USB PTT Cable — кабель управления передачей

USB PTT Cable представляет собой гальванически развязанный интерфейс управления передачей, выполненный в виде кабеля, подключаемого к компьютеру через USB-порт.

Практически любой более-менее современный промышленный или самодельный радиолюбительский трансивер имеет возможность управления с помощью компьютера.

В более старых и простых устройствах для передачи команд управления используется цифровой CAT-интерфейс, а звука — аналоговые вход и выход. Подключение такого трансивера к компьютеру зачастую производится через специальный интерфейс с гальванической развязкой. Развязка цифровых цепей осуществляется оптопарами, а звукового сигнала — трансформаторами.

Трансиверы, построенные по технологии SDR, могут совмещать передачу данных CAT-интерфейса и цифрового звука в одном составном USB-устройстве. Подключение подобных трансиверов к компьютеру зачастую производится без развязывающего интерфейса, важно лишь использовать качественный USB-кабель с ферритовыми защелками (а не бутафорскими, как сейчас научились делать в Китае). Впрочем, развязывающий интерфейс на микросхеме типа ADuM3160/4160, как мне кажется, лишним не будет.

Но бывают ситуации, при которых прямое управление переходом на передачу (PTT) с помощью компьютера или другого манипулятора недопустимо! Ярким примером такого случая является использование секвенсора — устройства, осуществляющего последовательную коммутацию внешних устройств с задержкой во времени.

Именно для такого устройства — контроллера усилителя мощности (PA Controller) от VHD Design, и создавался данный кабель. Впрочем, никто не мешает использовать его с другим радиолюбительским и не только радиолюбительским оборудованием.

Что такое PA Controller?

PA Controller — устройство, предназначенное для мониторинга параметров и защиты VHF/UHF усилителя мощности (УМ). Исполняется как в виде отдельного устройства, так и в виде составной части моноблока, содержащего УМ и другие компоненты:

PC Controller следит за температурой выходных транзисторов УМ, управляет работой вентиляторов охлаждения, реализует защиту по превышении температуры и КСВ, а так же имеет цифровой секвенсор для последовательной коммутации внешних устройств.

Работа секвенсора заключается в подаче питания/обхода малошумящего усилителя (МШУ, LNA), коммутации питания и обхода УМ (PA), и переключения трансивера из режима RX в TX и обратно. Задержка в процессе коммутации необходима для перехода устройств и реле в устойчивые состояния.

Более наглядно включение PA Controller’а можно понять из следующей блок-схемы:

В режиме приёма сигнал из антенны поступает на МШУ, усиливается, и в обход УМ приходит на антенный вход трансивера.

В режиме передачи сигнал раскачки поступает на УМ, усиливается, и в обход МШУ поступает в антенну.

Таким образом последовательность коммутации устройств при переходе на передачу будет следующей:

1. Снятие питание с МШУ и включение реле обхода (антенного реле).
2. Отключение обхода УМ и, при необходимости, подача питания на УМ.
3. Подача сигнала PTT на трансивер.

Становится очевидным, что если трансивер будет переведён в режим передачи через CAT-интерфейс (или с помощью тангенты), ВЧ-сигнал с выхода трансивера в обход УМ попадет на выход МШУ. От чего последний, при отсутствии защиты, выйдет строя!

Управление PTT через COM-порт

Существует давно зарекомендовавший себя способ управления PTT — с помощью сигнала DTR или RTS последовательного порта компьютера. Тем более, что практически любое радиолюбительское ПО имеет поддержку такого вида управления.

Но большинство современных компьютеров не имеет аппаратного COM-порта (или же он не выведен на заднюю панель). Следовательно, для управления PTT необходимо использовать какой-нибудь популярный USB-UART преобразователь. И вот здесь-то и начинается всё самое интересное!

Не секрет, что USB-UART конвертеры представляют собой специализированные микроконтроллеры, реализующие логику работы последовательного порта через USB-соединение. И каждый такой микроконтроллер эмулирует работу последовательного порта по-своему. К этому всему может добавляться ещё и конкретная реализация драйверов в конкретной ОС. В итоге, поведение одного и того же преобразователя в разных операционных системах может достаточно сильно отличаться.

