USB接口的幾種隔離方案
目前計(jì)算機(jī)的USB接口已經(jīng)大量使用，一般每臺(tái)計(jì)算機(jī)都有2到4個(gè)USB口。當(dāng)一臺(tái)計(jì)算機(jī)接多個(gè)USB外部設(shè)備時(shí)，如果這些外部設(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。本文介紹的就是幾種對(duì)USB接口的隔離保護(hù)方案。
波仕電子的USB光電隔離技術(shù)
原理見(jiàn)圖1，其中D+、D-為USB信號(hào)，“光發(fā)射”是其中一個(gè)光電隔離器的LED（發(fā)光二極管），而“光接收”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(huà)出了全部的一半，另外一半是完全一樣的，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）。
圖1
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)。
圖2
波仕USB光電隔離器秉承波仕轉(zhuǎn)換器的一貫特色，具有超小型的外形(50*24*70mm)、支持USB2.0全速（12Mbps）速率、隔離2500V電壓、無(wú)須外接電源、無(wú)須驅(qū)動(dòng)程序。波仕電子的這種技術(shù)已經(jīng)取得專(zhuān)利，ZL02284234.1。波仕USB光電隔離器的使用非常簡(jiǎn)單，與一根普通的USB延長(zhǎng)電纜的使用是一樣的。BS-USB產(chǎn)品的上位機(jī)側(cè)的電纜為A型插頭，直接外插計(jì)算機(jī)的USB插座。BS-USB產(chǎn)品的下位機(jī)側(cè)的電纜為A型插座，用于外接USB設(shè)備（比如U盤(pán)、USB/RS-232轉(zhuǎn)換器）的插頭。也就是說(shuō)，當(dāng)BS-USB產(chǎn)品的A型插頭外插計(jì)算機(jī)的USB口時(shí)，BS-USB的A型插座就相當(dāng)于是一個(gè)已經(jīng)隔離的USB口。由于BS-USB自帶隔離DC/DC并且自耗一定功率，所以對(duì)外驅(qū)動(dòng)能力小于原計(jì)算機(jī)USB口的驅(qū)動(dòng)能力。BS-USB特別適合具有USB口的醫(yī)療儀器、高電壓數(shù)據(jù)采集設(shè)備等。
當(dāng)BS-USB只插計(jì)算機(jī)的USB口而不接外設(shè)（比如U盤(pán)、USB/RS-232轉(zhuǎn)換器）時(shí)，BS-USB產(chǎn)品是不需要驅(qū)動(dòng)程序的。只有將外設(shè)插到BS-USB產(chǎn)品上后，計(jì)算機(jī)才會(huì)需要驅(qū)動(dòng)程序，而這個(gè)驅(qū)動(dòng)程序與外設(shè)直接插計(jì)算機(jī)的USB口時(shí)的驅(qū)動(dòng)程序是一樣的。
BS-USB僅僅是一個(gè)透明的物理隔離，與計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)無(wú)關(guān)。自然，BS-USB支持各種操作系統(tǒng)，WindowsXP/2000/Me/98等都可以。
無(wú)線USB隔離方案
采用無(wú)線方案的USB口當(dāng)然實(shí)現(xiàn)了絕對(duì)電氣隔離，盡管無(wú)線方案存在干擾、保密性能差的缺點(diǎn)。通常我們見(jiàn)到或者使用的無(wú)線USB發(fā)射器機(jī)器配套的外設(shè)（比如藍(lán)牙設(shè)備）并不是通用的USB無(wú)線隔離方案，因?yàn)闊o(wú)線外設(shè)并不能夠外插標(biāo)準(zhǔn)的USB設(shè)備，比如U盤(pán)、USB/RS-232轉(zhuǎn)換器等。
在此領(lǐng)域公開(kāi)宣布有產(chǎn)品的目前只有美國(guó)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(wú)線USB Hub （Belkin Cable-Free USB Hub）。這是第一款用上超寬帶技術(shù)（UltraWideBand technology）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(wú)法和Intel支持的無(wú)線USB標(biāo)準(zhǔn)兼容，貝爾金迫不得已只好尋找另外一個(gè)UWB（超寬帶縮寫(xiě)）芯片制造商Wisair。經(jīng)過(guò)重新設(shè)計(jì)之后，這款USB Hub又最終發(fā)布在2007的CES上了，供大家銷(xiāo)售和評(píng)測(cè)。評(píng)測(cè)的結(jié)果表明，此產(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)F5U301，價(jià)格200美圓)。
