如何利用工業(yè) USB-C 電纜確?；ゲ僮餍?、降低成本并提高可靠性

作者：Bill Giovino

工業(yè)設(shè)施已變成一個(gè)越來(lái)越復(fù)雜的線纜網(wǎng)絡(luò)，除了數(shù)字電子互連器件之外，還包括物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 節(jié)點(diǎn)的互聯(lián)。雖然數(shù)字網(wǎng)絡(luò)已利用以太網(wǎng)、BACnet等有線協(xié)議和 Wi-Fi、藍(lán)牙等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，但單板計(jì)算機(jī) （SBC） 或可編程邏輯控制器 （PLC）等控制計(jì)算機(jī)與傳感器或致動(dòng)器等外設(shè)之間的數(shù)字互連器件卻千差萬(wàn)別。

更讓人困惑的是，互連器件使用各種各樣的電纜、連接器和引腳分配，這些看上去非常相似，卻又完全不兼容。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員有責(zé)任減少這些不兼容性并確?；ゲ僮餍?，同時(shí)還要降低成本，加快系統(tǒng)組裝并提高可靠性；即使在惡劣的工業(yè)環(huán)境條件下亦是如此。若要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，一種方法是對(duì)IP67 或 IP68 等級(jí)的 USB-C 電纜組件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。如此即可改進(jìn)各種設(shè)備間的電纜組件兼容性，這就能讓技術(shù)人員更輕松。

本文介紹工業(yè)應(yīng)用中的數(shù)字互連器件問(wèn)題，以及如何通過(guò)對(duì) USB-C 電纜和連接器進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單數(shù)字互連器件，來(lái)解決其中諸多問(wèn)題。然后，本文介紹PEI-Genesis、Amphenol LTW 和 Bulgin 的各種 USB-C 連接器和電纜組件及其獨(dú)有特點(diǎn)，包括 IP67合規(guī)性。最后討論它們?nèi)绾螢橛?jì)算機(jī)到傳感器/致動(dòng)器應(yīng)用提供無(wú)處不在的可靠且穩(wěn)健的連接。

工業(yè)自動(dòng)化中的數(shù)字互連器件

工業(yè)設(shè)備是由控制計(jì)算機(jī)管理，后者可以是 SBC、PLC或附近的筆記本電腦?？刂朴?jì)算機(jī)經(jīng)常連接到工業(yè)設(shè)備所需的附近設(shè)備，這些設(shè)備可以泛稱(chēng)為傳感器，包括開(kāi)關(guān)、光學(xué)和環(huán)境傳感器，另外還有電機(jī)、螺線管或燈等致動(dòng)器。對(duì)于大多數(shù)重型工業(yè)設(shè)備，設(shè)備制造商的設(shè)計(jì)人員會(huì)選擇用于電纜端的連接器類(lèi)型，并選擇所使用的電氣協(xié)議。對(duì)于定制工業(yè)控制，工程師和技術(shù)人員會(huì)選擇并安裝計(jì)算機(jī)、致動(dòng)器、傳感器、連接器和電纜。一旦選定連接器類(lèi)型和電氣協(xié)議，這些之后就無(wú)法更改，因?yàn)橹匦逻m配過(guò)程會(huì)很漫長(zhǎng)且昂貴。因此，當(dāng)規(guī)劃工業(yè)運(yùn)營(yíng)時(shí)，必須在設(shè)計(jì)流程的很早期就決定傳感器和致動(dòng)器使用的數(shù)字互連器件類(lèi)型。與任何廣泛使用互連數(shù)字系統(tǒng)的系統(tǒng)一樣，運(yùn)行規(guī)模越大，對(duì)設(shè)備（包括電纜）進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化可以節(jié)省的時(shí)間和金錢(qián)就越多。

