USB接口的光电隔离保护方案及其实现

目前计算机的USB接口已经大量使用，一般每台电脑都有2到4个USB口。当一台电脑同时接多个USB外部设备时，如果这些外部设备介入了高电压干扰，就可能会烧坏电脑的USB口甚至电脑以及外设。目前电脑的几种通信接口中，MODEM口以及以太网接口由于本身具有变压器隔离所以不容易损坏，而RS-232串口也可以选用波仕的RS-232光电隔离器来进行有效的保护，只有USB以及类似的1394接口目前还没有方便的隔离保护方案。
   实现原理
       本文提供了一种对USB信号进行光电隔离的电路，可以使USB的接口得到保护。
图1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。
   具体实施方式

图2
       图2为将USB信号转换为光信号的具体电路图。假设USB为全速状态（12M），此时D+通过大约1.5KΩ的电阻接+5V电源。平时USB信号处于闲置（Idle）状态，此时D+为“1”（高电平，大约3至5V），D—为逻辑“0”（低电平，大约0至1.4V）。IC1为“或”门。IC2、IC4、IC5和IC6为可控三态缓冲器。其中，IC2和IC4是当其控制信号EN为“0”时导通的，而IC5和IC6是当其控制信号EN为“1”时导通的。由于IC2和IC4在不导通时（即EN为“1”时）输出为高阻状态，所以在IC2的输出端加了上拉电阻R1、在IC4的输出端加了上拉电阻R2。IC3、IC10和IC11是比较器。IC7是单稳触发电路由输入端（信号VP）下降沿触发，输出EN平时为“0”。当IC7的输入端出现一个下降沿时，其输出端将出现一个持续时间大约1000us的“1”状态，然后恢复为“0”。IC7的输出信号EN通过控制IC2、IC4、IC5和IC6来控D+、D—的“收/发”状态。由于EN平时为“0”，所以平时允许接收D+和D—（IC2、IC4导通），而禁止发送信号到D+和D—上（IC5和IC6输出为高阻态）。IC8是一个复合逻辑电路，其输入、输出以及光发射二极管的光强度关系如表1：

       IC8的输出A和B是具有足够电流驱动能力的电压，通过电阻R3和R4送给光发射二极管IC12。光发射二极管IC12的输出光强度大致正比于输入电流。当A和B同时为“1”时，通过光发射二极管的电流最大，所以此时光强度状态称为“全亮”。当A为“1”、B为“0”时，电流只有大约一半，此时光强度状态为“半亮”。当A为“0”、B为“0”时，电流为0，此时光强度状态为“暗”。IC13为光接收器。由于如图描述的电路是实际产品的一半，即在相互光电隔离的两个USB口各加一个这样的USB转光的电路，所以IC13光接收器接对方电路的光发射二极管的光（即通过光电耦合器）。IC13接收光，IC13的输出为与接收到的光的强度大致成正比的电压。无接收光时（即对方发射的光强度为“暗”），IC13的输出V0大约为0。由于比较器IC10、IC11的负端输入电压都大于0，所以IC10和IC11的输出的逻辑状态均为“0”，即H=“0”且L=“0”。当对方光发射强度为“全亮”时，IC13的输出电压比V1和V2都大（V1、V2的值都可通过调节电阻R5、R6和R7的值得到），所以IC10、IC11的输出的逻辑状态为H=“1”且L=“1”。当对方光发射强度为“半亮”时，IC13的输出电压比V1大而比V2小（V1、V2的值都可通过调节电阻R5、R6和R7的值得到），所以IC10、IC11的输出的逻辑状态为H=“0”且L=“1”。IC9是一个复合逻辑电路，其输入与输出以及接收光强度的关系如表2。
   
       对于全速USB的信号，平时闲置状态（Idle）时D+为逻辑“1”、D—为逻辑“0”，所以IC1、IC2的输出为“1”，IC3、IC4的输出为“1”，这样根据表1可知输出光强度为“暗”。当光强度为“暗 ”时，根据表2传到对方电路的光接收器并经过对方电路的IC9后的输出为VP=“1”、VM=“0”。一旦USB开始传输数据，则D+和D—的信号逻辑状态发生变化。全速USB的信号状态变化为：D+由“1”变成为“0”，D—由“0”变成为“1”。上位机的USB信号状态先出现变化，此时IC1和IC2的输出仍然为“1”，IC3和IC4的输出变成为“0”。根据表1 ，光发射二极管将由“暗”变成为“全亮”。“全亮”的光通过光电耦合器传到对方电路（与本专利描述的一样）的光接收管。根据表2，对方电路的VP由“1”变为“0”，VM 由“0”变为“1”。对方电路的VP由“1”变为“0”就是说这个VP产生了一个下降沿，从而触发了对方电路的IC7，使IC7的输出EN由“0”变为“1”并且保持“1”大约1000us（然后又恢复为“0”）。对方电路的VM由“0”变为“1”从而使对方电路的USB信号由禁止发送（EN=“0”）变为禁止接收（EN=“1”）。此时对方电路的VP和VM可以通过对方电路的IC5和IC6传给对方电路的D+和D—，从而使上位机的USB信号在1000us内通过光电耦合器传到对方电路（即：下位机）的D+ 和D—线上。在这1000us内可以过光电耦合器传输三种D+和D—状态： ①、 D+为“1”且D—为“0”（代表闲置状态以及数据“1”）②、 D+为“0”且D—为“1”（代表数据“0”）③、D+为“0”且D—为“0”（代表数据传输结束标志）。这三种状态可以表达USB信号的所有状态（D+为“1”且D—为“1”的状态是禁止的）。前面已经描述了如何通过光强度的“暗”代表状态①、“全亮”代表状态②。而状态③恰好是通过光强度的“半亮”来表示，具体描述如下：当D+和D—处于状态 ③时， D+和D—都为“0”，IC1和IC2的输出为DOR=“0”，根据表1，此时光发射二极管的强度为“半亮”。“半亮”的光传输到对方电路的光接收管IC12并且经过对方电路的比较器IC10和IC11，输出为H=“0”、L=“1”。根据表2，对方电路IC9个输出为VP=VM=“0”。而在单稳电路输出为“1”的1000us内正好将这个状态③传输给对方电路的D+和D—（均为“0”）。在
     大约1000us的时间内，恰好上位机向下位机传输一帧USB数据完毕，并且等待下位机回传应答信号。1000us结束后，下位机的IC7的输出EN恢复为“0”，此时下位机的USB数据状态先变化。 下位机的USB数据传输到上位机的过程与前面描述的上位机的USB数据传输到下位机的过程原理完全一样。      
     对于高速USB（480M），由于传输一帧数据的时间减少了，所以单稳电路的延时时间要相应减小。