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翁嘉杰

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擅长:控制/MCU
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[创意DIY]

我做了一个智能高速隔离的USBHub...开源了！

智能高速隔离 USB Hub

工程开源地址及附件下载：智能高速隔离USB Hub

可在

1 简介

1.1 项目背景

作为电子工程师/DIY爱好者的你是否有过这样的经历：
1. 调试开发板时，不小心短接了5V和GND，导致电脑USB端口弹出了过流警告，甚至烧掉了电脑USB保险。
2. 想在调试时检测USB口的功率，花几十块购买的USB电流表，它却只能检测一路的电压电流数据。

CH318 是一个高速 USB 信号隔离芯片，通过电容耦合，可以对 USB 信号线（D+、D-）进行隔离，使得信号在传输过程中可以不受电气噪声和干扰的影响。

1.2 项目亮点

  • ✅智能控制，可通过手机APP进行监测电压电流、控制
  • ✅可连接电脑通过上位机实时监测电压电流
  • ✅使用ESP32S3作为主控，旋转编码器操作交互，UI动画丝滑
  • ✅USB信号隔离，有效抑制噪声
  • ✅高速USB2.0传输，满足大部分需求
  • ✅短路及过流保护，过流将自动切断该路供电，防止损坏设备
  • ✅灵活供电，可接辅助供电为高功率USB设备供电
  • ✅最多4个USB设备连接
  • ✅支持OTA在线升级固件

2 功能展示

2.1 外观

白色外壳版本，简约时尚
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黑色外壳版本，优雅高端
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裸板外观
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2.2 手机APP无线控制

? 手机APP实时控制

（1）输入websocket地址，连接到USB Hub，可以实时监测电压电流功率

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（2）可以控制USB的开关，Hub同步动作

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2.3 Hub控制系统展示

?️ 本地智能控制系统

（1）控制USB的开关，可控制USB的启用/关闭，与在手机APP上控制效果一样。

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（2）USB监测功能，实时监测各个USB端口的电压、电流、功率。可配置数据刷新率。

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（3）wifi配置功能，可以进行连接、断开wifi，查看网络信息、进行wifi配网、重置wifi等操作。也可以配置是否开机自动连接wifi、睡眠时wifi是否关闭等。

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其中，配网页面需要用手机连接Hub开启的热点，连接成功后会弹出网页，进行wifi的选择和密码输入。

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（4）UI设置页，主要修改UI动画速度等内容

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（5）USB过流警告功能。当某个USB口出现过流，会自动监测并弹窗提示。同时，系统会立即切断该路供电输出，需要在开关页面手动开启。

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（6）OTA在线升级功能。连接WIFI后，点击主菜单上的OTA图标，系统自动获取最新固件版本，并自动升级，无需与电脑连线，快捷方便。

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（7）睡眠功能，点击后屏幕进入关闭状态，CPU降低频率运行，系统功耗显著降低。如配置"睡眠时关闭wifi"，则会进一步降低功耗，否则，睡眠时wifi仍然启用，仍可使用手机APP查看数据、控制USB。

2.4 上位机实时监测电压电流

? VOFA实时数据可视化
在监测页面的设置中，启用串口输出数据功能。使用USB数据线连接电脑与Hub的ESP32调试接口，在某个USB口上插入设备。 打开VOFA软件，数据引擎选择FireWater，打开串口。放置3个波形图控件，分别对应电压、电流(mA)、功率(mW)

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2.5 文件传输速度

⚡ 高速传输性能测试

插入一个TF卡读卡器，一个U盘。

（1）跑个分~使用diskmark成绩如下：

? 读取能达到40MB/s，顺序写入是16MB/s（这块U盘拖后腿了）。
? 说明一下，因为USB协议有较大的通信开销，除了我们的数据，还要传同步信号、类型标识、校验码、握手信号等各种协议信息，所以这里40MB/s已经是USB2.0协议的极限了

image.png

（2）向TF卡写入的同时，从U盘读数据：

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3 硬件方案

1. 数据输入端：

使用USB-C 16pin 连接电脑，用于数据输入和0.6A以下电流供电。

2. 电源部分：

（1）非隔离端，从数据输入的USB口取电，最大5V0.5A
（2）如果电脑供电不足，可外接辅助电源
（3）CH217K做电路限流 ，限制2A
（4）隔离DCDC电源 ，最大5V0.6A
⚠️ 注意: 如果要插2个以上的U盘、移动硬盘等设备，一定要接辅助电源，否则会出现供电不足的情况。

3. HUB主电路部分:

（1）需要两个CH318T ，一个在非隔离端做上位机，接收电脑的USB数据信号，然后调制发送模拟信号到另一个做下位机的CH318T；
隔离端和非隔离端中间采用电容耦合信号，电容耐压值1.5kV
下位机的CH318T接收模拟信号，通过下行端口输出。
（2）CH334R 4端口USB HUB控制器芯片 1个。
一共4路USB输出，其中每一路上使用INA226做电压电流采样
（3）使用SY6288CAAC 电子开关，使用ESP32控制开关，以及检测过流。

4. 单片机控制部分

主控使用ESP32S3，用于处理数据、显示数据、控制电子开关等。
用到的外设有I2C(接4个INA226)、旋转编码器（做菜单控制）。
另外，基于ESP32的WIFI连接功能，可以连接到手机通过app监测、控制电子开关。

