USB接口的光電隔離保護方案及其實現

孫漢華     武漢波仕電子有限公司（430074） 

　摘　要

本文涉及對USB（通用串行總線）接口進行光電隔離保護的方案設計及其實現。本方案將USB（通用串行總線）信號D+、D—的三種狀態轉換為光電耦合器的發光二極管的三種強度全亮、半亮、暗，并且傳輸到光電耦合器的光敏三極管接收器再通過相應電路恢復D+、D—的三種狀態。光敏三極管接收器電路的輸出信號之一觸發單穩延時電路來控制D+、D—與光發射電路、光接收電路的通與斷。

目前計算機的USB接口已經大量使用，一般每臺電腦都有2到4個USB口。當一臺電腦同時接多個USB外部設備時，如果這些外部設備介入了高電壓干擾，就可能會燒壞電腦的USB口甚至電腦以及外設。目前電腦的幾種通信接口中，MODEM口以及以太網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光電隔離器來進行有效的保護，只有USB以及類似的1394接口目前還沒有方便的隔離保護方案。

實現原理

本文提供了一種對USB信號進行光電隔離的電路，可以使USB的接口得到保護。

　　　圖1為將USB信號（D+、D—）轉換為光信號的原理框圖。

USB信號檢測電路（1）將D+和D—變換為“或”門輸出DOR1和差分比較器輸出RCV1。一雙可控三態緩沖器（2）通過控制端EN來控制邏輯“通”與“端”。當EN=“0”時，DOR=DOR1、RCV=RCV1。而當EN=“1”時，DOR和RCV為高阻狀態。光發射驅動電路（3）將DOR和RCV轉換為三種光強度（亮、半亮、暗）。光接收電路（4）將接收到的三種光強度（亮、半亮、暗）恢復為D+和D—的三種狀態。光接收電路（4）的輸出之一H的狀態變化觸發單穩延時電路（5）。單穩延時電路（5）的輸出EN平時（即USB信號處于閑置狀態時）為“0”，當其輸入H有下降延（即由“1”變為“0”）時輸出EN由“0”變為“1”并且保持為“1”大約1000us，然后恢復為“0”。另一雙可控三態緩沖器（2）通過控制端EN來控制來控制邏輯“通”與“斷”，當EN=“1”時，VP=H、VM=L，而當EN=“0”時輸出VP、VM為高阻狀態。

具體實施方式

圖2為將USB信號轉換為光信號的具體電路圖。假設USB為全速狀態（12M），此時D+通過大約1.5KΩ的電阻接+5V電源。平時USB信號處于閑置（Idle）狀態，此時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為可控三態緩沖器。其中，IC2和IC4是當其控制信號EN為“0”時導通的，而IC5和IC6是當其控制信號EN為“1”時導通的。由于IC2和IC4在不導通時（即EN為“1”時）輸出為高阻狀態，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是單穩觸發電路由輸入端（信號VP）下降沿觸發，輸出EN平時為“0”。當IC7的輸入端出現一個下降沿時，其輸出端將出現一個持續時間大約1000us的“1”狀態，然后恢復為“0”。IC7的輸出信號EN通過控制IC2、IC4、IC5和IC6來控D+、D—的“收/發”狀態。由于EN平時為“0”，所以平時允許接收D+和D—（IC2、IC4導通），而禁止發送信號到D+和D—上（IC5和IC6輸出為高阻態）。IC8是一個復合邏輯電路，其輸入、輸出以及光發射二極管的光強度關系如表1：

表1

（表格中的X表示任意狀態，即：1或者0均可）

　　IC8的輸出A和B是具有足夠電流驅動能力的電壓，通過電阻R3和R4送給光發射二極管IC12。光發射二極管IC12的輸出光強度大致正比于輸入電流。當A和B同時為“1”時，通過光發射二極管的電流最大，所以此時光強度狀態稱為“全亮”。當A為“1”、B為“0”時，電流只有大約一半，此時光強度狀態為“半亮”。當A為“0”、B為“0”時，電流為0，此時光強度狀態為“暗”。IC13為光接收器。由于如圖描述的電路是實際產品的一半，即在相互光電隔離的兩個USB口各加一個這樣的USB轉光的電路，所以IC13光接收器接對方電路的光發射二極管的光（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度大致成正比的電壓。無接收光時（即對方發射的光強度為“暗”），IC13的輸出V0大約為0。由于比較器IC10、IC11的負端輸入電壓都大于0，所以IC10和IC11的輸出的邏輯狀態均為“0”，即H=“0”且L=“0”。當對方光發射強度為“全亮”時，IC13的輸出電壓比V1和V2都大（V1、V2的值都可通過調節電阻R5、R6和R7的值得到），所以IC10、IC11的輸出的邏輯狀態為H=“1”且L=“1”。當對方光發射強度為“半亮”時，IC13的輸出電壓比V1大而比V2小（V1、V2的值都可通過調節電阻R5、R6和R7的值得到），所以IC10、IC11的輸出的邏輯狀態為H=“0”且L=“1”。IC9是一個復合邏輯電路，其輸入與輸出以及接收光強度的關系如表2。

