CN107885689B - 用于在高共模电压条件下禁用高速总线操作的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种装置，包括：握手窗口启用器，具有一对差分输入和窗口启用输出；共模检测器，其与电力输入和地输入耦合并且具有握手禁止输出；以及握手禁用器，其与所述握手窗口启用器、共模检测器和一对差分输入耦合。如果检测到范围之外(“过高”)的共模电压，则高速握手协议使得总线以较低数据速率操作。

Description

用于在高共模电压条件下禁用高速总线操作的方法和装置
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年9月30日提交的共同未决的美国临时专利申请第62/402,843号的权益，该申请通过引用方式被并入本文。
背景技术
通用串行总线(USB)是20世纪90年代中期开发的一种工业标准协议，其定义了在用于计算机(主机)与电子设备(客户端)之间的连接、通信和电力供应的总线中使用的电缆、连接器和通信协议。不同于其它的数据总线(例如，以太网、HDMI)，USB连接是有向的，上游端口和下游端口源发于单个主机。它目前由USB Implementers Forum(USB IF)开发。
在1996年1月引入的最初的USB 1.0规范将1.5Mbit/s的数据速率定义为“低速”并且将12Mbit/s的数据速率定义为“全速”。USB 2.0规范发布于2000年4月并且在2001年底由USB-IF批准，并且将480Mbit/s的附加数据速率定义为“高速”。USB 2.0使用了四根屏蔽线：两个用于电力(VBUS和GND)，并且两个用于差分数据信号(D+和D-)，提供了半双工数据传输。USB 2.0总线的数据速率在每次总线复位后默认是全速，但是可以增加到高速，如通过“握手”协议使用带外信号证实主机和客户端都能够进行高速操作所确定的。
虽然D+和D-信号利用USB 2.0在差分对上传输，但是当例如主机和/或客户端的地线没有处于大地地时，它们仍会受主机与客户端之间的大的共模差分影响。这会发生于工业设置、机场、取暖、通风和空调(HVAC)系统中，仅举了几个例子。
共模干扰在较高数据速率下(例如，在USB 2.0总线的高速运行期间)问题更明显。因此，存在即使设备是高速兼容的也期望使USB 2.0总线以较慢全速速率运行的情形。然而，在总线复位后使用的自动握手协议使得当主机和客户端都是高速兼容时全速运行会出现问题。
在阅读以下说明并研究附图中的多个图后，现有技术的这些以及其它的局限性对于本领域技术人员而言是明显的。
发明内容
提供了在USB 2.0总线中禁用高速总线操作的方法和装置。
用于禁用高速总线操作的示例方法包括针对总线复位信号监视通用串行总线(USB)，以及如果存在高速禁用信号，则在检测到复位后的握手窗口时间段期间内在USB上禁用高速握手协议。高速禁用信号可以是在总线上检测到高共模电压的结果或者可以由于期望有较低数据速率的其它原因。
第一示例装置包括：握手窗口启用器，其具有一对差分输入和窗口启用输出；共模检测器，其与电力输入和地输入耦合且具有握手禁止输出；以及握手禁用器，其与握手窗口启用器、共模检测器和一对差分输入耦合。如果检测到范围之外(“过高”)的共模电压，则将禁用高速握手协议。
第二示例装置包括：握手窗口启用器，其具有一对差分输入和窗口启用输出，其中握手窗口启用器包括USB范围检测器和与USB复位检测器耦合的单稳多谐振荡器；共模检测器，其与电力输入和地输入耦合且具有握手禁止输出，其中共模检测器包括在地输入与地输出之间提供的地线电阻器、与地输入耦合的地比较器、与电力输入耦合的电力比较器以及具有与地比较器耦合的置位输入和与电力比较器耦合的复位输入的锁存器；握手禁用器，其与一对差分输入耦合；以及与(AND)门，其具有与窗口禁用输出和握手禁止输出耦合的输入以及与握手禁用器的控制输入耦合的输出。
