USB接口的光電隔離保護(hù)方案及其實(shí)現(xiàn)

目前計(jì)算機(jī)的USB接口已經(jīng)大量使用，一般每臺(tái)電腦都有2到4個(gè)USB口。當(dāng)一臺(tái)電腦同時(shí)接多個(gè)USB外部設(shè)備時(shí)，如果這些外部設(shè)備介入了高電壓干擾，就可能會(huì)燒壞電腦的USB口甚至電腦以及外設(shè)。目前電腦的幾種通信接口中，MODEM口以及以太網(wǎng)接口由于本身具有變壓器隔離所以不容易損壞，而RS-232串口也可以選用波仕的 RS-232光電隔離器來進(jìn)行有效的保護(hù)，只有USB以及類似的1394接口目前還沒有方便的隔離保護(hù)方案。本文提供了一種對(duì)USB信號(hào)進(jìn)行光電隔離的電路，可以使USB的接口得到保護(hù).

實(shí)現(xiàn)原理

圖1為將USB信號(hào)(D+、D—)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的原理框圖。

USB信號(hào)檢測(cè)電路(1)將D+和D—變換為“或”門輸出DOR1和差分比較器輸出RCV1。一雙可控三態(tài)緩沖器(2)

(通過控制端EN來控制邏輯“通”與“端”。當(dāng)EN=“0”時(shí)，DOR=DOR1、RCV=RCV1。而當(dāng)EN=“1”時(shí)，DOR和RCV為高阻狀態(tài)。光發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路(3)將DOR和RCV轉(zhuǎn)換為三種光強(qiáng)度(亮、半亮、暗)。光接收電路(4)將接收到的三種光強(qiáng)度(亮、半亮、暗)恢復(fù)為D+和D—的三種狀態(tài)。光接收電路(4)的輸出之一H的狀態(tài)變化觸發(fā)單穩(wěn)延時(shí)電路(5)。單穩(wěn)延時(shí)電路(5)的輸出EN平時(shí)(即USB信號(hào)處于閑置狀態(tài)時(shí))為“0”，當(dāng)其輸入H 有下降延(即由“1”變?yōu)?ldquo;0”)時(shí)輸出EN由“0”變?yōu)?ldquo;1”并且保持為“1”大約1000us，然后恢復(fù)為“0”。另一雙可控三態(tài)緩沖器(2)通過控制端EN來控制來控制邏輯“通”與“斷”，當(dāng)EN=“1”時(shí)，VP=H、VM=L，而當(dāng)EN=“0”時(shí)輸出VP、VM為高阻狀態(tài)。

具體實(shí)施方式

圖2 將USB信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的具體電路圖

圖2為將USB信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的具體電路圖。假設(shè)USB為全速狀態(tài)(12M)，此時(shí)D+通過大約1.5KΩ的電阻接+5V電源。平時(shí)USB信號(hào)處于閑置(Idle)狀態(tài)，此時(shí)D+為“1”(高電平，大約3至5V)，D—為邏輯“0”(低電平，大約0至1.4V)。IC1為“或”門。IC2、 IC4、IC5和IC6為可控三態(tài)緩沖器。其中，IC2和IC4是當(dāng)其控制信號(hào)EN為“0”時(shí)導(dǎo)通的，而IC5和IC6是當(dāng)其控制信號(hào)EN為“1”時(shí)導(dǎo)通的。由于IC2和IC4在不導(dǎo)通時(shí)(即EN為“1”時(shí))輸出為高阻狀態(tài)，所以在IC2的輸出端加了上拉電阻R1、在IC4的輸出端加了上拉電阻R2。 IC3、IC10和IC11是比較器。IC7是單穩(wěn)觸發(fā)電路由輸入端(信號(hào)VP)下降沿觸發(fā)，輸出EN平時(shí)為“0”。當(dāng)IC7的輸入端出現(xiàn)一個(gè)下降沿時(shí)，其輸出端將出現(xiàn)一個(gè)持續(xù)時(shí)間大約1000us的“1”狀態(tài)，然后恢復(fù)為“0”。IC7的輸出信號(hào)EN通過控制IC2、IC4、IC5和IC6來控D+、D —的“收/發(fā)”狀態(tài)。由于EN平時(shí)為“0”，所以平時(shí)允許接收D+和D—(IC2、IC4導(dǎo)通)，而禁止發(fā)送信號(hào)到D+和D—上(IC5和IC6輸出為高阻態(tài))。IC8是一個(gè)復(fù)合邏輯電路，其輸入、輸出以及光發(fā)射二極管的光強(qiáng)度關(guān)系如表1：

IC8的輸出A和B是具有足夠電流驅(qū)動(dòng)能力的電壓，通過電阻R3和R4送給光發(fā)射二極管IC12。光發(fā)射二極管IC12的輸出光強(qiáng)度大致正比于輸入電流。當(dāng)A和B同時(shí)為“1”時(shí)，通過光發(fā)射二極管的電流最大，所以此時(shí)光強(qiáng)度狀態(tài)稱為“全亮”。當(dāng)A為“1”、B為“0”時(shí)，電流只有大約一半，此時(shí)光強(qiáng)度狀態(tài)為“半亮”。當(dāng)A為“0”、B為“0”時(shí)，電流為0，此時(shí)光強(qiáng)度狀態(tài)為“暗”。IC13為光接收器。由于如圖描述的電路是實(shí)際產(chǎn)品的一半，即在相互光電隔離的兩個(gè)USB口各加一個(gè)這樣的USB轉(zhuǎn)光的電路，所以IC13光接收器接對(duì)方電路的光發(fā)射二極管的光(即通過光電耦合器)。IC13接收光， IC13的輸出為與接收到的光的強(qiáng)度大致成正比的電壓。無接收光時(shí)(即對(duì)方發(fā)射的光強(qiáng)度為“暗”)，IC13的輸出V0大約為0。由于比較器IC10、 IC11的負(fù)端輸入電壓都大于0，所以IC10和IC11的輸出的邏輯狀態(tài)均為“0”，即H=“0”且L=“0”。當(dāng)對(duì)方光發(fā)射強(qiáng)度為“全亮”時(shí)， IC13的輸出電壓比V1和V2都大(V1、V2的值都可通過調(diào)節(jié)電阻R5、R6和R7的值得到)，所以IC10、IC11的輸出的邏輯狀態(tài)為H=“1” 且L=“1”。當(dāng)對(duì)方光發(fā)射強(qiáng)度為“半亮”時(shí)，IC13的輸出電壓比V1大而比V2小(V1、V2的值都可通過調(diào)節(jié)電阻R5、R6和R7的值得到)，所以 IC10、IC11的輸出的邏輯狀態(tài)為H=“0”且L=“1”。IC9是一個(gè)復(fù)合邏輯電路，其輸入與輸出以及接收光強(qiáng)度的關(guān)系如表2。

