CN104638732A - 兼备访问外部设备和电池充电管理功能的系统及方法 - Google Patents

兼备访问外部设备和电池充电管理功能的系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种兼备访问外部设备和电池充电管理功能的系统，其中包括USB线路切换模块、充电管理模块、逻辑控制模块、从设备电源供应模块、USB从设备接口、USB主设备接口、电池充电接口、USB兼容接口，此外，本发明还涉及一种兼备访问外部设备和电池充电管理功能的方法，逻辑控制模块判断USB兼容接口是否连接从模式的外部设备，如果是则控制USB线路切换模块切换线路至USB兼容接口，否则控制USB线路切换模块切换线路至USB从设备接口。采用本发明的兼备访问外部设备和电池充电管理功能的系统及方法，在USB主设备充电同时并对外部设备进行数据传输采集，并且在USB主设备关机的情况下不会消耗USB主设备的电池电量，结构简单，易于实现，具有更广泛的应用范围。

Description

兼备访问外部设备和电池充电管理功能的系统及方法
技术领域
本发明涉及电子测量设备总线控制领域，尤其涉及基于USB OTG模式的电子测量设备总线控制领域，具体是指一种兼备访问外部设备和电池充电管理功能的系统及方法。
背景技术
随着Android系统手机、平板电脑等的普及，Android系统已经成为用户最多的移动操作系统。目前便携式、手持式电子测量设备大部分还是采用的Windows、WIN CE、LINUX等操作系统，采用Android系统的电子测量设备具有的USB控制接口也很少，Android系统的设备一般只提供一个USB接口，并且该USB接口一般工作在从模式，不能访问外部USB设备。只有支持USB OTG(USB On-The-Go)模式，才能通过设备的USB接口访问外部USB设备。在USB接口工作在OTG模式时，电子测量设备为主(host)设备操作，如图1所示，由于USB OTG模式无法在访问USB设备的同时进行内部锂电池充电管理，所以外接从(slave)设备时，主设备无法进行充电，由此限制了电子测量设备的连续工作使用时间。
所以，继续寻找一种能够支持多个USB接口且在USB接口工作在主模式访问外部USB设备时，同时可以对内部锂电池进行充电的系统和方法。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种利用USB OTG技术将电子测量设备具有的USB接口扩展为多个USB OTG接口，实现USB总线控制访问外部存储设备的同时对电子测量设备进行充电的兼备访问外部设备和电池充电管理功能的系统及方法。
为了实现上述目的，本发明的兼备访问外部设备和电池充电管理功能的系统及方法具有如下构成：
该兼备访问外部设备和电池充电管理功能的系统，其主要特点是，所述的系统包括USB线路切换模块、充电管理模块、逻辑控制模块、从设备电源供应模块、USB从设备接口、USB主设备接口、电池充电接口、USB兼容接口，其中：
所述的USB主设备接口，用以接入电子测量设备，并将所述的电子测量设备的模式配置为主模式，且所述的USB主设备接口分别连接所述的USB线路切换模块和逻辑控制模块；
所述的USB线路切换模块，用以切换所述的USB从设备接口和所述的USB兼容接口，且与所述的从设备电源供应模块连接；
所述的USB从设备接口，用以连接从模式的外部设备，且所述的USB从设备接口分别连接所述的USB线路切换模块、逻辑控制模块和从设备电源供应模块；
所述的USB兼容接口，用以连接充电器或者从模式的外部设备，且所述的USB兼容接口分别连接所述的USB线路切换模块、逻辑控制模块、从设备电源供应模块和充电管理模块；
所述的从设备电源供应模块，用以为所述的USB从设备接口和所述的USB兼容接口连接从模式的外部设备时提供电源，并通过所述的电池充电接口连接所述的电子测量设备；
所述的充电管理模块，用以在所述的USB兼容接口连接充电器时将该充电器的电流通过所述的电池充电接口传输给电子测量设备；
所述的逻辑控制模块，用以采集所述的USB从设备接口和所述的USB兼容接口的电平并控制所述的USB线路切换模块进行路线切换，以及控制所述的充电管理模块和从设备电源供应模块。
进一步地，所述的USB线路切换模块为切换开关组成的USB线路切换模块或者USB集线器。