在阅读以下说明并研究附图中的多个图后，这些以及其它的实施例、特征和优点对于本领域技术人员而言是明显的。
附图说明
现在将参考附图对若干示例性实施例进行说明，其中相似的组件被提供有相似的附图标记。示例性实施例旨在说明而不是限制本发明。附图包括以下图：
图1是用于在高共模电压条件下禁用高速总线操作的装置的第一示例性实施例的框图；
图2是用于在高共模电压条件下禁用高速总线操作的装置的第二示例性实施例的框图；
图3是示出了示例共模检测过程的流程图；
图4是示出了示例高速禁止过程的流程图；
图5是示出了USB 2.0总线上的高速握手过程的时序图；以及
图6是示出了在USB 2.0总线上禁止高速握手过程的时序图。
具体实施方式
在图1中，通过示例而非限制的方式阐述的用于禁用高速总线操作的装置10包括握手窗口启用器12、共模检测器14和握手禁用器16。握手窗口启用器12具有一对差分输入D+_IN和D-_IN以及窗口启用输出WE。共模检测器14耦合在电力输入VBUS_IN与地输入GNG_IN之间并且具有握手禁止输出HS_Inhibit。握手禁用器16与握手窗口启用器12的WE输出耦合，通过与门18与共模检测器14的HS_Inhibit输出耦合，并且与差分对D+_IN和D-_IN耦合。
在该非限制性的示例中，握手窗口启用器12包括USB复位检测器20和单稳多谐振荡器(One Shot)22。USB复位检测器20具有与D+_IN线和D-_IN线耦合的输入以及与OneShot 22的输入耦合的输出。One Shot 22的输出产生窗口启用信号WE。在该非限制性的示例中，当D+_IN和D-_IN在近似2.5毫秒内为LO且触发One Shot 22输出WE在近似9毫秒内为HI时，USB复位检测器检测到总线复位。在该示例中，9毫秒包括该期间内会发生高速握手的“握手窗口”。
在该非限制性的示例中，共模检测器14包括位于GND_IN与GND_OUT之间的地线电阻器24、一对比较器26和28、或(OR)门30、锁存器32和比较器34。在该示例中，比较器26和28定基准为+0.25V和-0.25V，使得如果GND_IN在-0.25V到+0.25V的范围(可接受共模电压范围)之外，则或门30的输出为HI。如果共模电压在范围之外，则或门30将锁存器32置位而使得HS_Inhibit信号为HI。当VBUS_IN越过例如3V参考电压时，通过比较器34将锁存器30复位。如本文所使用的，术语“高共模电压”意指共模电压的高绝对值，或为负或为正。
握手禁用器16包括常闭双刀单掷型电子开关36、常开四刀单掷型电子开关38、四个接地电阻器40以及反相器42。在该非限制性的示例中，电子开关36包括将第一差分输入D+_IN与第一差分输出D+_OUT耦合的第一差分线电子开关以及将第二差分输入D-_IN与第二差分输出D-_OUT耦合的第二差分线电子开关。同样，在该非限制性的示例中，电子开关38包括第一电子开关、第二电子开关、第三电子开关和第四电子开关，其中每个与四个接地电阻器40中的一个形成串联连接。例如，握手禁用器16可以包括将一对差分输入的第一差分输入与地耦合的第一电子开关和第一电阻器的串联连接、将一对差分输入的第二差分输入与地耦合的第二电子开关和第二电阻器的串联连接、将第一差分输出与地耦合的第三电子开关和第三电阻器的串联连接，以及将一对差分输入的第二差分输入与地耦合的第四电子开关和第四电阻器的串联连接。
在操作中，当与门18的输出HD为HI(例如，WE为HI且HS_Inhibit为HI，而产生握手禁用信号)时，电子开关36断开且电子开关38闭合以将D+_IN、D+_OUT、D-_IN和D-_OUT中的每一个隔离且接地。这有效地阻止了在握手窗口的持续期间内在D+线和D-线上的任何握手通信。当与门18的输出HD为LO时，电子开关36闭合且电子开关38断开，允许在D+线和D-线上的正常通信。
