目前计算机的usb接口已经大量使用,一般每台计算机都有2到4个usb口。当一台计算机接多个usb外部设备时,如果这些外部设备或者连接电缆中介入了高电压干扰,就可能会烧坏计算机的usb口甚至主板。本文介绍的就是几种对usb接口的隔离保护方案。
波仕电子的usb光电隔离技术
原理见图1,其中d 、d-为usb信号,“光发射”是其中一个光电隔离器的led(发光二极管),而“光接收”是另外一个光电隔离器的光敏三极管及其信号放大电路。图1的电路只画出了全部的一半,另外一半是完全一样的,只是将“光发射”对准另外一半电路中的“光接收”(整个为一个光电隔离器)、将“光接收”对准另外一半电路中的“光发射”(整个为另外一个光电隔离器)。
为将usb信号(d 、d—)转换为光信号的原理框图。usb信号检测电路(1)将d 和d—变换为“或”门输出dor1和差分比较器输出rcv1。一双可控三态缓冲器(2)通过控制端en来控制逻辑“通”与“端”。当en=“0”时,dor=dor1、rcv=rcv1。而当en=“1”时,dor和rcv为高阻状态。光发射驱动电路(3)将dor和rcv转换为三种光强度(亮、半亮、暗)。光接收电路(4)将接收到的三种光强度(亮、半亮、暗)恢复为d 和d—的三种状态。光接收电路(4)的输出之一h的状态变化触发单稳延时电路(5)。单稳延时电路(5)的输出en平时(即usb信号处于闲置状态时)为“0”,当其输入h有下降延(即由“1”变为“0”)时输出en由“0”变为“1”并且保持为“1”大约1000us,然后恢复为“0”。另一双可控三态缓冲器(2)通过控制端en来控制来控制逻辑“通”与“断”,当en=“1”时,vp=h、vm=l,而当en=“0”时输出vp、vm为高阻状态。
波仕usb光电隔离器秉承波仕转换器的一贯特色,具有超小型的外形(50*24*70mm)、支持usb2.0全速(12mbps)速率、隔离2500v电压、无须外接电源、无须驱动程序。波仕电子的这种技术已经取得专利,zl02284234.1。波仕usb光电隔离器的使用非常简单,与一根普通的usb延长电缆的使用是一样的。bs-usb产品的上位机侧的电缆为a型插头,直接外插计算机的usb插座。bs-usb产品的下位机侧的电缆为a型插座,用于外接usb设备(比如u盘、usb/rs-232转换器)的插头。也就是说,当bs-usb产品的a型插头外插计算机的usb口时,bs-usb的a型插座就相当于是一个已经隔离的usb口。由于bs-usb自带隔离dc/dc并且自耗一定功率,所以对外驱动能力小于原计算机usb口的驱动能力。bs-usb特别适合具有usb口的医疗仪器、高电压数据采集设备等。
当bs-usb只插计算机的usb口而不接外设(比如u盘、usb/rs-232转换器)时,bs-usb产品是不需要驱动程序的。只有将外设插到bs-usb产品上后,计算机才会需要驱动程序,而这个驱动程序与外设直接插计算机的usb口时的驱动程序是一样的。
bs-usb仅仅是一个透明的物理隔离,与计算机操作系统无关。自然,bs-usb支持各种操作系统,windowsxp/2000/me/98等都可以。
无线usb隔离方案
采用无线方案的usb口当然实现了绝对电气隔离,尽管无线方案存在干扰、保密性能差的缺点。通常我们见到或者使用的无线usb发射器机器配套的外设(比如蓝牙设备)并不是通用的usb无线隔离方案,因为无线外设并不能够外插标准的usb设备,比如u盘、usb/rs-232转换器等。
在此领域公开宣布有产品的目前只有美国贝尔金(belkin)公司。贝尔金在2006年国际消费电子展(ces)上首次展出这款无线usb hub (belkin cable-free usb hub)。这是第一款用上超宽带技术(ultrawideband technology)的消费产品。但此款产品原先使用的freescale芯片由于暂时无法和intel支持的无线usb标准兼容,贝尔金迫不得已只好寻找另外一个uwb(超宽带缩写)芯片制造商wisair。经过重新设计之后,这款usb hub又最终发布在2007的ces上了,供大家销售和评测。评测的结果表明,此产品的优点在于安装简易(在windows xp下),缺点是速度很慢、价格比较贵 (型号f5u301,价格200美圆)。