此外，本发明还提供一种兼备访问外部设备和电池充电管理功能的方法，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤：
(1)所述的系统启动逻辑控制模块和从设备电源供应模块；
(2)所述的逻辑控制模块判断所述的USB兼容接口是否连接从模式的外部设备，如果是，则继续步骤(3)，否则继续步骤(5)；
(3)所述的逻辑控制模块控制所述的USB线路切换模块切换线路至所述的USB兼容接口并关闭充电管理模块；
(4)所述的从设备电源供应模块给所述的USB兼容接口供电，并返回上述步骤(2)；
(5)所述的逻辑控制模块控制所述的USB线路切换模块切换线路至所述的USB从设备接口；
(6)所述的从设备电源供应模块给所述的USB从设备接口供电并禁止给所述的USB兼容接口供电，且返回上述步骤(2)。
进一步地，所述的步骤(1)之前，还包括以下步骤：
(0.1)所述的逻辑控制模块判断接入的电子测量设备是否处于开机状态，如果是，则继续步骤(1)，否则继续步骤(0.2)；
(0.2)所述的逻辑控制模块判断所述的USB兼容接口是否连接充电器，如果是，则继续步骤(0.3)，否则返回上述步骤(0.1)；
(0.3)所述的逻辑控制模块启动所述的充电管理模块对所述的电子测量设备进行充电。
更进一步地，所述的步骤(0.3)之后还包括以下步骤：
(0.4)所述的逻辑控制模块判断所述的USB兼容接口是否还连接所述的充电器，如果是，则返回上述步骤(0.3)，否则继续步骤(0.5)；
(0.5)所述的逻辑控制模块关闭所述的充电管理模块，并返回上述步骤(0.1)。
更进一步地，所述的从设备电源供应模块给所述的USB兼容接口供电，并返回上述步骤(2)，具体为：
所述的从设备电源供应模块给所述的USB兼容接口供电，且所述的逻辑控制模块判断所述的电子测量设备是否关机，如果是则返回上述步骤(0.2)，否则返回上述步骤(2)。
更进一步地，所述的从设备电源供应模块给所述的USB从设备接口供电并禁止给所述的USB兼容接口供电，且返回上述步骤(2)，具体为：
所述的从设备电源供应模块给所述的USB从设备接口供电并禁止给所述的USB兼容接口供电，所述的逻辑控制模块判断所述的电子测量设备是否关机，如果是则返回上述步骤(0.2)，否则返回上述步骤(2)。
采用了本发明的兼备访问外部设备和电池充电管理功能的系统及方法，解决了一个USBOTG接口无法同时连接多个USB从设备，并且无法在连接USB从设备的同时进行充电的问题，成功的将USB OTG模式应用于电子测量设备的总线控制，当电池充电和USB数据传输为同一USB主设备时，该USB主设备需要兼备USB数据传输采集和充电两种情况，采用所述系统和方法可以在USB主设备的充电同时并对外部设备进行数据传输采集，并且在USB主设备关机的情况下不会消耗USB主设备的电池电量。在系统中需要集成电池充电管理功能和USB数据传输采集功能，使同一USB主设备能够在充电的同时并对外部设备进行数据传输采集，且还需要集成其它USB从设备的情况下，都可以利用本发明所述的方法改进和扩展USB主设备USB接口功能，最终简化整个系统的集成复杂度，提高电子测量设备的运行效率，延长电子测量设备的待机时间，便于长时间测量，且本发明的系统结构简单，方法易于实现，具有更广泛的应用范围。
附图说明
图1为本发明的现有技术的USB OTG模式的接口框图。
图2为本发明的兼备访问外部设备和电池充电管理功能的系统的结构框图。
图3为本发明的兼备访问外部设备和电池充电管理功能的系统的原理图。
图4为本发明的兼备访问外部设备和电池充电管理功能的方法的流程图。
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
本发明提出了一种USB OTG总线功能扩展的技术方案，同时实现USB总线控制和电池充电管理，该技术方案应具备如下功能：
1)当测量设备以USB主模式对外部从设备进行控制的同时系统可以对测量设备内部电池进行充电，可以极大地延长电池设备的使用时间，并且该充电接口也可以作为普通从设备的USB接口，当不需要充电时该口可以接USB从设备，方便用户的使用。
2)将一个USB OTG接口扩展为两个或更多USB OTG接口，其中一个兼具充电接口功能，可以作为USB总线切换设备或者USB HUB设备。
