USB接口的幾種隔離方案

1、    USB接口的幾種隔離方案        王 軍, 孫漢華 時(shí)間:2008年07月09日     字 體: 大 中 小        關(guān)鍵詞:<"cblue" " target='_blank'>電氣隔離<"cblue" " target='_blan

2、k'>貝爾金<"cblue" " target='_blank'>隔離器<"cblue" " target='_blank'>串口<"cblue" " target='_blank'>三種            ? 目前計(jì)算機(jī)的USB接口已經(jīng)大量使用，當(dāng)一臺(tái)計(jì)算機(jī)接多個(gè)USB外部設(shè)備時(shí)，如果

3、這些外部設(shè)備或者連接電纜中介入了高電壓干擾，就可能會(huì)燒壞計(jì)算機(jī)的USB口甚至主板。下面介紹幾種對(duì)USB接口的隔離保護(hù)方案。1 波仕電子的USB光電隔離技術(shù)? USB信號(hào)D+、D-轉(zhuǎn)換為光電信號(hào)原理框圖（即USB信號(hào)檢測(cè)電路）如圖1所示。圖中，“光發(fā)射”是其中一個(gè)光電<"cblue" " title="隔離器">隔離器的<"innerlink" " title="LED">LED發(fā)光二極管，而“光接收”則是另外一個(gè)光電隔離器的光敏三極管及其信號(hào)放大電路。圖1的電路只畫出了全

4、部電路的一半，另外一半完全相同，只是將“光發(fā)射”對(duì)準(zhǔn)另外一半電路中的“光接收”（整個(gè)為一個(gè)光電隔離器）、將“光接收”對(duì)準(zhǔn)另外一半電路中的“光發(fā)射”（整個(gè)為另外一個(gè)光電隔離器）。? （1）將D+和D-分別變換為“或”門輸出DOR1和差分比較器輸出RCV1。? （2）通過控制端EN來控制邏輯“通”與“斷”。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)電路將DOR和RCV轉(zhuǎn)換為<"cblue" " title="三種">三種光強(qiáng)度（亮、半亮、暗）。光接收電路將接收到的三種光

5、強(qiáng)度（亮、半亮、暗）恢復(fù)為D+和D-的三種狀態(tài)。光接收電路的輸出之一H的狀態(tài)變化觸發(fā)單穩(wěn)延時(shí)電路。單穩(wěn)延時(shí)電路的輸出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)椤?”）時(shí)，輸出EN由“0”變?yōu)椤?”并且保持為“1”大約1000?滋s，然后恢復(fù)為“0”。另一雙可控三態(tài)緩沖器通過控制端EN來控制邏輯“通”與“斷”，當(dāng)EN=“1”時(shí)，輸出VP=H、VM=L；而當(dāng)EN=“0”時(shí)，輸出VP、VM為高阻狀態(tài)。波仕電子的這種技術(shù)已經(jīng)取得專利（專利號(hào)：ZL02284234.1）。2 無線USB隔離方案? 盡管無線方案存在干擾、保密性能差的缺點(diǎn)，采用無線方案的USB口已實(shí)現(xiàn)

6、了絕對(duì)<"cblue" " title="電氣隔離">電氣隔離。但通常所見到或者使用的無線USB發(fā)射器配套的外設(shè)（比如藍(lán)牙設(shè)備）并不是通用的USB無線隔離方案，因?yàn)闊o線外設(shè)并不能夠外插標(biāo)準(zhǔn)的USB設(shè)備，如U盤、USB/RS-232轉(zhuǎn)換器等。? 目前，在此領(lǐng)域公開宣布有產(chǎn)品的只有美國(guó)<"cblue" " title="貝爾金">貝爾金（Belkin）公司。貝爾金在2006年國(guó)際消費(fèi)電子展（CES）上首次展出這款無線USB Hub（Belkin Cable-Free USB

7、Hub）。這是第一款用上超寬帶技術(shù)的消費(fèi)產(chǎn)品。但此款產(chǎn)品原先使用的Freescale芯片由于暫時(shí)無法和Intel支持的無線USB標(biāo)準(zhǔn)兼容，貝爾金迫不得已只好尋找另外一個(gè)超寬帶UWB（UltraWideBand）芯片制造商Wisair。經(jīng)過重新設(shè)計(jì)之后，這款USB Hub又最終在2007的CES上發(fā)布了，供大家銷售和評(píng)測(cè)。評(píng)測(cè)的結(jié)果表明，該產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)在于安裝簡(jiǎn)易（在WINDOWS XP下），缺點(diǎn)是速度很慢、價(jià)格比較貴(型號(hào)為F5U301的價(jià)格為200美元)。Cable Free對(duì)U盤和移動(dòng)硬盤的實(shí)際讀取速率約1.5MBps。這款產(chǎn)品實(shí)際上是使用了UWB技術(shù)的無線USB擴(kuò)展器，代替了比較常見的 8

