|
目前計算機的USB接口已經(jīng)大量使用，一般每臺電腦都有2到4個(gè)USB口。當一臺電腦同時(shí)接多個(gè)USB外部設備時(shí)，如果這些外部設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。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，只有USB以及類(lèi)似的1394接口目前還沒(méi)有方便的隔離保護方案。 實(shí)現原理 本文提供了一種對USB信號進(jìn)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(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EN=“0”時(shí)，DOR=DOR1、RCV=RCV1。而當EN=“1”時(shí)，DOR和RCV為高阻狀態(tài)。光發(fā)射驅動(dòng)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(tài)。光接收電路（4）的輸出之一H的狀態(tài)變化觸發(fā)單穩延時(shí)電路（5）。單穩延時(shí)電路（5）的輸出EN平時(shí)（即USB信號處于閑置狀態(tài)時(shí)）為“0”，當其輸入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1000us，然后恢復為“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EN=“1”時(shí)，VP=H、VM=L，而當EN=“0”時(shí)輸出VP、VM為高阻狀態(tài)。 具體實(shí)施方式 圖2 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(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是當其控制信號EN為“0”時(shí)導通的，而IC5和IC6是當其控制信號EN為“1”時(shí)導通的。由于IC2和IC4在不導通時(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是單穩觸發(fā)電路由輸入端（信號VP）下降沿觸發(fā)，輸出EN平時(shí)為“0”。當IC7的輸入端出現一個(gè)下降沿時(shí)，其輸出端將出現一個(gè)持續時(shí)間大約1000us的“1”狀態(tài)，然后恢復為“0”。IC7的輸出信號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導通），而禁止發(fā)送信號到D+和D—上（IC5和IC6輸出為高阻態(tài)）。IC8是一個(gè)復合邏輯電路，其輸入、輸出以及光發(fā)射二極管的光強度關(guān)系如表1： IC8的輸出A和B是具有足夠電流驅動(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的輸出光強度大致正比于輸入電流。當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)光強度狀態(tài)稱(chēng)為“全亮”。當A為“1”、B為“0”時(shí)，電流只有大約一半，此時(shí)光強度狀態(tài)為“半亮”。當A為“0”、B為“0”時(shí)，電流為0，此時(shí)光強度狀態(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轉光的電路，所以IC13光接收器接對方電路的光發(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度大致成正比的電壓。無(wú)接收光時(shí)（即對方發(fā)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(tài)均為“0”，即H=“0”且L=“0”。當對方光發(fā)射強度為“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)調節電阻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”。當對方光發(fā)射強度為“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)調節電阻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)復合邏輯電路，其輸入與輸出以及接收光強度的關(guān)系如表2。 對于全速USB的信號，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”，這樣根據表1可知輸出光強度為“暗”。當光強度為“暗 ”時(shí)，根據表2傳到對方電路的光接收器并經(jīng)過(guò)對方電路的IC9后的輸出為VP=“1”、VM=“0”。一旦USB開(kāi)始傳輸數據，則D+和D—的信號邏輯狀態(tài)發(fā)生變化。全速USB的信號狀態(tài)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(tài)先出現變化，此時(shí)IC1和IC2的輸出仍然為“1”，IC3和IC4的輸出變成為“0”。根據表1 ，光發(fā)射二極管將由“暗”變成為“全亮”�！叭痢钡墓馔ㄟ^(guò)光電耦合器傳到對方電路（與本專(zhuān)利描述的一樣）的光接收管。根據表2，對方電路的VP由“1”變?yōu)椤?”，VM 由“0”變?yōu)椤?”。對方電路的VP由“1”變?yōu)椤?”就是說(shuō)這個(gè)VP產(chǎn)生了一個(gè)下降沿，從而觸發(fā)了對方電路的IC7，使IC7的輸出EN由“0”變?yōu)椤?”并且保持“1”大約1000us（然后又恢復為“0”）。對方電路的VM由“0”變?yōu)椤?”從而使對方電路的USB信號由禁止發(fā)送（EN=“0”）變?yōu)榻菇邮眨‥N=“1”）。此時(shí)對方電路的VP和VM可以通過(guò)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(guò)光電耦合器傳到對方電路（即：下位機）的D+ 和D—線(xiàn)上。在這1000us內可以過(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(tài)可以表達USB信號的所有狀態(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)光強度的“半亮”來(lái)表示，具體描述如下：當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”，根據表1，此時(shí)光發(fā)射二極管的強度為“半亮”�！鞍肓痢钡墓鈧鬏數綄Ψ诫娐返墓饨邮展躀C12并且經(jīng)過(guò)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(gè)輸出為VP=VM=“0”。而在單穩電路輸出為“1”的1000us內正好將這個(gè)狀態(tài)③傳輸給對方電路的D+和D—（均為“0”）。在大約1000us的時(shí)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(shí)下位機的USB數據狀態(tài)先變化。 下位機的USB數據傳輸到上位機的過(guò)程與前面描述的上位機的USB數據傳輸到下位機的過(guò)程原理完全一樣。 對于高速USB（480M），由于傳輸一幀數據的時(shí)間減少了，所以單穩電路的延時(shí)時(shí)間要相應減小。 參考文獻 1、黃麗 通過(guò)光纖傳輸USB信號的電路設計及應用? 電子技術(shù)應用2006年2期 2、中國專(zhuān)利：ZL02284434 |
