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(shè)計及其實現(xiàn)。本方案將USB（通用串行總線）信號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之一觸發(fā)單穩(wěn)延時電路來控制D+、D-與光發(fā)射電路、光接收電路的通與斷。

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USB口。當一臺電腦同時接多個USB外部設(shè)備時，如果這些外部設(shè)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(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(xiàn)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。

USB接口的光電隔離保護方案及其實現(xiàn) 將USB信號（D+、D-）轉(zhuǎn)換為光信號的原理框圖

圖1為將USB信號（D+、D-）轉(zhuǎn)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(tài)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(tài)。光發(fā)射驅(qū)動電路（3）將DOR和RCV轉(zhuǎn)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(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)延時電路（5）。單穩(wěn)延時電路（5）的輸出EN平時（即USB信號處于閑置狀態(tài)時）為“0”，當其輸入H有下降延（即由“1”變?yōu)?ldquo;0”）時輸出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(tài)。

具體實施方式

USB接口的光電隔離保護方案及其實現(xiàn) 

圖2為將USB信號轉(zhuǎn)換為光信號的具體電路圖。

假設(shè)USB為全速狀態(tài)（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(tài)，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(tài)緩沖器。其中，IC2和IC4是當其控制信號EN為“0”時導(dǎo)通的，而IC5和IC6是當其控制信號EN為“1”時導(dǎo)通的。由于IC2和IC4在不導(dǎo)通時（即EN為“1”時）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VP）下降沿觸發(fā)，輸出EN平時為“0”。當IC7的輸入端出現(xiàn)一個下降沿時，其輸出端將出現(xiàn)一個持續(xù)時間大約1000us的“1”狀態(tài)，然后恢復(fù)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(fā)”狀態(tài)。由于EN平時為“0”，所以平時允許接收D+和D-（IC2、IC4導(dǎo)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是一個復(fù)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：

（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)動能力的電壓，通過電阻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同時為“1”時，通過光發(fā)射二極管的電流最大，所以此時光強度狀態(tài)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(tài)為“半亮”。當A為“0”、B為“0”時，電流為0，此時光強度狀態(tài)為“暗”。IC13為光接收器。由于如圖描述的電路是實際產(chǎn)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(zhuǎn)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(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，IC13的輸出電壓比V1和V2都大（V1、V2的值都可通過調(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”。當對方光發(fā)射強度為“半亮”時，IC13的輸出電壓比V1大而比V2?。╒1、V2的值都可通過調(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是一個復(fù)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，平時閑置狀態(tài)（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(jù)表1可知輸出光強度為“暗”。當光強度為“暗”時，根據(jù)表2傳到對方電路的光接收器并經(jīng)過對方電路的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(xiàn)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(jù)表1 ，光發(fā)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(jù)表2，對方電路的VP由“1”變?yōu)?ldquo;0”，VM 由“0”變?yōu)?ldquo;1”。對方電路的VP由“1”變?yōu)?ldquo;0”就是說這個VP產(chǎn)生了一個下降沿，從而觸發(fā)了對方電路的IC7，使IC7的輸出EN由“0”變?yōu)?ldquo;1”并且保持“1”大約1000us（然后又恢復(fù)為“0”）。對方電路的VM由“0”變?yōu)?ldquo;1”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(nèi)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(nèi)可以過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恰好是通過光強度的“半亮”來表示，具體描述如下：當D+和D-處于狀態(tài) ③時， D+和D-都為“0”，IC1和IC2的輸出為DOR=“0”，根據(jù)表1，此時光發(fā)射二極管的強度為“半亮”。“半亮”的光傳輸?shù)綄Ψ诫娐返墓饨邮展躀C12并且經(jīng)過對方電路的比較器IC10和IC11，輸出為H=“0”、L=“1”。根據(jù)表2，對方電路IC9個輸出為VP=VM=“0”。

而在單穩(wěn)電路輸出為“1”的1000us內(nèi)正好將這個狀態(tài)③傳輸給對方電路的D+和D-（均為“0”）。在大約1000us的時間內(nèi)，恰好上位機向下位機傳輸一幀USB數(shù)據(jù)完畢，并且等待下位機回傳應(yīng)答信號。1000us結(jié)束后，下位機的IC7的輸出EN恢復(fù)為“0”，此時下位機的USB數(shù)據(jù)狀態(tài)先變化。 下位機的USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C的過程與前面描述的上位機的USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)较挛粰C的過程原理完全一樣。

對于半速USB（1.5M），閑置狀態(tài)為D+為“0”且D-為“1”。開始傳輸數(shù)據(jù)時，D+由“0”變?yōu)?ldquo;1”且D-由“1”變?yōu)?ldquo;0”。同時由于傳輸一幀數(shù)據(jù)的時間增加了，所以單穩(wěn)電路的延時時間要相應(yīng)增加。IC8復(fù)合邏輯電路改為閑置狀態(tài)時輸出光強度為“暗”（即：不發(fā)光）。USB大部分時間為閑置狀態(tài)，此時光發(fā)射二極管不發(fā)光，這樣能夠延長光發(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)+和D-的狀態(tài)在對方電路的D+和D-線上正確恢復(fù)。

對于高速USB（480M），由于傳輸一幀數(shù)據(jù)的時間減少了，所以單穩(wěn)電路的延時時間要相應(yīng)減小。
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