Исходя из вышесказанного, возникает необходимость оценить поведение сигналов RTS и DTR у разных микросхем USB-UART преобразователей в разных сценариях использования, после чего выбрать самый подходящий чип.

Тестирование USB-UART преобразователей

В качестве подопытных микросхем были выбраны имеющиеся у меня в наличии платы и кабели на следующих микросхемах: CH340E, PL2302HX, PL2303TA, FT323RL и CP2105. Последняя производит эмуляцию сразу двух последовательных портов, но своим поведением ничем не отличается от CP2102.

В процессе тестирования наблюдалась работа USB-UART преобразователей не только в загруженной ОС, но и в процессе включения и выключения компьютера. А так же при подсоединении и отсоединении преобразователя от USB-порта.

Интересным моментом является поведение микросхем при отключении питания. У большинства исследуемых микросхем сигнальные выходы переходили в высокоимпедансное состояние. Однако, у китайской CH340E вывод RTS соединялся с «землёй».

Тестирование проводилось в ОС MS Windows 10 и Debian Linux 10.

К сожалению, подробные результаты, как и большинство промежуточных, были утеряны. Ведь процесс тестирования происходил еще в 2020 году. Тем не менее сохранились короткие видеоролики с некоторыми яркими моментами.

В результате проделанной работы я пришёл к выводу, что наименее проблемным вариантом в качестве интерфейса для управления PTT является микросхема Silabs CP2102. Она не имеет каких-либо фантомных переключений сигнальных линий RTS и DTR при загрузке или выключении компьютера. Так же она не имеет этих срабатываний и при запуске программы WSJT-X в ОС Windows.

Однако, при запуске WSJT-X в Linux происходит однократное фантомное переключении линий RTS и DTR. Время фантомной активации PTT при каждом запуске программы отличается. Но имеется определённая зависимость — на линии DTR продолжительность всегда меньше, чем на линии RTS:

• на линии RTS фантомное переключение длится в среднем 300 мкс (от 206 мкс до 454 мкс на полученной выборке);
• на линии DTR фантомное переключение длится в среднем 169 мкс (от 138 мкс до 274 мкс).

Измерения производились на выводах микросхемы CP2102. Это был единственный обнаруженный недостаток и вызван скорее всего особенностями работы драйвера при открытии последовательного порта.

Последние наблюдения проводились в MS Windows 10 22H2 (19045.3930), драйвер CP210x версии 10.1.9.2677 от 28.07.2020 и в Debian Linux 12 (kernel 6.1.0-18-amd64). Версия программы WSJT-X в обоих случаях была 2.6.1.

Реализация USB-PTT интерфейса

Перед разрабатываемым устройством были поставлены следующие задачи: оно должно быть дешёвым, простым и собираться из доступных компонентов.

Корпус, кабель и некоторые другие компоненты решено было позаимствовать у USB-UART преобразователей, которые широко представлены на Aliexpress и других торговых площадках:

Преимущества такого корпуса:

• низкая цена;
• небольшой размер;
• легко разбирается;
• имеются окна под USB-разъём и кабельный ввод;
• наличие двух пластиковых стоек для фиксации платы, препятствующие перемещению платы внутри корпуса;
• комплектуется промышленно изготовленным кабелем из 4 или 6 проводов с резиновым уплотнителем.

Второй закладываемой идеей была реализация индикации состояния (RX/TX) на двухцветном светодиоде. В режиме приёма светодиод должен светиться зелёным цветом, а передачи — красным.

И последним критерием стал выбор размера пассивных компонентов — 0805. Использование достаточно больших по размеру компонентов должно упростить сборку устройства широким кругом радиолюбителей. Сложности могут возникнуть разве что при пайке микросхемы в корпусе QFN-28, так как не у всех может иметься подходящий инструмент и опыт.

Схема

Первый вариант кабеля не имел гальванической развязки (схема). Такой вариант можно использовать только в случае идеального согласования всего антенно-фидерного хозяйства.

Для исключения протекания ВЧ токов через компьютер (или использование его корпуса в качестве противовеса антенны) была добавлена оптопара. Полной изоляции для защиты от пробития искрового промежутка высоким напряжением (таких как фрезерование окон в текстолите и полное разнесение изолируемых частей по сторонам оптопары) в процессе проектирования печатной платы не предусматривалось.