产品见图3。cable free对u盘和移动硬盘的实际读取速率大概只有1.5 mbyte/sec。
这款产品实际上是使用了uwb技术的无线usb扩展器,代替了我们比较常见的 802.11b/g或者蓝牙技术。简单的表述就是:一个可以接入usb设备的4口hub,只能连接到winxp sp2系统的电脑上。贝尔金称此款hub支持“usb打印机,照相机,扫描仪,以及其他设备”。但使用手册上却提示不支持具有同步端点的“音频设备”(usb音频类)和一些网络摄影(usb视频类)设备。该无线hub使用wisair 531 / 502 uwb芯片以及star str9104 arm922-兼容 risc cpu。配套的usb 发射器也是使用wisair 531 / 502芯片和usb控制器。
工业通信用途的usb隔离方案
在某些工业通信的场合,需要从usb口转换出rs-232或者rs-485用于串行通信。这时可以通过对usb口转换出的rs-232串口加rs-232光电隔离器,波仕电子的典型产品是usb232和bs232-9(见图4)的组合。或者采用光电隔离的usb与串口(rs-232/485/422通用)的转换器,波仕的典型产品是usb232gl1(见图5)。这两种方案大大简化了usb口的隔离方法,而且还是无源的。如果两台计算机想通过usb口相互传输数据而且要求隔离,那么最好就采用这种将usb转换成为隔离串口的方案。
波仕usb232gl1光电隔离微型usb/串口转换器秉承波仕转换器的一贯特色,具有超小型的外形(80*23*47mm)、rs-232、rs-485、rs-422通用,可以虚拟成为本地com串口(com1-com256)、无须修改已有的串口通信软件。同时波仕赠送usb-串口影射程序。波仕usb232gl1是世界上最小的、也是使用最简便的光隔usb/串口转换器、实现了usb与串口的光电隔离。
如果usb口是用于接打印机,那么可以选用usb打印服务器。这是通过将以太网转换出用于接打印机的usb口。我们知道,以太网本身是采用变压器隔离的,这就自然实现了usb的变压器电气隔离方案。这种打印服务器安装后虚拟出一个打印口,从原理上讲也就只能够接打印机。当然从usb转换出以太网再经过以太网到usb的转换也一样可以实现usb的变压器隔离,但是原理以及软件的使用与以太网直接转usb的打印服务器方案是一样的,并不是真正意义的usb直接隔离。
实现usb电气隔离的技术难点
当初usb的出现是为了统一计算机的各种外设接口,取代ps/2鼠标口、键盘口、打印口等,特别是取代苹果的fieware(火线)甚至ieee-1394口。为了在与后者的竞争中取得优势,usb的引脚数就不可能多于后者的4个。而地线、电源线就占了2个,信号线就只剩余2个了。这与传统的ps/2、rs-232、打印口、以太网都有空余线的做法大不一样。同时这样做的结果就使得usb的改进(除了速度改进)余地很小、特别是电气隔离的改进非常困难。usb口的电气隔离技术改进的难点就在于缺少usb的方向信号而usb的两个信号线d 和d—又是不分方向的。usb信号流的方向是靠d 、d—两个信号的幅值一起来判断的,而且并不是它们的差值。在usb光电隔离方案、无线电气隔离以及以太网隔离的方案中,难点都在于将usb信号怎样分开为发送与接收两部分。如果usb口本身有一个能够表明数据是发送还是接收的信号线,那么usb的电气隔离就好解决多了。
在现有的usb2.0以及usb1.0版本中都缺少一根表明usb数据方向(发送还是接收)的信号线,而指望usb标准增加专门的这根方向标志线是不现实的。usb的接头机械标准就是4根线,是不可能改变的。我们认为usb标准最有可能的改进在于电源线( 5v)。目前的电源线永远是固定的 5v(或者低电压版的 3.3v),其实可以在这根线中增加瞬时低电平脉冲信号作为usb信号方向标志。这个瞬时低电平脉冲信号只用于表明发送一帧数据的开始,并不一定需要在整个发送数据的时间段一直保持低电平,而且电平也不需要低到0,只要低到2/3的高电平可以识别即可。而这样的瞬时低电平并不明显影响usb口的对外设供电能力。我们只能够指望将来可能的usb3.0版本了。