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USB und KVM-Hardware gehen Hand-in-Hand für die Plug & Play-Funktionalität

Universal Serial Bus (USB) ist eine Technologie, die Anwendern Peripheriegeräte für bestimmte Aufgaben zur Verfügung stellt. USB unterstützt eine Vielzahl von Geräten, beginnend bei einfachen Eingabehilfen wie Tastatur und Maus bis hin zu komplizierteren Geräten wie Game-Controller, Digitalkameras, Drucker, Netzwerkkarten und externe Speicher. Die Aufgaben der USB-Peripherie variieren von Grundfunktionen wie Tippen, bis hin zur Übertragung großer Dateien von/auf externe Speichermedien.
Folgende USB-Modi stehen uns derzeit zur Verfügung:

  • USB Low Speed (1.5 Mbit/s)
  • USB Full Speed (12 Mbit/s), auch bekannt als USB HID
  • USB High Speed (480 Mbit/s), auch USB 2.0 genannt
  • USB SuperSpeed (5 Gbit/s), auch USB 3.0 genannt
  • USB SuperSpeed+ (10 Gbit/s)

USB wird am häufigsten für die Tastatur- und Mauseingabe oder alternativ Touchscreen-Eingabe verwendet. Diese Geräte werden als Human Interface Devices (HID) klassifiziert. USB HID wurde entworfen, um einem Benutzer die Interaktion mit einem System über Eingabegeräte mit geringer Bandbreite zu ermöglichen. Das sind typischerweise viel weniger als 12 Mbit/s. Die meisten KVM (Keyboard, Video, Mouse) Switche verfügen daher über zwei USB-HID-Anschlüsse für Tastatur und Maus, und zusätzliche Anschlüsse für schnellere USB-Geräte wie Drucker oder Speichermedien.

Die USB-HID-Ports auf den meisten KVM-Switchen analysieren den eingehenden Datenfluss vom angeschlossenen USB-Tastatur-/Mausset. Werden dabei bestimmte Folgen von Tastenanschlägen erkannt, führt der KVM-Switch bestimmte Aktionen wie das Öffnen des OnScreen-Menüs, Umschaltung auf einen anderen Rechner oder Scannen aller verbundenen CPUs aus. Da der USB HID-Verkehr für sehr geringe Bandbreite ausgelegt ist, ist es fast unmöglich, ein High Speed USB-Gerät über den HID-Port mit einwandfreier Funktion zu verbinden. Die USB-HID-Ports auf einem KVM-Switch erwartet nur eine USB-Tastatur und USB-Maus zu sehen – mehr nicht. Jedes USB-Gerät, einschließlich der Tastatur/Maus besitzen bestimmte Attribute, die sie beschreiben auf die diese aber nicht beschränkt sind:

  • Beschreibung des Gerätes
  • Herstellerkennung
  • Produktkennung
  • Geräteklasse

Insbesondere beim KVM-Switching und bei der KVM-Extension ist es sehr wichtig, dass diese USB-Geräteeigenschaften korrekt an den Host-Computer übertragen werden. Die richtigen Treiber/Software, müssen während der USB-Enumeration geladen werden. Diese findet in der Zeitspanne zwischen dem Verbinden des USB-Gerätes mit dem Rechner und der Erkennung des Gerätes durch den Rechner statt. Diese Zeitspanne kann je nach Betriebssystem und USB-Gerät zwischen 1 und 16 Sekunden betragen. Wenn die Geräteeigenschaften während der Enumeration nicht richtig oder vollständig erkannt werden, funktioniert das USB-Gerät nur eingeschränkt oder gar nicht.