在設(shè)置或重新配置設(shè)備時(shí)，技術(shù)人員必須有現(xiàn)成的適當(dāng)電纜和兼容的連接器端接可用。乍一看，兩種電氣不兼容的電纜組件可能貌似相同，甚至可能有看上去能夠配接的相似連接器，但實(shí)際上并非如此。這種非顯而易見(jiàn)的兼容性問(wèn)題會(huì)給技術(shù)人員造成挫折，并導(dǎo)致系統(tǒng)部署延遲。即使使用適當(dāng)?shù)碾娎|，也可能需要多次嘗試才能將電纜上的不可逆鍵合連接器正確定位到設(shè)備上，以確保穩(wěn)固連接。在低光環(huán)境或部署速度至關(guān)重要的情況下，對(duì)一種電纜組件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化可以減少挫折感，同時(shí)確保機(jī)器之間的互操作性。這不僅節(jié)省時(shí)間，還能節(jié)省成本，因?yàn)榭梢耘抠?gòu)買(mǎi)電纜組件。

利用 USB-C 實(shí)現(xiàn)數(shù)字互連的優(yōu)勢(shì)

USB-C 電纜組件適用于工業(yè)設(shè)備之間的大多數(shù)應(yīng)用，可解決無(wú)處不在的數(shù)字互連問(wèn)題。USB-C插頭和插座是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的無(wú)鍵雙面刀片式連接器，可確保首次插入即牢固連接，從而節(jié)省時(shí)間并減少挫折感，技術(shù)人員再也不需要幾經(jīng)摸索才能正確定位鍵控連接器。USB-C電纜還有附加優(yōu)勢(shì)，可以為傳感器或致動(dòng)器提供電源。

工業(yè)設(shè)施可以對(duì)控制計(jì)算機(jī)與傳感器和致動(dòng)器之間的大多數(shù)數(shù)字互連器件采用的 USB-C 電纜和連接器進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，簡(jiǎn)化電纜組件庫(kù)存管理和連接器的互操作性。工業(yè)IP67 USB-C 電纜和連接器是重型產(chǎn)品，可以經(jīng)受惡劣的工業(yè)設(shè)施環(huán)境中常見(jiàn)的高溫、溶劑和液體影響。USB-C工業(yè)電纜還能最大限度減少電力和信號(hào)損失，并且對(duì)不當(dāng)彎曲和扭曲力的耐受程度更高。

USB-C 連接器支持 USB 2.0 和 USB 3.1。USB-C 標(biāo)準(zhǔn)要求 USB 3.1 端口和電纜組件向后兼容 USB 2.0 480 Mb/s的速度。這樣 USB 2.0 端口可以使用與 USB 3.1 相同的電纜組件，從而防止兼容性問(wèn)題。然而，USB 3.1 支持的速度要高得多。USB 3.1 第1 代電纜組件支持高達(dá) 5 Gb/s 的速度，USB 第 2 代電纜組件支持高達(dá) 10 Gb/s 的速度。為了識(shí)別傳輸速度，USB 規(guī)格要求兩端帶有 USB-C連接器的電纜組件在連接器外殼中嵌入電子標(biāo)記芯片，以明確電纜組件的最大功率和數(shù)據(jù)傳輸速度。電子標(biāo)記芯片中的數(shù)據(jù)在首次插入時(shí)由 USB 主機(jī)讀取，告知 USB主機(jī)該電纜的最大傳輸速度，以確保 USB 主機(jī)正確發(fā)送數(shù)據(jù)。只支持 USB 2.0 速度的 USB-C 電纜組件不需要電子標(biāo)記芯片，因此如未發(fā)送芯片數(shù)據(jù)，USB
主機(jī)將以 480 Mb/s 的速度發(fā)送數(shù)據(jù)。

USB-C 標(biāo)準(zhǔn)允許的最大功率輸送為 5 V DC 和 3 A，總功率為 15 W。這是常見(jiàn) USB 電纜組件的標(biāo)準(zhǔn)。不過(guò)，USB 3.1 第 1代及以后的規(guī)格允許以 20 V 和 5 A 提供 100 W 功率。為 USB 3.1 功率輸送而設(shè)計(jì)的 USB-C電纜組件必須包含可識(shí)別功率輸送容量的電子標(biāo)記芯片，否則 USB 主機(jī)將默認(rèn)其為 15 W。這樣可防止因功率過(guò)載而破壞電纜，從而提高安全性。

