s 数据，由于信号反射或衰减，电缆上的数据可能会丢失。 USB-C 电缆组件 对于想要在恶劣环境下发送高速数据的设计人员，有许多坚固可靠的解决方案可供选择。例如，PEI-Genesis 提供 IPUSB-31WPCPC-1M Sure Seal IP67 USB 3.1 第 2 代电缆组件（图 1）。该电缆长 1 米，额定工作温度为 -20°C 至 +85°C，适合大多数恶劣的工业环境。电缆护套由聚氯乙烯 (PVC) 树脂制成，具有良好的耐水性和抗紫外线 (UV) 能力。商用护套长期暴露于阳光下会出现裂纹或变色。 
图 1：Sure Seal IPUSB-31WPCPC-1M 是专为工业应用制造的 1 m 长 USB-C 电缆组件。连接器附带锁紧螺母衬垫，能够与传感器或致动器进行安全的 IP67 防水连接。所示尺寸以毫米为单位。（图片来源：PEI-Genesis） IPUSB-31WPCPC-1M 的一端由 PVC 树脂模制而成，具有标准 USB-C 插头连接器和不锈钢 USB-C 插头。这一端连接到 SBC 或 PLC 上的 USB 主机连接器。另一端有密封模压插头，附带尼龙锁紧螺母和橡胶衬垫。这为与传感器或致动器的连接提供牢固安全的 IP67 密封。 Sure Seal IPUSB-31WPCPC-1M 含有嵌入式电子标记芯片，用于向所连接设备表明其容量。电子标记芯片可在电缆组件的 -20°C 至 +85°C 的完整温度范围内工作。这样可确保即使在任一极端温度下打开设备，电缆也能被正确识别。 极端环境下的 USB-C 连接 针对极端恶劣的环境，Amphenol LTW 提供 1 m 长 USB-C 电缆组件 UC30FL-NCML-SC01（图 2）。整条电缆以聚丙烯塑料 (PP) 导管所包覆，以提供额外保护，防止受到冲击、切割力和转角处弯曲应变的影响。在极端振动情况下，导管也能为其中包裹的电缆提供保护。导管被粘在电缆两端，不能拆除。 
图 2：UC30FL-NCML-SC01 USB-C 电缆组件包裹在 PP 导管中，从而免受冲击和剧烈振动的影响。尺寸以毫米为单位。（图片来源：Amphenol LTW） 电缆组件的一端带有常见 USB-C 主机连接器，可插入 USB 主机。另一端带有重型圆形连接器；该连接器具有增强的防拉特性，并有一个密封模制插头和用尼龙锁紧螺母固定的硅胶衬垫，以提供防水性和良好的气密性，能够耐受大多数化学品。该电缆和圆形连接器达到 IP67 等级，无论是否配接都能保护圆形 USB-C 插头不受环境影响，即使在未连接时也能提供保护。 UC30FL-NCML-SC01 防火性能达到 UL94V-0，即 PP 电缆可以承受 10 秒火焰。PP 电缆还耐油、汽油和大多数溶剂。每个插头都能在 -40°C 至 +85°C 范围内工作，尼龙锁紧螺母和 PP 导管可以承受更高的温度，从 -40°C 至 +115°C。因此，这种电缆组件特别适合于连接工业汽油发动机和发电机的传感器和致动器。 内嵌电子标记芯片标明电缆支持 5 Gb/s 数据传输，适合于需要不断监测发动机运行以最大限度提高效率的高速汽油发电机。 海洋应用中的 USB 传感器 在某些情况下，设备的控制计算机有 USB-A 接口，但需要连接到 USB-C 接口。这时需要电缆，如 Bulgin 的 PXP4040/C/A/2M00 USB-A 转 USB-C 电缆组件（图 3）。这种电缆一端有 USB-A 插头，另一端有圆形 USB-C 插头，工作温度在 -40°C 至 +80°C 之间。在 10 m 深水中浸泡两周后，USB-C 连接器和电缆依然能正常使用。它还耐盐水，适合于海洋设备，包括油轮和货轮上的工业机械。除 USB-A 连接器的等级为 IP66 外，电缆组件的等级为 IP68。 
图 3：PXP4040/C/A/2M00 的一端为 USB-A 插头，另一端为 USB-C 插头。它耐盐水，USB-C 插头在 10 m 深水中浸泡两周依然能正常使用。（图片来源：Bulgin） Bulgin 的 PXP4040/C/A/2M00 防燃等级达到 UL94V-0。电缆护套由 PVC 树脂制成，适合海上甲板应用。 USB-C 电缆外壳由聚碳酸酯-聚对苯二甲酸丁二醇酯 (PC/PBT) 制成，这是一种通常用于汽车保险杠的高强度材料。PC/PBT 连接器外壳具有很高的耐化学性，并具有足够的柔韧性，可在低至 -40°C 低温环境下承受高冲击。即使受到大力冲击，连接器也不会破碎，只会轻微开裂。这就为 USB 安全传感器提供了防破坏能力，包括防冻结攻击，即连接器被快速冰冻，然后用锤子敲打。 USB-C 规格不允许将电子标记芯片嵌入一端为 USB-A 插头的电缆中。该电缆组件额定提供高达 5 A 的电流，并在 2 m 长度上支持高达 5 Gb/s 的数据速率，但一些 USB-C 外设可能发现没有电子标记芯片，因而默认采用 480 Mb/s 的传输速率。 结语 对工业环境中用于数字互连的 USB-C 电缆组件进行标准化，可简化电缆库存管理，并且由于插头和插座采用旋转对称设计，连接工作也能快速方便地进行。USB-C 电缆可以向主控计算机表明其功率和数据传输能力，以防数据丢失和危险的功率过载情况。在工业系统中正确选择和使用适当的 USB-C 电缆组件，还能提高可靠性，减少维护工作，并降低总体成本。 来源：Digi-Key 作者：Bill Giovino |
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