產(chǎn)品見(jiàn)圖3。Cable Free對(duì)U盤(pán)和移動(dòng)硬盤(pán)的實(shí)際讀取速率大概只有1.5 MByte/sec。
圖3
這款產(chǎn)品實(shí)際上是使用了UWB技術(shù)的無(wú)線USB擴(kuò)展器，代替了我們比較常見(jiàn)的 802.11b/g或者藍(lán)牙技術(shù)。簡(jiǎn)單的表述就是：一個(gè)可以接入U(xiǎn)SB設(shè)備的4口hub，只能連接到WinXP SP2系統(tǒng)的電腦上。貝爾金稱(chēng)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(lèi)）和一些網(wǎng)絡(luò)攝影（USB視頻類(lèi)）設(shè)備。該無(wú)線hub使用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。
工業(yè)通信用途的USB隔離方案
在某些工業(yè)通信的場(chǎng)合，需要從USB口轉(zhuǎn)換出RS-232或者RS-485用于串行通信。這時(shí)可以通過(guò)對(duì)USB口轉(zhuǎn)換出的RS-232串口加RS-232光電隔離器，波仕電子的典型產(chǎn)品是USB232和BS232-9（見(jiàn)圖4）的組合。或者采用光電隔離的USB與串口（RS-232/485/422通用）的轉(zhuǎn)換器，波仕的典型產(chǎn)品是USB232GL1（見(jiàn)圖5）。這兩種方案大大簡(jiǎn)化了USB口的隔離方法，而且還是無(wú)源的。如果兩臺(tái)計(jì)算機(jī)想通過(guò)USB口相互傳輸數(shù)據(jù)而且要求隔離，那么最好就采用這種將USB轉(zhuǎn)換成為隔離串口的方案。
圖4
圖5
波仕USB232GL1光電隔離微型USB/串口轉(zhuǎn)換器秉承波仕轉(zhuǎn)換器的一貫特色，具有超小型的外形(80*23*47mm)、RS-232、RS-485、RS-422通用，可以虛擬成為本地COM串口(COM1-COM256)、無(wú)須修改已有的串口通信軟件。同時(shí)波仕贈(zèng)送USB-串口影射程序。波仕USB232GL1是世界上最小的、也是使用最簡(jiǎn)便的光隔USB/串口轉(zhuǎn)換器、實(shí)現(xiàn)了USB與串口的光電隔離。
如果USB口是用于接打印機(jī)，那么可以選用USB打印服務(wù)器。這是通過(guò)將以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換出用于接打印機(jī)的USB口。我們知道，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)。當(dāng)然從USB轉(zhuǎn)換出以太網(wǎng)再經(jīng)過(guò)以太網(wǎng)到USB的轉(zhuǎn)換也一樣可以實(shí)現(xiàn)USB的變壓器隔離，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。
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(pán)口、打印口等，特別是取代蘋(píng)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。同時(shí)這樣做的結(jié)果就使得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(lái)判斷的，而且并不是它們的差值。在USB光電隔離方案、無(wú)線電氣隔離以及以太網(wǎng)隔離的方案中，難點(diǎn)都在于將USB信號(hào)怎樣分開(kāi)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的電氣隔離就好解決多了。
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(zhuān)門(mén)的這根方向標(biāo)志線是不現(xiàn)實(shí)的。USB的接頭機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)就是4根線，是不可能改變的。我們認(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(kāi)始，并不一定需要在整個(gè)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間段一直保持低電平，而且電平也不需要低到0，只要低到2/3的高電平可以識(shí)別即可。而這樣的瞬時(shí)低電平并不明顯影響USB口的對(duì)外設(shè)供電能力。我們只能夠指望將來(lái)可能的USB3.0版本了。
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