雖然這里關(guān)注的是數(shù)字互連器件的 USB-C 電纜組件標(biāo)準(zhǔn)化，但需要知道有三種電纜組件容量：

USB 2.0 模式：無(wú)電子標(biāo)記，可提供 15 W 的功率和 480 Mb/s 的數(shù)據(jù)

USB 3.1 第 1 代：電子標(biāo)記，提供 100 W 的功率和 5 Gb/s 的數(shù)據(jù)

USB 3.1 第 2 代：電子標(biāo)記，提供 100 W 的功率和 10 Gb/s 的數(shù)據(jù)

如果較低容量的 USB-C 電纜與正確配置的較高容量 USB-C 主機(jī)和器件一起使用，USB主機(jī)將把電源和數(shù)據(jù)限制到較低容量。這樣可防止電纜上的功率過(guò)載，從而提高安全性，同時(shí)確保數(shù)據(jù)速率兼容以提高可靠性。工業(yè)設(shè)施可以只使用提供最大要求功率和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步簡(jiǎn)化操作。除非工業(yè)自動(dòng)化設(shè)施要進(jìn)行高速數(shù)據(jù)操作，如傳輸實(shí)時(shí)視頻流，否則對(duì)USB 3.1 第 1 代電纜組件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化就是保險(xiǎn)的選擇。通常，5 Gb/s USB 3.1 第 1 代規(guī)定電纜最長(zhǎng)為 2m，這足以讓控制計(jì)算機(jī)連接到附近的傳感器和致動(dòng)器。如果需要可靠地發(fā)送 10 Gb/s 數(shù)據(jù)，USB 3.1 第 2 代規(guī)定電纜最長(zhǎng)為 1m。若通過(guò)更長(zhǎng)的電纜發(fā)送 10 Gb/s 數(shù)據(jù)，由于信號(hào)反射或衰減，電纜上的數(shù)據(jù)可能會(huì)丟失。

USB-C 電纜組件

對(duì)于想要在惡劣環(huán)境下發(fā)送高速數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)人員，有許多堅(jiān)固可靠的解決方案可供選擇。例如，PEI-Genesis 提供 IPUSB-31WPCPC-1MSure Seal IP67 USB 3.1 第 2 代電纜組件（圖 1）。該電纜長(zhǎng) 1 米，額定工作溫度為 -20°C 至+85°C，適合大多數(shù)惡劣的工業(yè)環(huán)境。電纜護(hù)套由聚氯乙烯 （PVC） 樹(shù)脂制成，具有良好的耐水性和抗紫外線 （UV）能力。商用護(hù)套長(zhǎng)期暴露于陽(yáng)光下會(huì)出現(xiàn)裂紋或變色。

IPUSB-31WPCPC-1M 的一端由 PVC 樹(shù)脂模制而成，具有標(biāo)準(zhǔn) USB-C 插頭連接器和不銹鋼 USB-C 插頭。這一端連接到 SBC 或PLC 上的 USB 主機(jī)連接器。另一端有密封模壓插頭，附帶尼龍鎖緊螺母和橡膠襯墊。這為與傳感器或致動(dòng)器的連接提供牢固安全的 IP67 密封。

Sure Seal IPUSB-31WPCPC-1M 含有嵌入式電子標(biāo)記芯片，用于向所連接設(shè)備表明其容量。電子標(biāo)記芯片可在電纜組件的 -20°C 至+85°C 的完整溫度范圍內(nèi)工作。這樣可確保即使在任一極端溫度下打開(kāi)設(shè)備，電纜也能被正確識(shí)別。

極端環(huán)境下的 USB-C 連接

針對(duì)極端惡劣的環(huán)境，Amphenol LTW 提供 1 m 長(zhǎng) USB-C 電纜組件 UC30FL-NCML-SC01（圖 2）。整條電纜以聚丙烯塑料（PP）導(dǎo)管所包覆，以提供額外保護(hù)，防止受到?jīng)_擊、切割力和轉(zhuǎn)角處彎曲應(yīng)變的影響。在極端振動(dòng)情況下，導(dǎo)管也能為其中包裹的電纜提供保護(hù)。導(dǎo)管被粘在電纜兩端，不能拆除。