Схема кабеля предельно проста. Микросхема U1 (CP2102) включена согласно datasheet. Для защиты USB D+/D- входов микросхемы от статики добавлена защитная диодная сборка U2 (USBLC6-2SC6).

Перемычкой JP1 выбирается управляющий сигнал виртуального COM-порта — RTS или DTR. По умолчанию используется сигнальная линия RTS. Если необходимо выбрать линию DTR, то следует перерезать замыкающий перемычку проводник на плате и с помощью капли припоя замкнуть 2 и 3 контакты JP1.

Схема индикации состояния и управления оптопарой U3 (EL357N) собрана на биполярных транзисторах Q1 и Q2.

В режиме RX сигнал на выводе 24 /RTS (или 28 /DTR) микросхемы U1 отсутствует. Вывод микросхемы находится в высокоимпедансном состоянии и подтягивается к питающему напряжению +5 В резистором R2. Транзистор Q1 находится в открытом состоянии, а его базовый ток ограничен резисторами R2 и R3. Транзистор Q2 — закрыт.

Так как транзистор Q1 находится в открытом состоянии, то через половинку двухцветного светодиода D1, резистор R5 и переход коллектор-эмиттер транзистора Q1 протекает ток и светодиод светит зелёным цветом.

При переходе в режим TX, на выводе 24 /RTS (или 28 /DTR) микросхемы U1 появляется низкий логический уровень — 0 В. Транзистор Q1 закрывается вследствие того, что на его базе образуется напряжение равное приблизительно 1/10 от питающего (0,5 В). А транзистор Q2, наоборот, открывается. Ток базы Q2 ограничен резисторами R4 и R6. Зелёная половинка светодиода D1 гаснет, а красная — «зажигается». Ток, проходящий через светодиод, ограничивается резистором R7 и сопротивлением перехода коллектор-эмиттер транзистора Q2.

В этот же момент «зажигается» и светодиод оптопары U3. Ток через светодиод оптопары ограничен резистором R8 и сопротивлением перехода коллектор-эмиттер транзистора Q2. Открытый транзистор оптопары «замыкает» цепь в разъёме J2, через который осуществляется подключение кабеля к управляемому устройству.

Резистор R9 предназначен для защиты транзистора оптопары от возникновения большого тока, способного вывести его из строя (при разумных напряжениях, которые могут появиться на разъёме J2). Однако, он так же ограничивает ток и в самой цепи, что может привести к нестабильному управлению устройством. Так что здесь стоит быть внимательным. По умолчанию я рекомендовал бы отказаться от этой защиты и замкнуть резистор R9 перемычкой JP2.

Номиналы элементов подбирались в соответствии с практикой BOM optimization — сокращением до минимума номиналов компонентов для удешевления серийного производства при сохранении рабочих параметров готового устройства. Это удобно не только в промышленном производстве, но и в любительской практике.

При номиналах сопротивлений резисторов R5, R7, R8, токи светодиода индикации составили 14,5-15 мА, а светодиода оптопары — 17 мА. В качестве светодиода индикации применялся обычный безымянный индикаторный двухцветный светодиод из Китая. Использование сверхъярких светодиодов может внести свои коррективы в работу схемы.

Транзисторы BC817 можно заменить на практически любые другие имеющиеся в наличии кремниевые транзисторы NPN проводимости. Тем более, что расположение выводов в SMD исполнении у них зачастую стандартизировано. Коэффициент усиления здесь не очень критичен, так как транзистор работает в ключевом режиме, а ток коллектор-эмиттер составляет лишь десятки миллиампер. Да и все современные транзисторы широкого назначения обладают зачастую весьма высоким коэффициентом усиления. Но более интересным вариантом может оказаться использование N-канальных полевых MOSFET транзисторов типа IRLML2803. Открытие таких транзисторов требует более высокого напряжения затвор-исток, чем для биполярного. Да и проводимость транзистора от тока базы никак не зависит, ведь он управляется напряжением, а не током. И расположение выводов совпадает с BC817! Думаю, что надо будет с такой заменой поэкспериментировать.

Печатная плата

Печатная плата разработана в программе KiCAD. Исходные файлы проекта, а так же GERBER-файлы для производства, можно скачать здесь или из репозитория на GitHub. Репозиторий может содержать более актуальные изменения в файлах проекта.

