USB接口的几种隔离方案

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关键词:目前计算机的USB接口已经大量使用,一般每台计算机都有2到4个USB口。当一台计算机接多个USB外部设备时,如果这些外部设备或者连接中介入了高电压干扰,就可能会烧坏计算机的USB口甚至主板。本文介绍的就是几种对USB接口的隔离保护方案。波仕电子的USB光电隔离技术原理见图1,其中D+、D-为USB信号,“光发射”是其中一个光电隔离器的LED(发光二极...
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目前计算机的USB接口已经大量使用,一般每台计算机都有2到4个USB口。当一台计算机接多个USB外部设备时 ,如果这些外部设备或者连接中介入了高电压干扰,就可能会烧坏计算机的USB口甚至主板 。本文介绍的就是几种对USB接口的隔离保护方案。
波仕电子的USB光电隔离技术
原理见图1,其中D+、D-为USB信号 ,“光发射”是其中一个光电隔离器的LED(发光二极管),而“光接收”是另外一个光电隔离器的光敏三极管及其信号放大电路。图1的电路只画出了全部的一半,另外一半是完全一样的 ,只是将“光发射 ”对准另外一半电路中的“光接收”(整个为一个光电隔离器)、将“光接收”对准另外一半电路中的“光发射 ”(整个为另外一个光电隔离器) 。


图1
 
为将USB信号(D+ 、D—)转换为光信号的原理框图。USB信号检测电路(1)将D+和D—变换为“或”门输出DOR1和差分比较器输出RCV1。一双可控三态缓冲器(2)通过控制端EN来控制逻辑“通”与“端 ” 。当EN=“0”时,DOR=DOR1、RCV=RCV1。而当EN=“1”时,DOR和RCV为高阻状态。光发射驱动电路(3)将DOR和RCV转换为三种光强度(亮、半亮 、暗) 。光接收电路(4)将接收到的三种光强度(亮、半亮、暗)恢复为D+和D—的三种状态。光接收电路(4)的输出之一H的状态变化触发单稳延时电路(5)。单稳延时电路(5)的输出EN平时(即USB信号处于闲置状态时)为“0 ” ,当其输入H有下降延(即由“1”变为“0”)时输出EN由“0 ”变为“1 ”并且保持为“1”大约1000us,然后恢复为“0” 。另一双可控三态缓冲器(2)通过控制端EN来控制来控制逻辑“通 ”与“断”,当EN=“1”时 ,VP=H 、VM=L ,而当EN=“0 ”时输出VP、VM为高阻状态 。

图2

波仕USB光电隔离器秉承波仕转换器的一贯特色,具有超小型的外形(50*24*70mm)、支持USB2.0全速(12Mbps)速率 、隔离2500V电压、无须外接电源、无须驱动程序。波仕电子的这种技术已经取得专利,ZL02284234.1。波仕USB光电隔离器的使用非常简单 ,与一根普通的USB延长电缆的使用是一样的 。BS-USB产品的上位机侧的电缆为A型插头,直接外插计算机的USB插座。BS-USB产品的下位机侧的电缆为A型插座,用于外接USB设备(比如U盘 、USB/RS-232转换器)的插头。也就是说 ,当BS-USB产品的A型插头外插计算机的USB口时,BS-USB的A型插座就相当于是一个已经隔离的USB口 。由于BS-USB自带隔离DC/DC并且自耗一定功率,所以对外驱动能力小于原计算机USB口的驱动能力。BS-USB特别适合具有USB口的医疗仪器 、高电压数据采集设备等。
当BS-USB只插计算机的USB口而不接外设(比如U盘、USB/RS-232转换器)时 ,BS-USB产品是不需要驱动程序的 。只有将外设插到BS-USB产品上后,计算机才会需要驱动程序,而这个驱动程序与外设直接插计算机的USB口时的驱动程序是一样的。
BS-USB仅仅是一个透明的物理隔离 ,与计算机操作系统无关。自然,BS-USB支持各种操作系统,WindowsXP/2000/Me/98等都可以 。
无线USB隔离方案
采用无线方案的USB口当然实现了绝对电气隔离 ,尽管无线方案存在干扰、保密性能差的缺点。通常我们见到或者使用的无线USB发射器机器配套的外设(比如蓝牙设备)并不是通用的USB无线隔离方案 ,因为无线外设并不能够外插标准的USB设备,比如U盘 、USB/RS-232转换器等。
在此领域公开宣布有产品的目前只有美国贝尔金(Belkin)公司 。贝尔金在2006年国际消费电子展(CES)上首次展出这款无线USB Hub (Belkin Cable-Free USB Hub) 。这是第一款用上超宽带技术(UltraWideBand technology)的消费产品。但此款产品原先使用的Freescale芯片由于暂时无法和Intel支持的无线USB标准兼容,贝尔金迫不得已只好寻找另外一个UWB(超宽带缩写)芯片制造商Wisair。经过重新设计之后 ,这款USB Hub又最终发布在2007的CES上了,供大家销售和评测 。评测的结果表明,此产品的优点在于安装简易(在WINDOWS XP下) ,缺点是速度很慢、价格比较贵 (型号F5U301,价格200美圆)。
产品见图3。Cable Free对U盘和移动硬盘的实际读取速率大概只有1.5 MByte/sec 。