電纜組件的一端帶有常見(jiàn) USB-C 主機(jī)連接器，可插入 USB主機(jī)。另一端帶有重型圓形連接器；該連接器具有增強(qiáng)的防拉特性，并有一個(gè)密封模制插頭和用尼龍鎖緊螺母固定的硅膠襯墊，以提供防水性和良好的氣密性，能夠耐受大多數(shù)化學(xué)品。該電纜和圓形連接器達(dá)到IP67 等級(jí)，無(wú)論是否配接都能保護(hù)圓形 USB-C 插頭不受環(huán)境影響，即使在未連接時(shí)也能提供保護(hù)。

UC30FL-NCML-SC01 防火性能達(dá)到 UL94V-0，即 PP 電纜可以承受 10 秒火焰。PP 電纜還耐油、汽油和大多數(shù)溶劑。每個(gè)插頭都能在-40°C 至 +85°C 范圍內(nèi)工作，尼龍鎖緊螺母和 PP 導(dǎo)管可以承受更高的溫度，從 -40°C 至+115°C。因此，這種電纜組件特別適合于連接工業(yè)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的傳感器和致動(dòng)器。

內(nèi)嵌電子標(biāo)記芯片標(biāo)明電纜支持 5 Gb/s 數(shù)據(jù)傳輸，適合于需要不斷監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行以最大限度提高效率的高速汽油發(fā)電機(jī)。

海洋應(yīng)用中的 USB 傳感器

在某些情況下，設(shè)備的控制計(jì)算機(jī)有 USB-A 接口，但需要連接到 USB-C 接口。這時(shí)需要電纜，如 Bulgin 的 PXP4040/C/A/2M00USB-A 轉(zhuǎn) USB-C 電纜組件（圖 3）。這種電纜一端有 USB-A 插頭，另一端有圓形 USB-C 插頭，工作溫度在 -40°C 至 +80°C之間。在 10 m 深水中浸泡兩周后，USB-C 連接器和電纜依然能正常使用。它還耐鹽水，適合于海洋設(shè)備，包括油輪和貨輪上的工業(yè)機(jī)械。除 USB-A連接器的等級(jí)為 IP66 外，電纜組件的等級(jí)為 IP68。

Bulgin 的 PXP4040/C/A/2M00 防燃等級(jí)達(dá)到 UL94V-0。電纜護(hù)套由 PVC 樹(shù)脂制成，適合海上甲板應(yīng)用。

USB-C 電纜外殼由聚碳酸酯-聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯 （PC/PBT） 制成，這是一種通常用于汽車(chē)保險(xiǎn)杠的高強(qiáng)度材料。PC/PBT連接器外殼具有很高的耐化學(xué)性，并具有足夠的柔韌性，可在低至 -40°C 低溫環(huán)境下承受高沖擊。即使受到大力沖擊，連接器也不會(huì)破碎，只會(huì)輕微開(kāi)裂。這就為 USB安全傳感器提供了防破壞能力，包括防凍結(jié)攻擊，即連接器被快速冰凍，然后用錘子敲打。

USB-C 規(guī)格不允許將電子標(biāo)記芯片嵌入一端為 USB-A 插頭的電纜中。該電纜組件額定提供高達(dá) 5 A 的電流，并在 2 m 長(zhǎng)度上支持高達(dá) 5Gb/s 的數(shù)據(jù)速率，但一些 USB-C 外設(shè)可能發(fā)現(xiàn)沒(méi)有電子標(biāo)記芯片，因而默認(rèn)采用 480 Mb/s 的傳輸速率。

結(jié)語(yǔ)

對(duì)工業(yè)環(huán)境中用于數(shù)字互連的 USB-C 電纜組件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，可簡(jiǎn)化電纜庫(kù)存管理，并且由于插頭和插座采用旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)，連接工作也能快速方便地進(jìn)行。USB-C電纜可以向主控計(jì)算機(jī)表明其功率和數(shù)據(jù)傳輸能力，以防數(shù)據(jù)丟失和危險(xiǎn)的功率過(guò)載情況。在工業(yè)系統(tǒng)中正確選擇和使用適當(dāng)?shù)?USB-C電纜組件，還能提高可靠性，減少維護(hù)工作，并降低總體成本。