3)在待机状态下具有极低功耗，提高便携式电子测量设备的待机时间。
基于上述功能，在本发明的一个具体实例中，本发明的系统提供3个带USB_ID管脚的5pin USB接口，如图2和3所示。其中USB从设备接口(5)用于连接USB从设备，USB兼容接口(8)用于连接充电器或USB从设备，USB主设备接口(7)用于连接USB主设备以及电池充电接口(6)用于给电子测量设备充电，此外，集成一个USB线路切换模块(1)(切换开关模块或者USB HUB(USB集线器)模块，本实施例采用USB切换开关模块)和一个对USB主设备电池进行管理的充电管理模块(2)以及管理各个模块的逻辑控制模块(3)。
USB主设备的电池接口(10)经改进设计后，直接连接到本系统的充电管理模块的电池充电接口(6)，USB主设备的USB接口(9)连接到本系统的USB主设备接口(7)，该接口的ID管脚直接下拉，使得连接到该接口的OTG设备配置为主(host)模式，USB主设备的USB差分数据线接到本系统的USB路线切换模块(1)的公共端(或者USB HUB的上行端)。USB从设备接口(5)为普通的USB接口，不判断其ID管脚的状态，接到该接口的设备只做从设备处理。USB兼容接口(8)为可接充电器的USB接口，其ID脚弱上拉到内部电源，本系统的控制状态如下：
●当USB兼容接口(8)的ID管脚被拉低时说明外接的是USB从设备(13)，逻辑控制模块(3)控制USB线路切换模块(1)将其公共端连接到USB兼容接口(8)使USB主设备(11)可以操控连接到该USB兼容接口(8)的从设备(13)，打开从设备电源供应模块(4)到USB兼容接口(8)的电源输出通路，由于从设备具有最大输出电流限制功能，电源输出通路输出的最大电流可以根据具体需要设置，以供外部从设备使用。
●当USB兼容接口(8)ID脚由低转到高状态时，逻辑控制模块(3)将USB线路切换模块(1)的公共端切换到USB从设备接口(5)使USB主设备(11)与USB从设备(12)接口(5)连接，同时打开从设备电源供应模块(4)到USB从设备接口(5)的电源输出通路，使USB主设备(11)可以操作USB从设备接口(5)的从设备(12)，并关闭从设备电源供应模块(4)到USB兼容接口(8)的电源输出通路以便USB兼容接口(8)可以连接充电器。
●USB兼容接口(8)接USB充电器(13)时，充电器(13)不操作ID管脚，这时ID脚仍然出于上拉状态，逻辑控制模块(3)关闭从设备电源供应模块(4)到USB兼容接口(8)的电源输出，使充电器的电流直接流向充电管理模块(2)，并通过电池充电接口(6)和USB主设备的电池接口(10)对USB主设备(11)的电池进行充电。
由第1点可知本系统具有USB总线切换功能扩展了USB接口数量。如果将USB线路切换模块(1)更换成USB HUB，所述设备还具有USB集线器的功能，提供更多的扩展USB接口。
由第2和第3点可知所述设备实现了同时给USB主设备(11)充电的同时，USB主设备(11)还可以控制连接到USB从设备接口(5)的USB从设备(12)，在控制USB外部设备的同时进行电池充电。
另外，所述设备内部的USB线路切换模块(1)、逻辑控制模块(3)、从设备电源供应开关(4)由USB主设备(11)的电源脚(VBUS)控制，只有当USB主设备(11)的电源脚有电源输出时才被触发启动，充电管理模块(2)只有在USB兼容接口(8)接上USB充电器时才被触发启动，因此在USB主设备(11)处于关机的情况下本系统能耗极低，实现极低的功耗可以长期的将本系统与USB主设备(11)的电池接口(10)相连。
请参阅图4，本系统的工作流程如下：
USB主设备电池接口(10)经技术改进设计后，直接连接到由本系统的充电管理模块的电池充电接口(6)，USB主设备的USB接口(9)连接到本系统的USB主设备接口(7)。由于该接口(7)的ID管脚直接下拉，USB主机设备(11)开机后自动配置为主(host)模式，这时USB主设备接口(7)的电源脚上会产生+5V高电平，从而启动逻辑控制模块(3)和从设备电源供应模块(4)(该电源的输入由USB主设备(11)电池提供，输出标准+5V电压电流根据需求可调，并集成若干路功率开关控制外接从设备的电源输出)。
逻辑控制模块(3)检测USB兼容接口(8)的ID管脚电平状态：