图3

这款产品实际上是使用了UWB技术的无线USB扩展器,代替了我们比较常见的 802.11b/g或者蓝牙技术。简单的表述就是:一个可以接入USB设备的4口hub ,只能连接到WinXP SP2系统的电脑上。贝尔金称此款hub支持“USB打印机,照相机,扫描仪 ,以及其他设备” 。但使用手册上却提示不支持具有同步端点的“音频设备”(USB音频类)和一些网络摄影(USB视频类)设备。该无线hub使用Wisair 531 / 502 UWB芯片以及Star STR9104 ARM922-兼容 RISC CPU。配套的USB 发射器也是使用Wisair 531 / 502芯片和USB控制器 。

工业通信用途的USB隔离方案
在某些工业通信的场合,需要从USB口转换出RS-232或者RS-485用于串行通信。这时可以通过对USB口转换出的RS-232串口加RS-232光电隔离器,波仕电子的典型产品是USB232和BS232-9(见图4)的组合。或者采用光电隔离的USB与串口(RS-232/485/422通用)的转换器 ,波仕的典型产品是USB232GL1(见图5) 。这两种方案大大简化了USB口的隔离方法 ,而且还是无源的 。如果两台计算机想通过USB口相互传输数据而且要求隔离,那么最好就采用这种将USB转换成为隔离串口的方案。

图4


图5

波仕USB232GL1光电隔离微型USB/串口转换器秉承波仕转换器的一贯特色,具有超小型的外形(80*23*47mm)、RS-232 、RS-485、RS-422通用 ,可以虚拟成为本地COM串口(COM1-COM256)、无须修改已有的串口通信软件。同时波仕赠送USB-串口影射程序 。波仕USB232GL1是世界上最小的 、也是使用最简便的光隔USB/串口转换器、实现了USB与串口的光电隔离。
如果USB口是用于接打印机,那么可以选用USB打印服务器。这是通过将以太网转换出用于接打印机的USB口 。我们知道,以太网本身是采用变压器隔离的 ,这就自然实现了USB的变压器电气隔离方案。这种打印服务器安装后虚拟出一个打印口,从原理上讲也就只能够接打印机。当然从USB转换出以太网再经过以太网到USB的转换也一样可以实现USB的变压器隔离,但是原理以及软件的使用与以太网直接转USB的打印服务器方案是一样的 ,并不是真正意义的USB直接隔离 。实现USB电气隔离的技术难点
当初USB的出现是为了统一计算机的各种外设接口,取代PS/2鼠标口、键盘口 、打印口等,特别是取代苹果的Fieware(火线)甚至IEEE-1394口。为了在与后者的竞争中取得优势 ,USB的引脚数就不可能多于后者的4个。而地线、电源线就占了2个,信号线就只剩余2个了 。这与传统的PS/2、RS-232 、打印口 、以太网都有空余线的做法大不一样。同时这样做的结果就使得USB的改进(除了速度改进)余地很小、特别是电气隔离的改进非常困难。USB口的电气隔离技术改进的难点就在于缺少USB的方向信号而USB的两个信号线D+和D—又是不分方向的 。USB信号流的方向是靠D+、D—两个信号的幅值一起来判断的,而且并不是它们的差值 。在USB光电隔离方案 、无线电气隔离以及以太网隔离的方案中 ,难点都在于将USB信号怎样分开为发送与接收两部分。如果USB口本身有一个能够表明数据是发送还是接收的信号线 ,那么USB的电气隔离就好解决多了。
在现有的USB2.0以及USB1.0版本中都缺少一根表明USB数据方向(发送还是接收)的信号线,而指望USB标准增加专门的这根方向标志线是不现实的 。USB的接头机械标准就是4根线,是不可能改变的。我们认为USB标准最有可能的改进在于电源线(+5V)。目前的电源线永远是固定的+5V(或者低电压版的+3.3V) ,其实可以在这根线中增加瞬时低电平脉冲信号作为USB信号方向标志 。这个瞬时低电平脉冲信号只用于表明发送一帧数据的开始,并不一定需要在整个发送数据的时间段一直保持低电平,而且电平也不需要低到0 ,只要低到2/3的高电平可以识别即可。而这样的瞬时低电平并不明显影响USB口的对外设供电能力。我们只能够指望将来可能的USB3.0版本了 。




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