CN109829343A - 一种高抗扰等级的usb通信隔离系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高抗扰等级的USB通信隔离系统及方法，属于工业电子通信技术领域。采用USB控制器进行USB通信；所述USB控制器包括通信网络主机HOST和通信网络从机DEVICE两种状态，所述的USB控制器的USB通信接口内增加USB变压器。使用变压器方式提高USB的通信硬件性能防护，提供2000V隔离，将脆弱内部电路与外部可能出现的恶劣环境隔离开来，可有效阻止USB通信接口遭遇感应雷击浪涌的情况下造成内部电路损坏，即使静电枪对设备接口直接接触放电，该设备依然不会损坏，设备接口在误操作情况下触碰到电源线设备不应损坏，本发明可为USB通信在车身通信的应用上的提供解决方案。
Description
技术领域
本发明涉及一种高抗扰等级的USB通信隔离系统及方法，属于工业电子通信技术领域。
背景技术
当前，常规工业与汽车电子通信方案较多采用RS232，RS485，CAN，PROFIBUS等，此几类方案相对成熟，但缺点也比较明显，232与485硬件防护性能不高，易损坏，且通信速率很低，CAN通信硬件方案比较稳定，速率有所提升，但依然不超过1Mbit，在数据量稍大的情况下捉襟见肘，较大数据传输需求下，迫切需要寻求更高速率的数据传输方案，在常规数据传输方案里，USB是较为理想的选择，但USB通信防护性能太差，主要在民用或商业级产品中使用，工业领域极易损坏，这也是工业领域数据传输没有应用USB接口的根本原因。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足之处，本发明提供一种高抗扰等级的USB通信隔离系统及方法，提高USB的通信硬件性能防护，提供电压隔离，将脆弱内部电路与外部可能出现的恶劣环境隔离开来，可有效阻止USB通信接口遭遇感应雷击浪涌的情况下造成内部电路损坏。
本发明是通过如下技术方案实现的：一种高抗扰等级的USB通信隔离系统，其特征在于：采用USB控制器进行USB通信；所述USB控制器包括通信网络主机HOST和通信网络从机DEVICE两种状态，所述的USB控制器的USB通信接口内增加USB变压器。
进一步的，所述的USB控制器包括处理器、电源电路、USB PHY、USB OTG检测电路、USB设备类型检测电路、USB变压器、USB隔离电源和USB设备接口，所述的处理器分别与USBPHY、USB OTG和USB设备类型相连接，USB PHY与USB变压器相连，USB变压器与USB隔离电源和USB设备接口相连，USB隔离电源还与USB设备接口相连。
进一步的，所述的USB OTG检测电路包括带有中断功能的普通IO口，此信号输入用于决定USB控制器的主从模式，输入低电平，则USB控制器识别为通信网络主机HOST模式，打开USB隔离电源，反之，进入通信网络从机DEVICE模式。
进一步的，所述的USB设备类型检测电路包括通用GPIO，用于决定USB控制器高低速模式，当引脚短接，USB设备类型检测电路检测为高点平，悬空情况下，检测为低电平，高电平决定设备为高速模式，低电平为低速模式。
进一步的，所述的USB PHY的输出端连接USB变压器，USB变压器的隔离电压为2kV，USB控制器高速模式下，所述的USB PHY集成电流源输出差模信号，输出电流17.78mA，单线对地阻抗45ohm，差分差模信号Vdiff=D+-D-=±400mV±10%，脉冲上升时间500ps，经USB变压器耦合，信号输出为USB变压器同名端，信号电平及相位无变化。
进一步的，所述的USB隔离电源用于通信网络主机HOST模式下为USB设备供电，输出电流500mA。
一种高抗扰等级的USB通信隔离方法，采用高抗扰等级的USB通信隔离系统，USB控制器驱动流程包括步骤，
S1：USB控制器开始启动；
S2：USB控制器启动操作系统内核；
S3：读取USB OTG检测电路引脚决定USB控制器的主从模式；
S4：读取USB设备类型检测电路决定USB控制器的通信速率；
S5：配置USB控制器；
S6：初始化USB PHY；
S7：握手。