●(8)ID脚默认内部拉高，此时逻辑控制模块(3)默认USB兼容接口(8)为充电器接口，关闭从设备电源供应模块(4)到USB兼容接口(8)的电源输出通路以便外部电源的接入(当外部充电器接入时自动启动充电管理模块(2)给USB主设备(11)的电池充电)。同时打开从设备电源供应模块(4)到USB从设备接口(5)的输出通路，并通过USB切换开关(1)将USB总线切换到USB端口(5)使USB主设备(11)可以控制连接到USB从设备接口(5)的从设备(如果采用USB HUB则不需要切换总线)。
●当USB兼容接口(8)ID脚被外部拉低时，逻辑控制模块(3)认为USB兼容接口(8)连接的是普通的USB从设备，则关闭本系统的内部电池充电模块(2)，打开从设备电源供应模块(4)到USB兼容接口(8)的输出通路给外部从设备供电，并通过USB路线切换模块(1)将USB总线切换到USB兼容接口(8)使USB主设备(11)可以控制连接到端口(8)的从设备(如果采用USB HUB则不需要切换总线)。
所述设备的充电管理模块(2)由外部充电器的接入电源启动，内部逻辑控制模块(3)判断USB兼容接口(8)的ID脚为低时可关闭充电管理功能，当逻辑控制模块(3)没有启动时，充电管理模块(2)随着充电器的拔除而关闭。
当USB主设备(11)处于关机状态时：
●如果USB兼容接口(8)接外部充电器，充电器电源接入可以不通过逻辑控制模块(2)直接启动本系统的内部充电管理模块(2)直接给USB主设备(11)的电池充电，当外部充电器拔出时充电管理模块(2)自动关闭。
●此时USB端口(7)电源脚变为低电平，关闭本系统内部的逻辑控制模块(3)、从设备电源供应模块(4)和USB线路切换模块(1)或者USB HUB。此时整个系统中基本没有耗电模块，处于待机时极低的功率消耗状态，不会对USB主设备(11)的电池电量产生消耗。
本实施例中，将本系统(14)和一个USB主设备(11)以及一个专用的USB从设备集成到产品内部。系统(14)的USB从设备接口(5)固定连接一个专用USB从设备，USB兼容接口(8)作为唯一的一个USB数据端口兼充电接口引出到产品机壳外部。
本实施例的产品采用本系统(14)及方法成功的实现了对产品中的USB主设备(11)充电的同时USB主设备(11)还可以控制通过USB从设备接口(5)连接的USB从设备。另外所述设备(14)的端口(8)(引出到产品外部的USB端口)不接充电器时也可以通过专用的USB OTG线连接一个普通的USB从设备，实现外部USB存储器的数据访问。
由此可见本发明大大简化扩展并改进了USB OTG接口的功能，增强了产品内部USB主设备的控制能力和数据访问能力；且当所述产品被设计为带电池的便携式产品时，本系统(14)产生的待机功耗极低，基本不会影响电池的使用时间。
此外，本发明还可以基于Android系统的USB OTG功能启动外部设备的逻辑管理模块，控制和协调产品中其它模块启动、关断、切换等操作使各个模块有机高效工作，将一个USBOTG接口扩展为多个USB OTG接口，实现控制多个USB外部设备的同时可以对内部的电池进行充电，并且待机时所有控制电路关闭，待机功耗极低。
采用了本发明的兼备访问外部设备和电池充电管理功能的系统及方法，解决了一个USBOTG接口无法同时连接多个USB从设备，并且无法在连接USB从设备的同时进行充电的问题，成功的将USB OTG模式应用于电子测量设备的总线控制，当电池充电和USB数据传输为同一USB主设备时，该USB主设备需要兼备USB数据传输采集和充电两种情况，采用所述系统和方法可以在USB主设备的充电同时并对外部设备进行数据传输采集，并且在USB主设备关机的情况下不会消耗USB主设备的电池电量。在系统中需要集成电池充电管理功能和USB数据传输采集功能，使同一USB主设备能够在充电的同时并对外部设备进行数据传输采集，且还需要集成其它USB从设备的情况下，都可以利用本发明所述的方法改进和扩展USB主设备USB接口功能，最终简化整个系统的集成复杂度，提高电子测量设备的运行效率，延长电子测量设备的待机时间，便于长时间测量，且本发明的系统结构简单，方法易于实现，具有更广泛的应用范围。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (7)