8、02.11b/g或者藍(lán)牙技術(shù)。也就是,一個(gè)可以接入U(xiǎn)SB設(shè)備的四口Hub，只能連接到WinXP SP2系統(tǒng)的電腦上。? 貝爾金稱此款Hub支持USB打印機(jī)、照相機(jī)、掃描儀以及其他設(shè)備。但使用手冊(cè)上卻提示不支持具有同步端點(diǎn)的“音頻設(shè)備”（USB音頻類）和一些網(wǎng)絡(luò)攝影（USB視頻類）設(shè)備。? 將實(shí)物產(chǎn)品打開外殼后可以見到hub面板上的Wisair 531/502 UWB芯片以及Star STR9104 ARM922-兼容 RISC CPU。配套的USB發(fā)射器也是使用Wisair 531/502芯片和USB控制器。3 特定用途的USB隔離方案? 在某些工業(yè)通信場(chǎng)合使用的是RS-232串行口（或者RS

9、-485口）。早期的計(jì)算機(jī)本身帶RS-232串行口，但是最近幾年，計(jì)算機(jī)特別是筆記本電腦都已經(jīng)取消了RS-232串行口，而是都增加了USB口。這就需要從USB口經(jīng)過USB/RS-232轉(zhuǎn)換器生成出RS-232串行口（或者RS-485）用于串行通信。這時(shí)可以通過對(duì)USB口轉(zhuǎn)換出的RS-232<"cblue" " title="串口">串口再接一個(gè)RS-232光電隔離器，波仕電子的典型產(chǎn)品是如圖2所示的USB232和BS232-9的組合。對(duì)USB口轉(zhuǎn)換出的RS-232串口加無源光隔RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器可以增加光電隔離的RS-

10、485口，其波仕的典型產(chǎn)品是USB232和485TA的組合。這兩種組合方式大大簡(jiǎn)化了USB口的隔離方案，而且還是無源的。如果兩臺(tái)計(jì)算機(jī)想通過USB口相互傳輸數(shù)據(jù)而且要求隔離，則最好就采用這種將USB轉(zhuǎn)換成為隔離串口的方案。? 如果USB口用于接打印機(jī)，其實(shí)現(xiàn)隔離的方法就可以選用USB打印服務(wù)器。USB打印服務(wù)器就是通過將計(jì)算機(jī)的以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換出用于接打印機(jī)的USB口。而以太網(wǎng)本身是采用變壓器隔離的，這就自然實(shí)現(xiàn)了USB的變壓器電氣隔離方案。這種打印服務(wù)器安裝后虛擬出一個(gè)打印口，從原理上講也就只能夠接打印機(jī)。也許有人問，如果先從USB口經(jīng)過USB/以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器生成一個(gè)以太網(wǎng)口，然后在這個(gè)以太網(wǎng)口上再

11、接一個(gè)USB打印服務(wù)器，是不是就可實(shí)現(xiàn)USB到USB的直接隔離呢？這種方案雖然實(shí)現(xiàn)了USB的電氣隔離，但是原理以及軟件的使用與以太網(wǎng)直接轉(zhuǎn)USB的打印服務(wù)器方案是一樣的，并不是真正意義的USB直接隔離，而且還是只能夠接打印機(jī)。4 實(shí)現(xiàn)USB電氣隔離的技術(shù)難點(diǎn)? 當(dāng)初USB的出現(xiàn)是為了統(tǒng)一計(jì)算機(jī)的各種外設(shè)接口，取代PS/2鼠標(biāo)口、鍵盤口、打印口等，特別是取代蘋果的Fieware（火線）甚至IEEE-1394口。為了在與后者的競(jìng)爭(zhēng)中取得優(yōu)勢(shì)，USB的引腳數(shù)就不可能多于后者的4個(gè)。而地線、電源線就占了2個(gè)，信號(hào)線就只剩余2個(gè)了。這與傳統(tǒng)的PS/2、RS-232、打印口、以太網(wǎng)都有空余線的做法大不一樣

12、。同時(shí)這樣做的結(jié)果使得USB的改進(jìn)（除了速度改進(jìn)）余地很小，特別是電氣隔離的改進(jìn)非常困難。USB口的電氣隔離技術(shù)改進(jìn)的難點(diǎn)就在于缺少USB的方向信號(hào)，而USB的兩個(gè)信號(hào)線D+和D-又是不分方向的。USB信號(hào)流的方向是靠D+、D-兩個(gè)信號(hào)的幅值一起來判斷的，而且并不是它們的差值。在USB光電隔離方案、無線電氣隔離方案以及以太網(wǎng)隔離的方案中，難點(diǎn)都在于將USB信號(hào)怎樣分開為發(fā)送與接收兩部分。如果USB口本身有一個(gè)能夠表明數(shù)據(jù)是發(fā)送還是接收的信號(hào)線，那么USB的電氣隔離就容易多了。? 在現(xiàn)有的USB2.0以及USB1.0版本中都缺少一根表明USB數(shù)據(jù)方向（發(fā)送還是接收）的信號(hào)線，而指望USB標(biāo)準(zhǔn)增加專門的這根方向標(biāo)志線是不現(xiàn)實(shí)的。因?yàn)閁SB的接頭機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)就是4根線，是不可能改變的。作者認(rèn)為USB標(biāo)準(zhǔn)最有可能的改進(jìn)在于電源線（+5V）。目前的電源線永遠(yuǎn)是固定的+5V（或者低電壓版的+3.3V），其實(shí)可以在這根線中增加瞬時(shí)低電平脈沖信號(hào)作為USB信號(hào)方向標(biāo)志。這個(gè)瞬時(shí)低電平脈沖信號(hào)只用于表明發(fā)送一幀數(shù)據(jù)的開始，并不一定需