在图2中，示出了用于禁用高速总线操作的替代装置10’，其中相似的附图标记用于图1和图2中相似的设备。在该第二示例性实施例中，装置10’与第一示例性实施例的差别仅在于握手禁用器16’的配置。在该非限制性的实施例中，当输出HD为HI(例如，握手禁用信号)时，单刀双掷常开型电子开关44闭合，使得D+线和D-线与地短接并且阻止在握手窗口持续期间内的任何握手通信。在该替代的示例性实施例中，电子开关可以包括将一对差分输入与地耦合的一对电子开关，其中一对电子开关经由握手禁用器的控制输入来控制。
图3是示出了示例共模检测过程46的流程图，在该示例性实施例中，该共模检测过程通过共模检测器14的硬件来实现。共模检测在48处空闲，HS_Inhibit置位为“0”或“LO”，直到VBUS超过3V。接着，在操作50中，检查共模电压以确认其是否在例如从-0.25V到+0.25V的范围之内。如果共模电压在该范围之外，则操作52将HS_Inhibit置位为“1”或“HI”，并且如果VBUS降至3V以下，则过程控制返回到操作48。
图4是示出了示例高速禁止过程54的流程图，在该示例性实施例中，该高速禁止过程由图1或图2的硬件来实现。该过程在操作56中在高速禁止模式下空闲，直到D-为LO且D+正在下降，此时在操作58中检测到复位。当在一时间段(例如，2.5μs)内D-为LO且D+为LO，操作检查高共模。如果HS_Inhibit为LO，则控制返回到操作56。如果HS_Inhibit为HI，则操作62通过阻止D+总线和D-总线上的高速握手协议而禁止高速。在握手窗口(a/k/a 9毫秒定时器)到期时，控制返回到操作56。
图5和图6是示出了上述的装置和方法的操作的时序图。在图5中，HS_Inhibit为LO，并且如在点“HS握手开始”处所看到的，允许D+线和D-线执行它们的握手过程以配置总线进行高速操作。在图6中，在USB复位开始后短时间内，HS_Inhibit线为HI(由于检测到高共模电压，例如，在范围之外的共模电压)，并且D+线和D-线接地，阻止发生任何握手过程。
虽然已经论述了其中当在总线上存在高共模电压时禁用高速操作的多个实施例，也存在可能期望禁用高速操作的其它原因。例如，如果主机和客户端不需要高数据速率通信，可能期望禁用高速操作从而降低功耗、减少辐射、提高总线长度，等等。因此，可以通过多种方式来产生HS_Inhibit信号，包括简单地将HS_Inhibit线与电力总线连接。
虽然已经利用具体的术语和设备描述了多个实施例，但是这些描述仅用于示例说明的目的。所使用的措辞是描述而不是限制的措辞。应理解，在不偏离书面公开内容和附图所支持的各个发明的主旨和范围的情况下，本领域普通技术人员可以做出改变和变型例。另外，应当理解，可以将多个其它实施例的方面整体上或部分地进行交换。因此，目的在于根据本发明的真正的主旨和范围来不受限制或不容推翻地解释权利要求。

Claims (17)

1.一种用于禁用高速总线操作的方法，包括：
针对总线复位信号监视通用串行总线(USB)；以及
如果存在高速禁用信号，则在检测到复位后的握手窗口时段期间内在所述USB上禁用高速握手协议。
2.如权利要求1所述的用于禁用高速总线操作的方法，还包括：检测通用串行总线(USB)上的共模电压并且如果所述共模电压处于范围之外则产生所述高速禁用信号。
3.一种用于在高共模电压条件下禁用高速总线操作的装置，包括：
握手窗口启用器，其具有一对差分输入和窗口启用输出；
共模检测器，其耦合到电力输入和地输入并且具有握手禁止输出；以及
握手禁用器，其耦合到所述握手窗口启用器、所述共模检测器和所述一对差分输入，并且响应于所述窗口启用输出以及所述握手禁止输出产生握手禁用信号，所述握手禁用器阻止在握手窗口持续期间内在所述一对差分输入上的握手通信。
