USBコネクターが最新のIoT、産業、医療などで可能性を広げる方法

コンピュータ周辺機器で最も使用されている接続技術の1つであるUSBコネクタは、製品やシステムアプリケーションにも最適です。標準化されたインターフェース、エレガントでシンプルな設計、堅牢な材料を採用したUSB相互接続で、数百通りの使用のための開発予算や設計時間の節約になります。Same SkyのUSBコネクターとUSBケーブルの全ラインナップをご覧ください。

USB技術の概要

USB（Universal Serial Bus）は、1990年代後半のコンピュータ接続の混乱から生まれた相互接続ソリューションです。それを支える技術プロトコルは、長年にわたって進化し、標準の各バージョンとそれで使用されるハードウェアに、増大するデータ処理速度と電力処理能力を追加しています。

初期のUSB 1.1バージョンは、12Mbpsでデータを伝送し、500mAで電力を供給していました。最新のUSB4バージョンは、80Gbpsでデータを転送し、USB PD 3.1により最大240Wで電力を供給できます。これらの改善などにより、USB技術のアプリケーション範囲は、簡単なデータ転送から工場現場やその先でのヘビーデューティな使用にまで拡大しました。

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USB-C IoT、組み込み、スマート・デバイスにおける接続性

USB相互接続技術の最新アプリケーションの1つは、モノのインターネット（IoT）です。IoTは、一般的に、センサーとソフトウェアが組み込まれ、インターネットを介して互いに情報を共有できるデバイスを指す用語です。

IoT用途では、USB接続を使用して、IoTデバイスと中央ゲートウェイ間でデータと電力をやり取りします。これにより、充電が簡単になり、接続されたセンシング機能、IoTプロトタイピングのための迅速な接続、テストとデバッグ、プログラミングとソフトウェア更新のための迅速なデータフロー、USB-Cまたは古いコネクターを使用した簡単な接続ハードウェアオプションが可能になります。

USB Type Cは、小型、薄型、軽量のフォームファクターを備えた物理コネクタで、完全にリバーシブルで、極性エラーや挿入時の損傷を排除します。USB規格の多くのバージョンで動作し、1本のケーブルで最大240Wの電力とともに高速データを提供します。これにより、充電、データ転送、ビデオ伝送用の幅広いデバイスと連携できます。

USB-Cは、エンベデッド・システムでもプライマリ通信インターフェイスとして使用され、用途に応じてホスト、デバイス、またはその両方として機能できます。そのスモール・フォーム・ファクタと効率的なデータおよび電力供給により、エンベデッド・システムの小型の物理サイズというニーズに特に適した単一の接続が可能になります。ですが、他の新技術と同様に、トレードオフがあります。USB Type-Cコネクターは小型で汎用性がありますが、幅広い電力とより広範な通信規格に対応する必要があるため、設計がある程度複雑になります。ケーブルとポート間の単純な接続であったものに、現在では組み込みコンポーネントの層が追加されています。

開発者にはさらなる課題となりますが、これらのUSB-C機能は以下のような他の多くの技術での用途を拡大しています。

• スマートホームデバイス： センサーとアクチュエーターを電源ハブに接続して、ホームモニタリングと制御を行います。
• ロボット工学： 工場フロアのロボットホストと周辺機器間の通信。
• ハンドヘルドデバイス： 1本のケーブルで、データと電力のユーザーフレンドリーな接続を提供します。
• 医療機器： ポータブルまたは固定モニタリングデバイスから中央ホストコンピュータへのデータ転送のためのシンプルで確実な接続を可能にします。

古いUSB相互接続技術を使用した既存の設計もUSB-Cに変換できます。使用している古いUSBコネクタのバージョンに応じて、アダプタを使用するか、レジスタなどのコンポーネントを追加して、デバイスが互いに検出できるようにする必要があります。また、一部の信号を再ルーティングし、古いシステムの電力供給が新しいニーズに適していることを確認しなければならない場合もあります。しかし、USB Type-Cコネクターのすべての利点を最大限に活用したい場合は、前述の組み込みシステム層が関与してくるため、複雑さのレベルは高まります。

USB相互接続規格の進歩

プロトコルの継続的な改善により、USB相互接続の用途も拡大しています。USB4および関連規格のリリースに伴い、この技術に追加機能が加えられました。以下は最も重要なものの概要です。

• 強化されたセキュリティ機能： USB規格はその誕生以来、セキュリティにはあまり重点を置いてきませんでした。しかし、このUSB-C規格の新機能では、デバイスが相互作用の前に接続されたデバイスと電源の正当性を検証できるように、暗号化ベースのセキュリティ認証が追加されました。また、ハードウェアベースの暗号化を使用して、安全なブートプロセスとともにデータ転送を保護し、デバイスが接続されているときに信頼できるソフトウェアのみがロードされるようにします。
• 高速化： すでに述べたように、データ転送速度は、新しい各USB仕様のリリースに伴い、12MbpsでのUSB 1.1データ転送から始まり、USB4バージョン 2では80Gbpsまで増加しました。これらの速度は、ビデオなどのデータ集約型用途に利用されています。
• 拡張された電力供給： また、USB規格の各バージョンで電力供給レベルも着実に増加しており、バージョン3.1では、240 W（48 V、5 A）の拡張電力範囲（EPR）に達しています。USB Power Delivery (USB PD) 規格は2012年にリリースされました。電力供給量をUSB-CWから240Wまで増加させるだけでなく、28V、36V、48Vの固定電圧も提供し、15Vと充電器の最大固定電圧の間の中間電圧を調整可能にし、双方向の充電で電力を送受信可能にし、ダイナミックなパワーフローにより、接続されたデバイスのニーズに合わせて電力レベルを調整できます。USB-Cは、高速充電器で使用される窒化ガリウム（GaN）充電技術もサポートします。