Плата выполнена на двухстороннем фольгированном стеклотекстолите. Размеры платы — 13,7 мм x 30 мм.

Минимальный диаметр переходных отверстий в футпринтах был увеличен для сохранения низкой стоимости производства на фабриках.

Печатную плату можно произвести и в домашних условиях методом ЛУТ или с помощью фоторезиста. Первый вариант кабеля (без гальванической развязки) собирался на плате, изготовленной методом ЛУТ:

При домашнем производстве печатной платы вместо сетки переходных отверстий малого диаметра под микросхемой U1 было просверлено одно большое.

Если кого-то интересует проект без гальванической развязки, то скачать его можно по этой ссылке. А я перейду к актуальной версии.

Итак, топология печатной платы имеет следующий вид:

Основная часть компонентов расположена на верхней стороне. Двухцветный светодиод — выводной, диаметром 3 мм.

Сборка платы не представляет каких-либо сложностей. В первую очередь устанавливаются SMD компоненты и микросхема U1, а затем уже выводные. После сборки и проверки работоспособности платы припаивается кабель.

Если использование защитного резистора R9 не предполагается, то необходимо замкнуть каплей припоя перемычку JP2.

При изготовлении печатной платы в домашних условиях стоит учитывать, что на плате имеется переходное отверстие под корпусом оптопары!

Для удобства сборки можно воспользоваться монтажными схемами, которые расположены в каталоге pdf:

Собранная плата выглядит так:

Перед окончательной установкой платы в корпус, необходимо в верхней крышке просверлить отверстие для светодиода руководствуясь следующим чертежом:

Теперь остаётся припаять кабель. Мой кабель имел четыре провода, пары в котором я соединил в параллель.

Красный с белым были подключёны к центральному выводу разъёма, а зелёный с чёрным — к корпусу. На втором конце кабеля был припаян RCA-штекер (тюльпан).

Если устройство будет эксплуатироваться в сильно зашумлённой электромагнитной обстановке, скорее всего вместо комплектного кабеля USB-UART преобразователя необходимо будет использовать экранированный кабель. С другой стороны, при излучении ЧМ сигнала мощностью 5 Вт с переносной радиостанции, антенна которой была прижата вплотную к неэкранированному комплектному кабелю, никакого влияния на управление передачей самодельного КВ трансивера «Маламут» не наблюдалось.

Окончательно собранный USB PTT Cable выглядит так:

Драйверы

Большинство старых версий ОС Windows устанавливает драйвер для чипа CP2102 автоматически из Windows Update.

Начиная с Windows 10 (версии 1803) и Windows 11 драйвер необходимо устанавливать вручную.

Актуальная версия драйверов под разные ОС (включая macOS) можно скачать на сайте производителя чипа.

Linux

В ОС GNU/Linux драйвер является частью ядра начиная с версии 2.6.12. Если устройство не обнаруживается при подключении, то скорее всего отсутствует (или не загружается) модуль ядра cp210x.ko. В этом случае необходимо либо установить пакет, содержащий данный модуль ядра, либо скомпилировать ядро с включением этого драйвера в виде модуля (CONFIG_USB_SERIAL_CP210X=m) или как часть ядра.

Работа с кабелем в большинстве дистрибутивов Linux потребует предоставить пользователю права доступа к устройству последовательного порта (если Вы, конечно, не работаете из-под root).

Для пользователей Debian/Ubuntu достаточно добавить пользователя в группу dialout:

sudo adduser $USER dialout

где $USER — имя добавляемого к группе пользователя. После чего необходимо выйти и заново войти в систему.

USB PTT Cable будет доступен через /dev/ttyUSBx, где x — номер USB-UART преобразователя в системе.

Заключение

Устройство получилось простым и понятным. Собирается из доступных компонентов, часть из которых можно позаимствовать у промышленно выпускаемых недорогих USB-UART преобразователей.

В определённых условиях эксплуатации может возникнуть необходимость использования экранированного кабеля.

От защитного резистора на выходе можно отказаться, закоротив его с помощью перемычки JP2. Этот резистор был добавлен больше из теоретических целей, нежели практических.

Несмотря на всю простоту устройства, времени затраченного на его создание ушло не мало. В первую очередь, из-за исследования работы разных микросхем USB-UART преобразователей.