USB接口的光電隔離保護(hù)方案及其實(shí)現(xiàn)

孫漢華     武漢波仕電子有限公司（430074） 

　摘　要

本文涉及對(duì)USB（通用串行總線）接口進(jìn)行光電隔離保護(hù)的方案設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)。本方案將USB（通用串行總線）信號(hào)D+、D—的三種狀態(tài)轉(zhuǎn)換為光電耦合器的發(fā)光二極管的三種強(qiáng)度全亮、半亮、暗，并且傳輸?shù)焦怆婑詈掀鞯墓饷羧龢O管接收器再通過(guò)相應(yīng)電路恢復(fù)D+、D—的三種狀態(tài)。光敏三極管接收器電路的輸出信號(hào)之一觸發(fā)單穩(wěn)延時(shí)電路來(lái)控制D+、D—與光發(fā)射電路、光接收電路的通與斷。

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(lái)進(jìn)行有效的保護(hù)，只有USB以及類(lèi)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(mén)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(mén)。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：

表1

（表格中的X表示任意狀態(tài)，即：1或者0均可）

　　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(chēng)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小（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=“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。

表2

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(kāi)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(zhuān)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)?ldquo;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�止接收（EN=“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)于半速USB（1.5M），閑置狀態(tài)為D+為“0”且D—為“1”。開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，D+由“0”變?yōu)?ldquo;1”且D—由“1”變?yōu)?ldquo;0”。同時(shí)由于傳輸一幀數(shù)據(jù)的時(shí)間增加了，所以單穩(wěn)電路的延時(shí)時(shí)間要相應(yīng)增加。IC8復(fù)合邏輯電路改為閑置狀態(tài)時(shí)輸出光強(qiáng)度為“暗”（即：不發(fā)光）。USB大部分時(shí)間為閑置狀態(tài)，此時(shí)光發(fā)射二極管不發(fā)光，這樣能夠延長(zhǎng)光發(fā)射二極管的工作壽命，并且也節(jié)省功耗。USB數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束的標(biāo)志還是D+為“0”且D—為“0”。由于IC8復(fù)合邏輯電路的邏輯關(guān)系改變了，所以相應(yīng)的IC9復(fù)合邏輯電路的邏輯關(guān)系也要改變，以便產(chǎn)生下降沿輸出以及能夠?qū)�D+和D—的狀態(tài)在對(duì)方電路的D+和D—線上正確恢復(fù)。

　　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) 略