4.如权利要求3所述的用于在高共模电压条件下禁用高速总线操作的装置，其中，所述握手窗口启用器包括USB复位检测器和耦合到所述USB复位检测器的单稳多谐振荡器。
5.如权利要求3所述的用于在高共模电压条件下禁用高速总线操作的装置，其中，所述共模检测器包括被提供在所述地输入与地输出之间的电阻器、耦合到所述地输入的地比较器、耦合到所述电力输入的电力比较器以及具有耦合到所述地比较器的置位输入和耦合到所述电力比较器的复位输入的锁存器。
6.如权利要求3所述的用于在高共模电压条件下禁用高速总线操作的装置，还包括具有耦合到所述窗口启用输出和所述握手禁止输出的输入以及耦合到所述握手禁用器的控制输入的输出的与(AND)门。
7.如权利要求3所述的用于在高共模电压条件下禁用高速总线操作的装置，其中，所述握手禁用器包括将所述一对差分输入耦合到地的一对电子开关，其中，所述一对电子开关是经由所述握手禁用器的控制输入而被控制的。
8.一种用于在高共模电压条件下禁用高速总线操作的装置，包括：
握手窗口启用器，其具有一对差分输入和窗口启用输出，其中，所述握手窗口启用器包括USB复位检测器和耦合到所述USB复位检测器的单稳多谐振荡器；
共模检测器，其耦合到电力输入和地输入并且具有握手禁止输出，其中，所述共模检测器包括被提供在所述地输入与地输出之间的地线电阻器、耦合到所述地输入的地比较器、耦合到所述电力输入的电力比较器以及具有耦合到所述地比较器的置位输入和耦合到所述电力比较器的复位输入的锁存器；
握手禁用器，其耦合到所述一对差分输入；以及
与(AND)门，其具有耦合到所述窗口启用输出和所述握手禁止输出的输入以及耦合到所述握手禁用器的控制输入的输出，
其中，响应于所述与门的输出产生握手禁用信号，所述握手禁用器阻止在握手窗口持续期间内在所述一对差分输入上的握手通信。
9.如权利要求8所述的用于在高共模电压条件下禁用高速总线操作的装置，其中，所述握手禁用器包括将所述一对差分输入耦合到地的一对电子开关，其中，所述一对电子开关是经由所述握手禁用器的控制输入而被控制的。
10.如权利要求9所述的用于在高共模电压条件下禁用高速总线操作的装置，其中，所述一对电子开关包括单刀双掷常开型电子开关。
11.如权利要求8所述的用于在高共模电压条件下禁用高速总线操作的装置，其中，所述握手禁用器包括将所述一对差分输入的第一差分输入耦合到地的第一电子开关和第一电阻器的串联连接以及将所述一对差分输入的第二差分输入耦合到地的第二电子开关和第二电阻器的串联连接。
12.如权利要求11所述的用于在高共模电压条件下禁用高速总线操作的装置，其中，所述握手禁用器还包括将所述第一差分输入耦合到第一差分输出的第一差分线电子开关以及将所述第二差分输入耦合到第二差分输出的第二差分线电子开关。
13.如权利要求12所述的用于在高共模电压条件下禁用高速总线操作的装置，其中，所述第一差分线电子开关和所述第二差分线电子开关包括常闭双刀单掷差分型电子开关。
14.如权利要求13所述的用于在高共模电压条件下禁用高速总线操作的装置，还包括将所述与门的输出耦合到所述常闭双刀单掷差分型电子开关的控制输入的反相器。
15.如权利要求12所述的用于在高共模电压条件下禁用高速总线操作的装置，其中，所述握手禁用器包括将所述第一差分输出耦合到地的第三电子开关和第三电阻器的串联连接以及将所述一对差分输入的第二差分输入耦合到地的第四电子开关和第四电阻器的串联连接。
16.如权利要求15所述的用于在高共模电压条件下禁用高速总线操作的装置，其中，所述第一电子开关、所述第二电子开关、所述第三电子开关以及所述第四电子开关包括常开四刀单掷型电子开关。
17.如权利要求16所述的用于在高共模电压条件下禁用高速总线操作的装置，其中，所述与门的输出耦合到所述常开四刀单掷型电子开关的控制输入。
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