Die KVM-Produkte von Black Box zeigen den verbundenen Rechnern ständig eine generische USB-Tastatur und eine generische USB-Maus an, unabhängig davon ob eine Tastatur/Maus tatsächlich angeschlossen ist. Diese Funktion nennt man USB-Emulation. Die USB-Emulation zeigt den Rechnern die mit dem KVM-Switch verbundene Tastatur und Maus ständig an, so dass der Anwender schnell und wiederholte Enumerationen zwischen den Rechnern wechseln kann. Daneben gibt es auch eine proprietäre Firmware in der KVM-Hardware, die die richtige Kommunikation zwischen der Tastatur und Maus an der Konsole und den verbundenen Rechnern verhandelt. Die USB-Emulation ist vor allem auf kabelgebundene Geräte ausgerichtet, in einigen Fällen können aber auch wireless Tastaturen und Mäuse mit dem KVM-Switch verbunden werden.
Einige wireless Tastaturen und Mäuse funktionieren aufgrund eines Verbundsenders nicht mit KVM-Switches, da sie sowohl die Tastatur- als auch Maus-Pakete in einer einzigen USB-Nachricht an den KVM-Switch senden. Es hängt vom Gerätehersteller ab, wie die wireless Geräte ihre USB-Pakete für die Übertragung vorbereiten und auf welche Art sie der USB-Spezifikation folgen. Weiterhin gilt es zu beachten, dass nicht alle USB-HID-Geräte an einem KVM-Switch oder -Extender wie bei einer direkten Verbindung arbeiten. Das liegt an der Verhandlung der Geräteeigenschaften mit dem KVM-Switch, der nicht über alle Treiber eines normalen Betriebssystems verfügt, sondern diesbezügliche Kodierungen in seiner Firmware vorhält. Diese Art Kompatibilitätsprobleme kommen jedoch nur bei einem sehr kleinen Anteil der am Markt verfügbaren USB HID-Geräte vor.

Sehr häufig wird USB auch zur Übertragung von Dateien von einem Computer auf einen USB-Stick oder externes Speichermedium (oder vice versa) genutzt. Für diese Anwendung wird in der Regel USB High Speed mit 480 Mbit/s und auf neueren Systemen USB Superspeed genutzt, so dass die Datei(en) schneller übertragen werden können. Black Box bietet KVM Switche an, die den USB-Datentransfer unterstützen, aber dabei nicht den USB-Datenfluss für Tastatur-Hotkeys überwachen. Dadurch können Sie den KVM-Switch nicht über Tastaturbefehle steuern, wenn die den USB-High-Speed-Anschluss verwenden. Für die Tastaturkontrolle müssen Sie die USB-HID-Ports nutzen.

Weitere Ressourcen
Whitepaper: Echte USB-Emulation für KVM Switche
Whitepaper: USB-Erweiterungen vorteilhaft nutzen.
Produktübersicht: USB-Extender

Werksautomatisierung: 4 Technologien zur Problemlösung

Es gibt eine neue industrielle Revolution. Sie kombiniert den Fortschritt auf dem Gebiet der Maschinen und Steuerungen mit dem Fortschritt, der im Rahmen der Internet-Revolution auf dem Gebiet der Computerkommunikation gemacht wurde. Die heutige Technologie wird in einer Weise für die Problemlösung und zur Steigerung der industriellen Produktivität eingesetzt, die selbst vor 10 Jahren noch unvorstellbar war.

Deshalb stehen wir heute vor der Herausforderung, neue und vorhandene Technologien in einer Industrieumgebung in Einklang zu bringen. Hier stellen wir Ihnen vier Technologien zur Problemlösung für Industrienetzwerke vor.

  1. Glasfaser für Distanzen und Immunität gegenüber EMI/RFI (elektromagnetische und Funkfrequenz)-Interferenzen.

In Industrieumgebungen wird häufig Glasfaserkabel bevorzugt, weil es für sehr große Distanzen geeignet und immun gegen elektrische Interferenzen ist.

Glasfaserstrecken sind nicht wie Twisted-Pair-Kupferkabel auf 100 Meter begrenzt, sondern können je nach Kabeltyp, Wellenlänge und Netzwerk Entfernungen von 300 Meter bis 40 und mehr Kilometer überbrücken.

Außerdem überträgt Glasfaser Daten mit extremer Zuverlässigkeit. Es ist vollständig immun gegen viele Umgebungseinflüsse, die Kupferkabel beeinträchtigen können. Die Faser besteht aus Glas, einem isolierenden Material, durch das kein Strom fließen kann. Somit wird die Datenübertragung auch nicht durch elektromagnetische und Funkfrequenz-Interferenzen (EMI/RFI), Signalüberlagerungen, Impedanzprobleme uvm. beeinflusst. Glasfaserkabel lässt sich problemlos in der Nähe von Industriegeräten verlegen.

