Schutz eines Laptops vor über USB angeschlossenen Geräten

In den letzten Monaten habe ich es geschafft, 2 einwandfreie Laptops durch Programmierung der Entwicklungselektronik über USB zu zerstören. Ich habe mich gefragt, was getan werden könnte, um dies zu verhindern. Ein paar Ideen, die ich hatte (nicht sicher, wie praktisch):

1. USB-Anschluss / Hub mit klemmenden 5-V-Zenerdioden an Strom- und Datenleitungen
2. USB-Anschluss / Hub mit Optokopplern an Datenleitungen
3. Versorgung des USB-Anschlusses mit externer Stromquelle plus zuvor erwähnte Idee

In Kombination mit diesen Ideen können Widerstände sowohl auf 5 V D + als auch auf D- Leitungen den Strom auf etwa 200 mA begrenzen (genug für die meisten Geräte, die ich verwende).

Sie haben sich nur gefragt, was einige erfahrenere Ingenieure als ich über diese Ideen und ihre praktischen Auswirkungen gedacht haben?

Das eigentliche Problem ist nicht der ungeschützte USB-Anschluss. Das eigentliche Problem besteht darin, dass Ihr Gerät Sie und Ihre Geräte dem Risiko aussetzt, an Quellen mit höherer Spannung und relativ hohem Strom angeschlossen zu werden.

Sie können transiente Überspannungen mit Klemmdioden lösen, aber diese helfen nicht, wenn Ihre Stromversorgung stark genug ist - sie fallen einfach aus, und dann befinden Sie sich in der gleichen Situation wie zuvor, nur Millisekunden und der Geruch von verbrannten Halbleitern weiter.

Ihr Problem ist aus vielen Gründen ein schlechtes, und Ihre Laptops sind das geringste davon:

USB soll manuell gehandhabt werden (das ist redundanter Wortlaut). Wenn dieser Fehler Ihren Laptop tötet, habe ich nicht das größte Vertrauen, dass er von Natur aus für die menschliche Interaktion geeignet ist.

Es gibt aus gutem Grund Entwurfskriterien für Schaltungen, bei denen höhere Spannungen gegen niedrigere Spannungen geschaltet werden.

Allgemein: Sie benötigen eine galvanische Trennung zwischen dem, was ein Mensch (selbst ein Servicetechniker) während des Betriebs berühren könnte, und den gefährlichen Spannungen.

Daher: Trennen Sie Ihren USB-Controller und die Schalter, die er schaltet, streng voneinander. Es ist üblich, induktive Lasten oder Hochspannungslasten mit Optokopplern anzutreiben, deren Sekundärseite von einer separaten Stromversorgung gespeist wird.

Das Platinenlayout muss die Hochspannungsbereiche von der 5V / MCU-Umgebung trennen. Nur Optokoppler, Transformatorkerne und Relais dürfen diese Grenze überschreiten. Keine Kompromisse.

Ein typisches Problem besteht darin, dass die Erdung Ihres Geräts ein völlig anderes Potenzial hat als die USB-Erdung. Obwohl dies kein Problem für einen Laptop sein sollte, der selbst galvanisch von allem anderen getrennt sein sollte, gibt es viele Fälle, in denen Sie auf etwas stoßen Probleme damit (zB Laptop-Masse endet auf Ethernet-Masse, Audio-Masse, RS-232-Masse ...). Die strikte Trennung (Isolation) zwischen Controller und Controlled macht dies zu einem inhärenten Problem.

Ich arbeite hauptsächlich mit Arduino- und PIC-basierter Entwicklungselektronik zur Steuerung von Waschmaschinen und Verkaufsautomaten (es war nicht dasselbe Gerät, das beide Laptops zerstört hat). Wäre die Verwendung von Zenerdioden eine einfache, billige Lösung, da dies hauptsächlich nur das Risiko einer Hochspannung darstellt, oder würde dies die Datenseite der Dinge beeinträchtigen?