主要産業におけるUSBコネクター用途

USB相互接続プロトコルとデバイス向けの新しいアプリケーションには、家電製品、産業用デバイス、医療機器などがあります。それぞれを簡単に見てみましょう。

家電製品のUSBコネクター

コンピュータ、ビデオゲーム機、および電話は、接続を簡素化するためにUSB技術の利点を長い間利用してきました。USB-Cは、電話の充電中に音楽を聴いたり電話をかけたりできるさまざまなアダプターにも使用され、デバイスの高速充電中の音量調節もサポートしています。USB-Cは電話の充電用として、従来のジャックよりも小型のコネクターを備えているほか、簡単なエラーのない接続を実現する可逆性を備え、ヘッドホンやイヤホンでデジタルオーディオを伝送し、高品質のサウンドを実現します。コストを抑えるために、Same Skyは、ピン数と複雑さを削減しながら、任意のUSB-Cケーブルとの完全な相互運用性を提供する電力のみのUSB Type-Cコネクターも提供しています。

産業用オートメーションシステムにおけるUSBコネクター

ファクトリーオートメーションで使用されるプロセス制御システムは、USB相互接続技術を採用しており、さまざまなセンサー、データロガー、ビジョンシステムカメラ、プログラマブルロジックコントローラ、ヒューマンマシンインターフェース、およびその他のデバイスが中央制御システムと通信できるようにします。USB-Cのデータおよび電力容量により、さまざまなシリアルポートまたはパラレルポートの代わりに、単一の標準コネクターを介して高速データ交換と電力供給が容易になります。1つのコネクターで簡単に設置、交換、修理、アップグレードができます。

産業グレードのUSBコネクターは、IP定格シール、ロック機構、および頑丈な構造を使用して、過酷な振動、湿気、温度、およびその他の工場フロア条件に耐えることもできます。

医療機器およびヘルスケア機器におけるUSBコネクター

生体情報モニタは急速に進化しており、デジタル小型化とリモートシステムの技術的進歩によって改善が進んでいます。ウェアラブルヘルストラッカー、ホームモニタリングシステム、埋め込み型デバイスなどのパーソナルヘルスデバイス（PHD）の使用が増えている背景には、USBインターコネクトシステムの利便性、シンプルさ、性能が寄与しています。コンピュータやスマートフォンのUSBポートが広く利用可能であることから、患者はデータやファイルを医療従事者に転送する際に信頼性が高く、便利で、使い慣れた接続方法を使用することができます。

USB-Cなどの新しい規格は、複雑な患者データや画像ファイルに必要な高速データ転送速度と、デバイスの充電に必要な電力供給を提供します。医療グレードのUSBコネクターとケーブルは、嵌合サイクルの増加や湿度や湿気に強い材料を取り入れ、在宅ケア環境での使いやすさも提供します。

概要

最大80Gbpsのデータ速度と240Wの電力供給を同じコネクターで実現するUSBは、基本データからビデオストリーミングまで、数え切れないほどの用途に対応する効率的で効果的、そして使い慣れた相互接続技術です。

USB規格は、データ速度と電力を向上させるために、長年にわたって改訂されています。今後展開される新しいバージョンでは、下位互換性を維持し、電流レベルを高め、データ速度を向上させ、コネクターの物理的サイズを縮小する必要があります。その一方で、デバイスの通信と接続を合理化するためのUSB相互接続技術の検討は、インテリジェントで効率的なソリューションです。

主な取り組み

• USB相互接続技術は、最新の電子システムにおけるデータ、電力、制御をサポートし、従来のコンピュータ周辺機器をはるかに超えています。
• USB規格は、USB4では12Mbpsのデータ転送から最大80Gbpsまで、USB Power Deliveryでは500mAから240Wまで、パフォーマンスを大幅に向上させました。
• USB-Cは、1つのリバーシブルコネクターでデータ、電力、ビデオを実現し、コネクター数を減らし、システム設計を簡素化します。
• USBは、デバイスの電源、センサーのデータ転送、ファームウェアのアップデート、ラピッドプロトタイピングなど、IoT用途で広く使用されています。
• 組み込みシステムは、USB-Cをプライマリインターフェースとして活用し、システムのニーズに応じてホスト、デバイス、またはデュアルロール動作をサポートします。
• USB Power Deliveryは、動的な双方向の電力ネゴシエーションを可能にし、高速充電と高電力デバイスを実現します。
• 産業用および医療機器は、信頼性の高い標準化された接続のためにUSBに依存しており、要求の厳しい環境での高速データ交換と充電をサポートしています。
• USBは将来を見据えた相互接続規格であり、後方互換性を維持しながら、速度、電力、機能の拡大を続けています。