1.一种兼备访问外部设备和电池充电管理功能的系统，其特征在于，所述的系统包括USB线路切换模块、充电管理模块、逻辑控制模块、从设备电源供应模块、USB从设备接口、USB主设备接口、电池充电接口、USB兼容接口，其中：
所述的USB主设备接口，用以接入电子测量设备，并将所述的电子测量设备的模式配置为主模式，且所述的USB主设备接口分别连接所述的USB线路切换模块和逻辑控制模块；
所述的USB线路切换模块，用以切换所述的USB从设备接口和所述的USB兼容接口，且与所述的从设备电源供应模块连接；
所述的USB从设备接口，用以连接从模式的外部设备，且所述的USB从设备接口分别连接所述的USB线路切换模块、逻辑控制模块和从设备电源供应模块；
所述的USB兼容接口，用以连接充电器或者从模式的外部设备，且所述的USB兼容接口分别连接所述的USB线路切换模块、逻辑控制模块、从设备电源供应模块和充电管理模块；
所述的从设备电源供应模块，用以为所述的USB从设备接口和所述的USB兼容接口连接从模式的外部设备时提供电源，并通过所述的电池充电接口连接所述的电子测量设备；
所述的充电管理模块，用以在所述的USB兼容接口连接充电器时将该充电器的电流通过所述的电池充电接口传输给电子测量设备；
所述的逻辑控制模块，用以采集所述的USB从设备接口和所述的USB兼容接口的电平并控制所述的USB线路切换模块进行路线切换，以及控制所述的充电管理模块和从设备电源供应模块。
2.根据权利要求1所述的兼备访问外部设备和电池充电管理功能的系统，其特征在于，所述的USB线路切换模块为切换开关组成的USB线路切换模块或者USB集线器。
3.一种基于权利要求1所述的兼备访问外部设备和电池充电管理功能的系统实现访问外部设备和电池充电管理功能兼备的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：
(1)所述的系统启动逻辑控制模块和从设备电源供应模块；
(2)所述的逻辑控制模块判断所述的USB兼容接口是否连接从模式的外部设备，如果是，则继续步骤(3)，否则继续步骤(5)；
(3)所述的逻辑控制模块控制所述的USB线路切换模块切换线路至所述的USB兼容接口并关闭充电管理模块；
(4)所述的从设备电源供应模块给所述的USB兼容接口供电，并返回上述步骤(2)；
(5)所述的逻辑控制模块控制所述的USB线路切换模块切换线路至所述的USB从设备接口；
(6)所述的从设备电源供应模块给所述的USB从设备接口供电并禁止给所述的USB兼容接口供电，且返回上述步骤(2)。
4.根据权利要求3所述的实现访问外部设备和电池充电管理功能兼备的方法，其特征在于，所述的步骤(1)之前，还包括以下步骤：
(0.1)所述的逻辑控制模块判断接入的电子测量设备是否处于开机状态，如果是，则继续步骤(1)，否则继续步骤(0.2)；
(0.2)所述的逻辑控制模块判断所述的USB兼容接口是否连接充电器，如果是，则继续步骤(0.3)，否则返回上述步骤(0.1)；
(0.3)所述的逻辑控制模块启动所述的充电管理模块对所述的电子测量设备进行充电。
5.根据权利要求4所述的实现访问外部设备和电池充电管理功能兼备的方法，其特征在于，所述的步骤(0.3)之后还包括以下步骤：
(0.4)所述的逻辑控制模块判断所述的USB兼容接口是否还连接所述的充电器，如果是，则返回上述步骤(0.3)，否则继续步骤(0.5)；
(0.5)所述的逻辑控制模块关闭所述的充电管理模块，并返回上述步骤(0.1)。
6.根据权利要求4或5所述的实现访问外部设备和电池充电管理功能兼备的方法，其特征在于，所述的从设备电源供应模块给所述的USB兼容接口供电，并返回上述步骤(2)，具体为：
所述的从设备电源供应模块给所述的USB兼容接口供电，且所述的逻辑控制模块判断所述的电子测量设备是否关机，如果是则返回上述步骤(0.2)，否则返回上述步骤(2)。
7.根据权利要求4或5所述的实现访问外部设备和电池充电管理功能兼备的方法，其特征在于，所述的从设备电源供应模块给所述的USB从设备接口供电并禁止给所述的USB兼容接口供电，且返回上述步骤(2)，具体为：
所述的从设备电源供应模块给所述的USB从设备接口供电并禁止给所述的USB兼容接口供电，所述的逻辑控制模块判断所述的电子测量设备是否关机，如果是则返回上述步骤(0.2)，否则返回上述步骤(2)。
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