輸入與輸出以及接收光強(qiáng)度的關(guān)系表

對(duì)于全速USB的信號(hào)，平時(shí)閑置狀態(tài)(Idle)時(shí)D+為邏輯“1”、D—為邏輯“0”，所以IC1、IC2的輸出為“1”，IC3、IC4的輸出為“1”，這樣根據(jù)表1 可知輸出光強(qiáng)度為“暗”。當(dāng)光強(qiáng)度為“暗 ”時(shí)，根據(jù)表2傳到對(duì)方電路的光接收器并經(jīng)過對(duì)方電路的IC9后的輸出為VP=“1”、VM=“0”。一旦USB開始傳輸數(shù)據(jù)，則D+和D—的信號(hào)邏輯狀態(tài)發(fā)生變化。全速USB的信號(hào)狀態(tài)變化為：D+由“1”變成為“0”，D—由“0”變成為“1”。上位機(jī)的USB信號(hào)狀態(tài)先出現(xiàn)變化，此時(shí)IC1和IC2 的輸出仍然為“1”，IC3和IC4的輸出變成為“0”。

根據(jù)表1 ，光發(fā)射二極管將由“暗”變成為“全亮”。“全亮”的光通過光電耦合器傳到對(duì)方電路(與本專利描述的一樣)的光接收管。根據(jù)表2，對(duì)方電路的VP由“1” 變?yōu)?ldquo;0”，VM 由“0”變?yōu)?ldquo;1”。對(duì)方電路的VP由“1”變?yōu)?ldquo;0”就是說這個(gè)VP產(chǎn)生了一個(gè)下降沿，從而觸發(fā)了對(duì)方電路的IC7，使IC7的輸出EN由“0”變?yōu)?“1”并且保持“1”大約1000us(然后又恢復(fù)為“0”)。對(duì)方電路的VM由“0”變?yōu)?ldquo;1”從而使對(duì)方電路的USB信號(hào)由禁止發(fā)送(EN=“0”)變?yōu)榻菇邮?EN=“1”)。此時(shí)對(duì)方電路的VP和VM可以通過對(duì)方電路的IC5和IC6傳給對(duì)方電路的D+和D—，從而使上位機(jī)的USB信號(hào)在 1000us內(nèi)通過光電耦合器傳到對(duì)方電路(即：下位機(jī))的D+ 和D —線上。在這1000us內(nèi)可以過光電耦合器傳輸三種D+和D—狀態(tài)： ①、 D+為“1”且D—為“0”(代表閑置狀態(tài)以及數(shù)據(jù)“1”)②、 D+為“0”且D—為“1”(代表數(shù)據(jù)“0”)③、D+為“0”且D—為“0”(代表數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束標(biāo)志)。

這三種狀態(tài)可以表達(dá)USB信號(hào)的所有狀態(tài)(D+ 為“1”且D—為“1”的狀態(tài)是禁止的)。前面已經(jīng)描述了如何通過光強(qiáng)度的“暗”代表狀態(tài)①、“全亮”代表狀態(tài)②。而狀態(tài)③恰好是通過光強(qiáng)度的“半亮”來表示，具體描述如下：當(dāng)D+和D—處于狀態(tài) ③時(shí)， D+和D—都為“0”，IC1和IC2的輸出為DOR=“0”，根據(jù)表1，此時(shí)光發(fā)射二極管的強(qiáng)度為“半亮”。“半亮”的光傳輸?shù)綄?duì)方電路的光接收管 IC12并且經(jīng)過對(duì)方電路的比較器IC10和IC11，輸出為H=“0”、L=“1”。根據(jù)表2，對(duì)方電路IC9個(gè)輸出為VP=VM=“0”。而在單穩(wěn)電路輸出為“1”的1000us內(nèi)正好將這個(gè)狀態(tài)③傳輸給對(duì)方電路的D+和D—(均為“0”)。

在大約1000us的時(shí)間內(nèi)，恰好上位機(jī)向下位機(jī)傳輸一幀USB數(shù)據(jù)完畢，并且等待下位機(jī)回傳應(yīng)答信號(hào)。1000us結(jié)束后，下位機(jī)的IC7的輸出EN恢復(fù)為“0”，此時(shí)下位機(jī)的USB數(shù)據(jù)狀態(tài)先變化。下位機(jī)的USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)的過程與前面描述的上位機(jī)的USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)较挛粰C(jī)的過程原理完全一樣。

對(duì)于高速USB(480M)，由于傳輸一幀數(shù)據(jù)的時(shí)間減少了，所以單穩(wěn)電路的延時(shí)時(shí)間要相應(yīng)減小。

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