Gut. Da Sie die "Verwendung von Zenerdioden" zum Schutz vor einer schlecht definierten "Hochspannung" erwähnen, haben wir jetzt einen zuverlässigen Datenpunkt: Sie haben keine Ahnung, was Sie tun.

Daher benötigen Sie einen USB-Isolator, um den Laptop-Anschluss vor sich selbst zu schützen. Dieser Laptop tut mir übrigens leid.

Ich meine, Laptops sind vom Boden isoliert, weil ihre Netzteile nicht geerdet sind. Das Ausblasen des USB-Anschlusses eines Laptops ist also wie ... schwierig ... Wie genau haben Sie das genau geschafft? Haben Sie die Netzspannung über den USB-Anschluss gesendet oder so?

Da Sie Arduino als Basis verwenden, ist die Lösung einfach. Verwenden Sie zum Programmieren und Debuggen einen Einwegprozessor. Die Arduino-Entwicklungsumgebung passt gut auf einen Raspberry Pi, den Sie über Ihre eingebettete Umgebung mit Strom versorgen und von Ihren verbleibenden Laptops oder vielleicht einem Desktop aus drahtlos kommunizieren können.

Dies hindert Sie nicht daran, einen Raspberry Pi zu braten, reduziert jedoch die Kosten für einen Stromkreisausfall auf etwa 35 US-Dollar.

Ok, lassen Sie mich nach einer Vielzahl von Klarstellungen und verschiedenen vorgestellten Fällen eine Lösung für das Problem anbieten, wie ein Laptop vor dem Braten in der Umgebung des Außendienstes geschützt werden kann:

1. Schließen Sie Ihr Test- / Diagnosegerät immer zuerst an das Serviceobjekt an und schalten Sie das Gerät ein.

2. Überprüfen Sie vor dem Anschließen des Geräts an den Laptop mit einem niederohmigen (Standard 10-20k) DMM zwischen DUT-Anschluss und Laptop-Anschluss im DC- und AC-Modus, ob zwischen den USB-Abschirmungen verdächtige Spannungen auftreten.

3. Wenn eine signifikante Spannung festgestellt wird (5 - 10 - 50 V), verwenden Sie an einem der Enden einen echten Trenntransformator .

Die Verwendung einer Pi / Beaglebone / Tinkerbox über WLAN wäre billig und einfach. CHIP sieht gut aus https://getchip.com/pages/chip . 5-9 $ pro Gerät. Sie können 7 CHIPs zum Preis von 1 Pi3 ermorden. Natürlich müssen Sie immer noch das Problem beheben, dass Kill-Spannungen USB-Anschlüsse erreichen, aber zumindest Ihre Workstation ist sicher. Verbinden Sie es jedoch nicht mit Ethernet mit Ihrem LAN.

Das Übertragen der Dateien ist einfach eine Frage des schlüsselbasierten passwortlosen ssh-Zugriffs auf scp-Dateien auf den Pi / other und einer Remote-Shell zum Hochladen. Für Arduino gibt es das Arduino-mk-Paket und ähnliche Tools für PIC. Zweifellos können Sie Ihre Dateien auch einfach auf einer exportierten SMB / CIFS-Freigabe speichern und mithilfe der Remote-Shell erstellen und auf Ihre Boards hochladen.

Wenn erneut eine Kill-Spannung auftritt, verlieren Sie nur 30-35 $.

Ich habe immer noch nicht herausgefunden, wie diese Spannungen es jemals schaffen, Ihre MCUs zu durchlaufen und in den USB-Anschluss einzutreten. Ist es ein kurzer? Woher kommt das? Ich habe viele Arduino-Klone zerstört und bin aufrichtig neugierig.

Außerdem sind die USB-Anschlüsse normalerweise gegen mäßige Spannungen polyfundiert. Sie müssen tatsächlich eine negative Spannung an den 5-V-Pin anlegen, um den Port (oder den positiven an den GND-Pin), den Controller und möglicherweise das Motherboard zu unterbrechen. Wie schaffen Sie es, zwei Laptops zu ermorden? Könnte es die Magie des Wechselstroms bei der Arbeit sein?