5. 显示部分

使用SPI驱动的OLED屏幕，尺寸为1.5寸，分辨率128x128

4 功能框图

系统架构概览

框图.png

5 软件部分

5.1 软件代码

? 软件包说明

仅开源ESP32固件，且需使用激活工具激活。
固件烧录及激活方式请见5.2和5.3节。
安卓手机应用请在附件中下载安装usb_hub_app.apk

5.2 烧录方式

5.2.1 首次烧录

第一次烧录固件请参考以下步骤：

（1）下载工具和固件

（2）选择芯片型号
打开烧录工具，选择芯片型号ESP32S3

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（3）配置烧录参数
按下图所示操作，点击省略号，选择USBHub_full_v1.x.bin，打勾复选框，地址填写0x00000000，spi设置保持默认，选择COM口，烧录即可。

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5.2.2 线刷固件升级

? 固件升级流程：

（1）下载升级固件
下载附件中的USBHub_firmware_v1.x.bin

（2）修改烧录地址
与5.2.1中的类似，只是烧录地址要改为0x00010000，其他操作是一样的

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5.2.3 OTA升级

OTA升级流程：

（1）在WIFI功能页配网/连接WIFI
（2）主菜单功能选择 OTA
（3）等待检查更新，若有新固件，则设备将自动重启升级

5.3 激活设备

? 设备激活流程

下载附件中 usbhub_activator.exe 激活工具，打开软件。

激活步骤：

  1. 使用USB-C数据线连接Hub板上ESP32 Debug接口，点击激活工具的刷新按钮
  2. 选择对应的串口，不同电脑显示的COM号不一样
  3. 点击一键激活按钮
  4. 等待服务器响应，如显示激活成功，设备将会自动重启
  5. 别急着关掉激活工具，一定要将MAC地址和激活码复制保存下来。这样后续还可以直接输入激活码手动激活

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⚠️ 激活注意事项
  • 如果遇到服务器连接超时的情况，请多重试几次，或者更换网络环境
  • 固件更新时请只烧录带firmware的固件。如果烧录完整包(full)会掉激活，遇此情况只需再用激活码手动激活
  • 每人可免费激活一台设备，如需激活多个设备请查看该指南: 查看多个设备激活指南

6 器件选购&成本估算

6.1 OLED屏幕

? 显示屏选购要点

购买链接： 淘宝搜索-> 1.5寸128x128OLED屏幕

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⚠️ 选购注意事项
  1. 购买SPI接口的，pin的排列顺序(从左至右)为 RST CS DC SDA SCL GND VCC
  2. 屏幕含底板，尺寸为34mm * 47mm
  3. 显示控制芯片为SH1107
  4. 价格在20元以上（不含邮费），勿贪便宜购买低于此价格的！！！ 我购买的是原价22.9，店铺券-5元，到手17.9元

6.2 可在某宝购买以降低成本的器件

有些器件在立创商城买挺贵的，所以可以选择在某宝买。但要注意购买大店的，别贪便宜，容易买到拆机、高仿货。以下价格均不含邮费：

器件 价格
CH318T 10.8元x2个
B0505S-3WR2 5.2元
SY6288CAAC 0.46元x4个
CH334R 1.84元
INA226 2.5元x4个
EC11J1525402 10元
CH340X 2.35元
ESP32-S3 N8R8模块 约13.5元

6.3 成本估算

  • 如若6.2节的器件在某宝买，剩下的立创商城买，则单套器件价格为87元
  • OLED屏幕有优惠券是18~23元
  • PCB 嘉立创6层板有免费券，0元
  • 3D外壳费用26元（9600树脂，不加急），如果裸板则能省下这部分费用

7 PCB设计说明

1. 层数设计考虑

本设计用4层板就能布通走线，但USB的信号会缺少完整的参考层。我这里设计6层板是为了在第2和第5层做完整的GND平面，为Top和Bottom层的USB信号提供参考层。另外嘉立创也支持6层板的免费打样，PCB成本为0。

2. 阻抗控制要求

USB差分信号控制阻抗90欧姆，在下单时要求阻抗匹配+-20%，选择层压结构JLC04161H-3313

3. 天线布局设计

ESP32天线要伸出板边，这是参考乐鑫官方文档[PCB 版图布局]来设计的，但由于旋转编码器和USB-A的位置限制了，因此不能放在推荐位置上（位置3、4）。

image.png

8 声明

本项目由作者在业余时间开发并开源。虽然尽力保证其可靠性和兼容性，但受限于个人精力，声明如下：

  • 不保证提供免费的技术支持、使用指导或定制服务
  • 不保证软件无缺陷或满足特定需求
  • 不保证及时修复漏洞或发布更新
  • 不承担任何因使用本项目而产生的直接或间接损失
  • 未经作者书面授权，不得将此项目以任何形式用于批量生产和商业盈利用途
  • 如需借鉴本项目的部分设计，请遵循开源协议，并标明本项目的开源地址：
    https://oshwhub.com/vrxiaojie/multi-function-high-speed-isolat

9 参考&致谢

本项目的软件/硬件参考以下开源工程，非常感谢开源作者们！

  1. CH318外围设计参考：[高速USB隔离器，基于CH318T] 以及CH318的数据手册
  2. ESP32部分设计参考我之前的项目：[基于ESP32的桌面仪表盘]
  3. 丝滑的UI设计，修改自[WouoUI]
  4. 特别感谢嘉立创星火计划提供的耗材支持！

10 程序更新日志

版本 更新内容
1.0.0 规划UI整体框架
1.0.1 新增WIFI相关功能
WebSocket连接
1.0.2 ws性能优化;修复电压电流显示问题
1.1.0 新增设备激活功能
1.1.1 修复WIFI配网失败问题
1.1.2 修复电子开关不工作的问题
修复USB2、3数据获取问题
1.1.3 新增过流保护切断电子开关功能
1.1.4 支持串口输出电压电流数据
1.2.0 开发OTA在线升级功能
1.2.1 修复了一些bug
睡眠功耗降低

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