CN106372022A - 一种usb信号隔离延长装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种USB信号隔离延长装置及其方法，装置包括UP端和DOWN端，所述UP端和DOWN端之间通过传输线相连接，所述UP端、传输线和DOWN端双向连接在主机和USB设备之间，所述UP端和DOWN端各分别包括第一数据收发单元、第二数据收发单元、信号调制单元、信号解调单元、控制码产生单元、控制码解析单元以及电气隔离单元。本发明通过信号调制单元将USB物理信号调制成适合于电气隔离和远距离传输的信号，能在不影响USB系统通讯速度的情况下既能实现主机与USB设备之间电气隔离又能实现USB信号的远距离传输。

Description

一种USB信号隔离延长装置及方法

技术领域

本发明涉及信息科学技术领域，特别是一种USB信号隔离延长装置及方法。

背景技术

USB技术的优越性越来越明显，支持USB技术的设备越来越多，在一些USB系统中，主机与USB设备之间有时需要进行电气隔离，但USB协议不支持直接在主机与USB设备之间加入隔离电路进行电气隔离，另外协议规定，USB设备与USB主机之间线缆长度不超过5米，如果串联5级HUB，最远距离也不超过30米，并且这种方法不仅成本高布线也很不方便，这大大限制了USB总线的远距离传输。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种实现主机与USB设备之间电气隔离又能实现USB信号的远距离传输的USB信号隔离延长装置及方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种USB信号隔离延长装置，包括UP端和DOWN端，所述UP端和DOWN端之间通过传输线相连接，所述UP端、传输线和DOWN端双向连接在主机和USB设备之间，所述UP端和DOWN端各分别包括第一数据收发单元、第二数据收发单元、信号调制单元、信号解调单元、控制码产生单元、控制码解析单元以及电气隔离单元，所述第一数据收发单元与主机或USB设备双向连接，所述第二数据收发单元与电气隔离单元双向连接，所述电气隔离单元与传输线双向连接，所述控制码产生单元至信号调制单元单向信号传输，所述信号解调单元至控制码解析单元单向信号传输，所述第一数据收发单元、信号调制单元和第二数据收发单元依次单向信号传输，所述第二数据收发单元、信号解调单元和第一数据收发单元依次单向信号传输。

进一步的，所述第一数据收发单元用于USB物理信号的差分信号或者单端信号接收、USB物理信号发送，所述控制码产生单元产生系统运行所需要的控制码，所述信号调制单元将USB物理信号或者控制码产生单元产生的控制码调制成隔离信号，所述第二数据收发单元用于隔离信号的接收和发送，所述信号解调单元将接收到的隔离信号解调并分离出USB信号和控制码、并分别送给第一数据收发单元和控制码解析单元，所述控制码解析单元根据控制码产生相应的控制命令对系统的运行作出相应的控制。

进一步的，所述电气隔离单元为电容隔离或者电感隔离。进一步的，所述隔离信号为脉冲序列，所述脉冲序列由不同极性的短脉冲组成，所述短脉冲宽度小于一个USB低速位宽度。

进一步的，所述脉冲序列为差分脉冲序列，所述短脉冲为短差分脉冲。

进一步的，所述控制码包括USB设备和传输线的插拔信息、USB设备速度信息以及握手信息。

一种USB信号隔离延长方法，将USB物理信号和控制码调制成隔离信号，经过电容或者电感隔离电路隔离，所述隔离信号通过电容隔离电路传输或通过电感隔离信号传输，通过传输线实现信号延长，最后进行USB物理信号和控制码的解调，所述USB物理信号包括USB数据包和USB数据包外SEO，所述USB数据包外SEO包括低全速复位信号和低速keep-alive信号。

进一步的，将USB物理信号和控制码调制成隔离信号包括：

当所述隔离信号为差分的脉冲序列，定义xdp和xdn为差分脉冲序列的一对差分信号，p脉冲是指xdp电平大于xdn电平的差分脉冲，n脉冲是指xdp电平小于xdn电平的差分脉冲；

当所述隔离信号为单端的脉冲序列，定义xdp和xdn为脉冲序列两个单端信号，p脉冲是指xdp为高电平且xdn为低电平的脉冲，n脉冲是指xdp为低电平且xdn为高电平的脉冲；所述USB数据包的调制：USB总线状态由J态转向K态为包开始，两个位宽的SEO为包结束，USB总线状态每变化一次产生一个差分脉冲，由J态转向K态时产生p脉冲，由K态转向J态时产生n脉冲，由J态或者K态转向SEO时产生与前一个脉冲相同的脉冲，由SEO转向J态时产生n脉冲，即USB数据包的脉冲编码序列总是以p脉冲开始，以两个相邻的极性相同的脉冲序列加一个n脉冲结束，其中，J态为全速时为D+＝1且D-＝0、低速时为D+＝0且D-＝1，K态为全速时为D+＝0且D-＝1、低速时为D+＝1且D-＝0，SEO为D+＝0且D+＝0；