表2

對于全速USB的信號，平時閑置狀態（Idle）時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”，這樣根據表1可知輸出光強度為“暗”。當光強度為“暗”時，根據表2傳到對方電路的光接收器并經過對方電路的IC9后的輸出為VP=“1”、VM=“0”。一旦USB開始傳輸數據，則D+和D—的信號邏輯狀態發生變化。全速USB的信號狀態變化為：D+由“1”變成為“0”，D—由“0”變成為“1”。上位機的USB信號狀態先出現變化，此時IC1和IC2的輸出仍然為“1”，IC3和IC4的輸出變成為“0”。根據表1 ，光發射二極管將由“暗”變成為“全亮”。“全亮”的光通過光電耦合器傳到對方電路（與本專利描述的一樣）的光接收管。根據表2，對方電路的VP由“1”變為“0”，VM 由“0”變為“1”。對方電路的VP由“1”變為“0”就是說這個VP產生了一個下降沿，從而觸發了對方電路的IC7，使IC7的輸出EN由“0”變為“1”并且保持“1”大約1000us（然后又恢復為“0”）。對方電路的VM由“0”變為“1”從而使對方電路的USB信號由禁止發送（EN=“0”）變為禁止接收（EN=“1”）。此時對方電路的VP和VM可以通過對方電路的IC5和IC6傳給對方電路的D+和D—，從而使上位機的USB信號在1000us內通過光電耦合器傳到對方電路（即：下位機）的D+和D—線上。在這1000us內可以過光電耦合器傳輸三種D+和D—狀態： ①、 D+為“1”且D—為“0”（代表閑置狀態以及數據“1”）②、 D+為“0”且D—為“1”（代表數據“0”）③、D+為“0”且D—為“0”（代表數據傳輸結束標志）。這三種狀態可以表達USB信號的所有狀態（D+為“1”且D—為“1”的狀態是禁止的）。前面已經描述了如何通過光強度的“暗”代表狀態①、“全亮”代表狀態②。而狀態③恰好是通過光強度的“半亮”來表示，具體描述如下：當D+和D—處于狀態 ③時， D+和D—都為“0”，IC1和IC2的輸出為DOR=“0”，根據表1，此時光發射二極管的強度為“半亮”。“半亮”的光傳輸到對方電路的光接收管IC12并且經過對方電路的比較器IC10和IC11，輸出為H=“0”、L=“1”。根據表2，對方電路IC9個輸出為VP=VM=“0”。而在單穩電路輸出為“1”的1000us內正好將這個狀態③傳輸給對方電路的D+和D—（均為“0”）。在大約1000us的時間內，恰好上位機向下位機傳輸一幀USB數據完畢，并且等待下位機回傳應答信號。1000us結束后，下位機的IC7的輸出EN恢復為“0”，此時下位機的USB數據狀態先變化。 下位機的USB數據傳輸到上位機的過程與前面描述的上位機的USB數據傳輸到下位機的過程原理完全一樣。      

對于半速USB（1.5M），閑置狀態為D+為“0”且D—為“1”。開始傳輸數據時，D+由“0”變為“1”且D—由“1”變為“0”。同時由于傳輸一幀數據的時間增加了，所以單穩電路的延時時間要相應增加。IC8復合邏輯電路改為閑置狀態時輸出光強度為“暗”（即：不發光）。USB大部分時間為閑置狀態，此時光發射二極管不發光，這樣能夠延長光發射二極管的工作壽命，并且也節省功耗。USB數據傳輸結束的標志還是D+為“0”且D—為“0”。由于IC8復合邏輯電路的邏輯關系改變了，所以相應的IC9復合邏輯電路的邏輯關系也要改變，以便產生下降沿輸出以及能夠將D+和D—的狀態在對方電路的D+和D—線上正確恢復。

　　對于高速USB（480M），由于傳輸一幀數據的時間減少了，所以單穩電路的延時時間要相應減小。

參考文獻 略