USB 接口的光电隔离保护方案及其实现接口的光电 - 武汉波仕电子.PDF

USBUSB 接口的光电隔离保护方案及其实现接口的光电隔离保护方案及其实现 USBUSB 接口的光电隔离保护方案及其实现接口的光电隔离保护方案及其实现 武汉波仕电子有限公司（430074 ） 摘 要 本文涉及对 USB （通用串行总线）接口进行光电隔离保护的方案设计及其实现。本方案将USB （通用串行总线）信号D+、D—的三种状态转换为光电耦合器的发光二极管的三种强度全亮、半亮、 暗，并且传输到光电耦合器的光敏三极管接收器再通过相应电路恢复 D+、D—的三种状态。光敏三 极管接收器电路的输出信号之一触发单稳延时电路来控制 D+、D—与光发射电路、光接收电路的通 与断。 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 1 394接口目前还没有方便的隔离保护方案。 实现原理实现原理 实现原理实现原理 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 430074 武汉关东科技园波仕电子公司 TEL/FAX ：02787561486 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。 具体实施方式具体实施方式 具体实施方式具体实施方式 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 430074 武汉关东科技园波仕电子公司 TEL/FAX ：02787561486 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：