所述USB数据包外SEO的调制：所述USB数据包外SEO的编码序列以n脉冲加p脉冲开头，此时n脉冲和p脉冲间隔时间为0，以下一个n脉冲结束；

所述控制码的调制：所述控制码内容根据系统需要自定义，经过并串转换后直接发送串行差分信号，所述控制码以n脉冲为起始，所述控制码的串行控制码位宽大于USB数据包外SEO的脉冲编码序列的p脉冲和n脉冲的宽度；

所述USB物理信号和控制码的解调：当一串脉冲序列以p脉冲开始，则此序列被认为是USB数据包，p脉冲为K态的开始，n脉冲为J态的开始，当遇到相邻脉冲极性相同时则认为是USB数据包外SEO的开始，下一个n脉冲为USB数据包外SEO的结束，USB数据包外SEO结束后则认为该脉冲序列结束，停止向USB总线发送USB数据包；当一串脉冲序列以n脉冲开始，则此序列被认为是控制码或USB数据包外SEO，当遇到窄的n脉冲加p脉冲，且此时n脉冲和p脉间隔时间为零，则认为是USB数据包外SEO开始，下一个n脉冲结束；当一串脉冲序列首个脉冲为宽的n脉冲时，认为该序列为控制码，将串行差分信号接收然后串并转换后即可得到控制码。

相比于现有技术，本发明的优点在于：本发明通过将USB物理信号调制成适合于电气隔离和远距离传输的信号，不需要对USB包进行拆解，不关心USB包内容，不需要数据缓存，只需对USB物理信号进行调制，逻辑简单易实现，能在不影响USB系统通讯速度的情况下既能实现主机与USB设备之间电气隔离又能实现USB信号的远距离传输。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是本发明的UP端或DOWN端的结构示意图。

图3是USB信号与对应差分脉冲信号示意图。

图4是USB信号与对应单端脉冲信号示意图。

图5是USB数据包外SE0与对应差分脉冲信号示意图。

图6是USB数据包外SE0与对应单端脉冲信号示意图。

图7是控制码与对应差分脉冲信号示意图。

图8是控制码与对应单端脉冲信号示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。

如图1所示，一种USB信号隔离延长装置，包括UP端和DOWN端，所述UP端和DOWN端之间通过传输线相连接，所述UP端、传输线和DOWN端双向连接在主机和USB设备之间，如图2所示，所述UP端和DOWN端各分别包括第一数据收发单元、第二数据收发单元、信号调制单元、信号解调单元、控制码产生单元、控制码解析单元以及电气隔离单元，所述第一数据收发单元与主机或USB设备双向连接，所述第二数据收发单元与电气隔离单元双向连接，所述电气隔离单元与传输线双向连接，所述控制码产生单元至信号调制单元单向信号传输，所述信号解调单元至控制码解析单元单向信号传输，所述第一数据收发单元、信号调制单元和第二数据收发单元依次单向信号传输，所述第二数据收发单元、信号解调单元和第一数据收发单元依次单向信号传输。UP端和DOWN自动检测USB总线所连接的是USB设备还是主机，并通过传输线实现主机与USB设备之间的互联互通。主机和USB设备分别为USB1.0主机和USB1.0设备。传输线可以是各种类型的网线、光纤、双绞线等等。

所述第一数据收发单元用于USB物理信号的差分信号或者单端信号接收、USB物理信号发送，所述控制码产生单元产生系统运行所需要的控制码，所述控制码包括USB设备和传输线的插拔信息、USB设备速度信息以及握手信息，所述信号调制单元将USB物理信号或者控制码产生单元产生的控制码调制成隔离信号，所述第二数据收发单元用于隔离信号的接收和发送，所述信号解调单元将接收到的隔离信号解调并分离出USB信号和控制码、并分别送给第一数据收发单元和控制码解析单元，所述控制码解析单元根据控制码产生相应的控制命令对系统的运行作出相应的控制。所述隔离信号为脉冲序列，所述脉冲序列由不同极性的多个短脉冲组成，所述短脉冲宽度小于一个USB低速位宽度。所述脉冲序列为差分脉冲序列，所述短脉冲为短差分脉冲。，所述短差分脉冲可以是连续的也可以是断续的。

