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[導(dǎo)讀]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)。

    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)。

將USB信號(hào)

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)椤?”)時(shí)輸出EN由“0”變?yōu)椤?”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

將USB信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的具體電路圖 
圖2

  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:

輸入

  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?。╒1、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。

入與輸出以及接收光強(qiáng)度的關(guān)系表

    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”?!叭痢钡墓馔ㄟ^(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)椤?”,VM 由“0”變?yōu)椤?”。對(duì)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(duì)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(fù)為“0”)。對(duì)方電路的VM由“0”變?yōu)椤?”從而使對(duì)方電路的USB信號(hào)由禁止發(fā)送(EN=“0”)變?yōu)榻菇邮眨‥N=“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”?!鞍肓痢钡墓鈧鬏?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)

  1、黃麗 通過(guò)光纖傳輸U(kuò)SB信號(hào)的電路設(shè)計(jì)及應(yīng)用  電子技術(shù)應(yīng)用2006年2期
    2、中國(guó)專(zhuān)利:ZL02284434    

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