  1. Redundante Ring-Topologie

Obwohl man bei Ethernet in der Regel von einer Stern-Topologie ausgeht, kann ein Ethernet-Netzwerk auch ringförmig aufgebaut werden. Diese Variante kommt häufig in Anwendungen zum Einsatz, in denen die sternförmige Verlegung des Glasfaserkabels von einem zentralen Switch aus mit Schwierigkeiten verbunden wäre, also z. B. in Industrieanwendungen oder auch in Verkehrssignalanlagen.

In Industrienetzwerkszenarien werden Industriegeräte wie CNC-Maschinen an Gehärtete Ethernet Switche angeschlossen. Die Switches sind in einer Ring-Topologie für maximale Zuverlässigkeit mit praktisch verzögerungsfreier Failover-Umschaltung (in weniger als 30 ms) eingerichtet. Der Ring bietet den Vorteil eines redundanten Signalpfads für den Fall, dass eine Verbindung abbricht. Wenn ein Teil des Rings ausfällt, wechselt der Datenverkehr automatisch die Richtung.

  1. Machine Vision und USB 3.0

Bei Machine Vision handelt es sich um eine bildbasierte automatische Prüftechnologie, die heute in der Elektronik-, Lebensmittelverarbeitungs-, Pharma-, Verpackungs- und Automobilindustrie sowie in vielen anderen Branchen ein unverzichtbares Tool zur Qualitätssicherung, Sortierung und Materialverarbeitung ist. Die Machine Vision-Technologie nutzt Kameras, PCs, Software und andere Hardwarekomponenten für die automatische Aufnahme von Bildern und die Materialprüfung auf dem Fließband vorbeiziehender Teile.

Machine Vision ist eine wirtschaftliche Möglichkeit, Ausschussware zuverlässig auszusortieren. Sie kann zur Untersuchung von Geometrie, Platzierung, Verpackung, Etikettierung, Versiegelung, Beschichtung, Farbe, Muster, Strichcode und den verschiedensten anderen Parametern eingesetzt werden.

USB 3.0 stellt eine enorme Erweiterung für Machine Vision-Systeme dar. Dank des hohen Durchsatzes von USB 3.0 in Höhe von 5 Gbit/s – zehnmal mehr als bei USB 2.0 – gehören Stabilitäts- und Latenzprobleme bei der Bildübertragung und Kamerasteuerung der Vergangenheit an. USB 3.0 ermöglicht die Übertragung von Video mit höherer Auflösung und Bildraten ohne Qualitätsverlust.

  1. Serielle Verbindungen in der Industrie

Als industrielle Steuerungen werden Geräte zur Bedienung von Verpackungsanlagen, Generatoren, Drehbänken, Waagen und anderen Maschinen bezeichnet. Wenngleich die meisten IT-Anlagen heute per Ethernet vernetzt sind, werden für Industriegeräte häufig noch serielle RS232-, RS485- oder RS422-Schnittstellen verwendet. Um Investitionen in Industrieanlagen und Maschinen voll auszuschöpfen, können Schnittstellenkonverter und Leitungstreiber zum Verbinden älterer Geräteanschlüsse (RS-232/422/485) mit neueren USB- und Ethernet-Netzwerken verwendet werden.

RS232 sendet Daten mit Geschwindigkeiten von bis zu 115 Kbit/s über Entfernungen von bis zu 15 Metern, wobei mit kapazitätsarmen Kabel auch größere Distanzen überbrückt werden können. RS232 wird sowohl für die synchrone als auch für die asynchrone Übertragung binärer Daten genutzt. Anstelle des ursprünglichen DB25-Steckers werden für RS232 heute zumeist DB9- und RJ45-Stecker verwendet. Bei Industriegeräten kommt anstelle eines Steckers häufig auch eine Klemmleiste als Anschluss für die RS232-Schnittstelle zum Einsatz. Da RS232 eine relativ geringe Reichweite aufweist und ausschließlich Punkt-zu-Punkt-Verbindungen unterstützt, ist sie als industrielle Schnittstelle nur bedingt geeignet.

Wesentlich ausführlicher wird die industrielle Kommunikation im Whitepaper über die Elemente eines RS-422/RS-485-Systems behandelt.