所述电气隔离单元为电容隔离或者电感隔离。

一种USB信号隔离延长方法，将USB物理信号和控制码调制成隔离信号，经过电容或者电感隔离电路隔离，所述隔离信号通过电容隔离电路传输或通过电感隔离信号传输，通过传输线实现信号延长，最后进行USB物理信号和控制码的解调，所述USB物理信号包括USB数据包和USB数据包外SEO，所述USB数据包外SEO包括低全速复位信号和低速keep-alive信号。

如图3、图5、图7所示，所述隔离信号为差分的脉冲序列，linestate为USB线状态，xdp(实线)和xdn(虚线)为差分脉冲序列的一对差分信号，由信号调制单元产生，Vcom为共模电平，p脉冲是指xdp电平大于xdn电平的差分脉冲，n脉冲是指xdp电平小于xdn电平的差分脉冲，当然p脉冲和n脉冲极性也可以互换，ctrlc为并串转换之后的控制码；如图4、图6、图8所示，所述隔离信号为单端的脉冲序列，xdp和xdn为脉冲序列两个单端信号，p脉冲是指xdp为高电平且xdn为低电平的脉冲，n脉冲是指xdp为低电平且xdn为高电平的脉冲；

图3、图4中，USB线状态由J态(全速时为D+＝1且D-＝0，低速时为D+＝0且D-＝1)转向K态(全速时为D+＝0且D-＝1，低速时为D+＝1且D-＝0)为包开始(SOP)，两个位宽的SEO(D+＝0且D+＝0)为包结束(EOP)。由USB数据包调制差分脉冲序列的规则是：USB总线状态每变化一次产生一个差分脉冲，由J态转向K态时产生p脉冲，由K态转向J态时产生n脉冲，由J态或者K态转向SEO时产生与前一个脉冲相同的脉冲，由SEO转向J态时产生n脉冲。由上可知，USB数据包的脉冲编码序列总是以p脉冲开始，以两个相邻的极性相同的脉冲序列加一个n脉冲结束。

图5、图6中，USB线状态为USB数据包外SEO，为了区别于USB数据包的脉冲编码序列，USB数据包外SEO的编码序列以n脉冲加p脉冲(两个脉冲间隔时间为0)开头，以下一个n脉冲结束。

图7、图8中，控制码内容根据系统需要自定义，经过并串转换以一定波特率直接发送串行差分信号，为了区别于USB数据包脉冲编码序列，控制码总是以n脉冲为起始，又为了区别于USB数据包外SEO的脉冲编码序列，串行控制码位宽应大于图3、图4、图5和图6中p脉冲和n脉冲的宽度以方便信号解调单元识别出控制码。

所述USB物理信号和控制码的解调：当一串脉冲序列以p脉冲开始，则此序列被认为是USB数据包，p脉冲为K态的开始，n脉冲为J态的开始，当遇到相邻脉冲极性相同时则认为是USB数据包外SEO的开始，下一个n脉冲为USB数据包外SEO的结束，USB数据包外SEO结束后则认为该脉冲序列结束，停止向USB总线发送USB数据包；当一串脉冲序列以n脉冲开始，则此序列被认为是控制码或USB数据包外SEO，当遇到窄的n脉冲加p脉冲，且此时n脉冲和p脉间隔时间为零，则认为是USB数据包外SEO开始，下一个n脉冲结束；当一串脉冲序列首个脉冲为宽的n脉冲时，认为该序列为控制码，将串行差分信号接收然后串并转换后即可得到控制码。

Claims (8)

1.一种USB信号隔离延长装置，包括UP端和DOWN端，所述UP端和DOWN端之间通过传输线相连接，所述UP端、传输线和DOWN端双向连接在主机和USB设备之间，其特征在于所述UP端和DOWN端各分别包括第一数据收发单元、第二数据收发单元、信号调制单元、信号解调单元、控制码产生单元、控制码解析单元以及电气隔离单元，所述第一数据收发单元与主机或USB设备双向连接，所述第二数据收发单元与电气隔离单元双向连接，所述电气隔离单元与传输线双向连接，所述控制码产生单元至信号调制单元单向信号传输，所述信号解调单元至控制码解析单元单向信号传输，所述第一数据收发单元、信号调制单元和第二数据收发单元依次单向信号传输，所述第二数据收发单元、信号解调单元和第一数据收发单元依次单向信号传输。

