目前計(jì)算機(jī)的USB" target="_blank">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(lái)進(jìn)行有效的保護(hù),,只有USB以及類似的1394接口目前還沒(méi)有方便的隔離保護(hù)方案。
實(shí)現(xiàn)原理
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),。
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(guò)控制端EN來(lái)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(guò)控制端EN來(lái)控制來(lái)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(guò)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(guò)控制IC2,、IC4、IC5和IC6來(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(wú)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(guò)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?。╒1、V2的值都可通過(guò)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(guò)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(guò)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(shuō)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)榻菇邮眨‥N=“1”),。此時(shí)對(duì)方電路的VP和VM可以通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)光強(qiáng)度的“半亮”來(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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,。
參考文獻(xiàn)
1,、黃麗 通過(guò)光纖傳輸U(kuò)SB信號(hào)的電路設(shè)計(jì)及應(yīng)用 電子技術(shù)應(yīng)用2006年2期
2、中國(guó)專利:ZL02284434