2.根据权利要求1所述的一种USB信号隔离延长装置，其特征在于所述第一数据收发单元用于USB物理信号的差分信号或者单端信号接收、USB物理信号发送，所述控制码产生单元产生系统运行所需要的控制码，所述信号调制单元将USB物理信号或者控制码产生单元产生的控制码调制成隔离信号，所述第二数据收发单元用于隔离信号的接收和发送，所述信号解调单元将接收到的隔离信号解调并分离出USB信号和控制码、并分别送给第一数据收发单元和控制码解析单元，所述控制码解析单元根据控制码产生相应的控制命令对系统的运行作出相应的控制。

3.根据权利要求1或2所述的一种USB信号隔离延长装置，其特征在于所述电气隔离单元为电容隔离或者电感隔离。

4.根据权利要求1或2所述的一种USB信号隔离延长装置，其特征在于所述隔离信号为脉冲序列，所述脉冲序列由不同极性的短脉冲组成，所述短脉冲宽度小于一个USB低速位宽度。

5.根据权利要求4所述的一种USB信号隔离延长装置，其特征在于所述脉冲序列为差分脉冲序列，所述短脉冲为短差分脉冲。

6.根据权利要求1或2所述的一种USB信号隔离延长装置，其特征在于所述控制码包括USB设备和传输线的插拔信息、USB设备速度信息以及握手信息。

7.一种USB信号隔离延长方法，其特征在于将USB物理信号和控制码调制成隔离信号，经过电容或者电感隔离电路隔离，所述隔离信号通过电容隔离电路传输或通过电感隔离信号传输，通过传输线实现信号延长，最后进行USB物理信号和控制码的解调，所述USB物理信号包括USB数据包和USB数据包外SEO，所述USB数据包外SEO包括低全速复位信号和低速keep-alive信号。

8.根据权利要求7所述的一种USB信号隔离延长方法，其特征在于所述将USB物理信号和控制码调制成隔离信号包括：

当所述隔离信号为差分的脉冲序列，定义xdp和xdn为差分脉冲序列的一对差分信号，p脉冲是指xdp电平大于xdn电平的差分脉冲，n脉冲是指xdp电平小于xdn电平的差分脉冲；当所述隔离信号为单端的脉冲序列，定义xdp和xdn为脉冲序列两个单端信号，p脉冲是指xdp为高电平且xdn为低电平的脉冲，n脉冲是指xdp为低电平且xdn为高电平的脉冲；所述USB数据包的调制：USB总线状态由J态转向K态为包开始，两个位宽的SEO为包结束，USB总线状态每变化一次产生一个差分脉冲，由J态转向K态时产生p脉冲，由K态转向J态时产生n脉冲，由J态或者K态转向SEO时产生与前一个脉冲相同的脉冲，由SEO转向J态时产生n脉冲，即USB数据包的脉冲编码序列总是以p脉冲开始，以两个相邻的极性相同的脉冲序列加一个n脉冲结束，其中，J态为全速时为D+＝1且D-＝0、低速时为D+＝0且D-＝1，K态为全速时为D+＝0且D-＝1、低速时为D+＝1且D-＝0，SEO为D+＝0且D+＝0；

所述USB数据包外SEO的调制：所述USB数据包外SEO的编码序列以n脉冲加p脉冲开头，此时n脉冲和p脉冲间隔时间为0，以下一个n脉冲结束；

所述控制码的调制：所述控制码内容根据系统需要自定义，经过并串转换后直接发送串行差分信号，所述控制码以n脉冲为起始，所述控制码的串行控制码位宽大于USB数据包外SEO的脉冲编码序列的p脉冲和n脉冲的宽度；

所述USB物理信号和控制码的解调：当一串脉冲序列以p脉冲开始，则此序列被认为是USB数据包，p脉冲为K态的开始，n脉冲为J态的开始，当遇到相邻脉冲极性相同时则认为是USB数据包外SEO的开始，下一个n脉冲为USB数据包外SEO的结束，USB数据包外SEO结束后则认为该脉冲序列结束，停止向USB总线发送USB数据包；当一串脉冲序列以n脉冲开始，则此序列被认为是控制码或USB数据包外SEO，当遇到窄的n脉冲加p脉冲，且此时n脉冲和p脉间隔时间为零，则认为是USB数据包外SEO开始，下一个n脉冲结束；当一串脉冲序列首个脉冲为宽的n脉冲时，认为该序列为控制码，将串行差分信号接收然后串并转换后即可得到控制码。