进一步的，所述的步骤S3，读取USB OTG引脚决定USB控制器的主从模式，USB OTG引脚输入低电平，则USB控制器识别为通信网络主机HOST模式，打开USB隔离电源，反之，进入通信网络从机DEVICE模式。
一种车辆黑匣子，所述车辆黑匣子具有一种高抗扰等级的USB通信隔离系统，尤其被用于执行一种高抗扰等级的USB通信隔离方法。
本发明的有益效果是：本发明使用变压器方式提高USB的通信硬件性能防护，提供2000V隔离，将脆弱内部电路与外部可能出现的恶劣环境隔离开来，可有效阻止USB通信接口遭遇感应雷击浪涌的情况下造成内部电路损坏，在应对ESD方面该发明也可有效抗扰，即使静电枪对设备接口直接接触放电，该设备依然不会损坏，在车载电子产品领域，所有设备接口，包括信号线，耐压应不小于车辆蓄电池电压，设备接口在误操作情况下触碰到电源线，设备不应损坏，即线序容错性能，传统USB在此种情况下会立即损坏，本发明可有效解决此类问题，为USB通信在车身通信的应用上的提供解决方案。
附图说明
下面根据附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的系统原理框图；
图2是本发明的USB变压器隔离电路示意图；
图3是本发明的通信网络从机设备连接示意图；
图4是本发明的通信隔离驱动工作流程图。
具体实施方式
如图1到图4所示的一种高抗扰等级的USB通信隔离系统，其特征在于：采用USB控制器进行USB通信；所述USB控制器包括通信网络主机HOST和通信网络从机DEVICE两种状态，所述的USB控制器的USB通信接口内增加USB变压器。
进一步的，所述的USB控制器包括处理器、电源电路、USB PHY、USB OTG检测电路、USB设备类型检测电路、USB变压器、USB隔离电源和USB设备接口，所述的处理器分别与USBPHY、USB OTG和USB设备类型相连接，USB PHY与USB变压器相连，USB变压器与USB隔离电源和USB设备接口相连，USB隔离电源还与USB设备接口相连。
进一步的，所述的USB OTG检测电路包括带有中断功能的普通IO口，此信号输入用于决定USB控制器的主从模式，输入低电平，则USB控制器识别为通信网络主机HOST模式，打开USB隔离电源，反之，进入通信网络从机DEVICE模式。
进一步的，所述的USB设备类型检测电路包括通用GPIO，用于决定USB控制器高低速模式，当引脚短接，USB设备类型检测电路检测为高点平，悬空情况下，检测为低电平，高电平决定设备为高速模式，低电平为低速模式。
进一步的，所述的USB PHY的输出端连接USB变压器，USB变压器的隔离电压为2kV，USB控制器高速模式下，所述的USB PHY集成电流源输出差模信号，输出电流17.78mA，单线对地阻抗45ohm，差分差模信号Vdiff=D+-D-=±400mV±10%，脉冲上升时间500ps，经USB变压器耦合，信号输出为USB变压器同名端，信号电平及相位无变化。
进一步的，所述的USB隔离电源用于通信网络主机HOST模式下为USB设备供电，输出电流500mA。
一种高抗扰等级的USB通信隔离方法，采用高抗扰等级的USB通信隔离系统，USB控制器驱动流程包括步骤，
S1：USB控制器开始启动；
S2：USB控制器启动操作系统内核；
S3：读取USB OTG引脚决定USB控制器的主从模式；读取USB OTG引脚决定USB控制器的主从模式，USB OTG引脚输入低电平，则USB控制器识别为通信网络主机HOST模式，打开USB隔离电源，反之，进入通信网络从机DEVICE模式。
S4：读取USB设备速度类型；检测电路与变压器集成于USB设备端，连接器两个引脚可从外部通过线束将两个引脚短接决定设备速度类型，当引脚短接，速率检测电路检测为高点平，悬空情况下，检测为低电平，根据现场条件或线束质量等，临时决定设备通信速率，现场环境复杂，高速通信可能存在不稳定或者不能不能正常通信的情况，需要降低速率；
S5：配置USB控制器；
S6：初始化USB PHY；
S7：握手。
一种车辆黑匣子，所述车辆黑匣子具有一种高抗扰等级的USB通信隔离系统，尤其被用于执行一种高抗扰等级的USB通信隔离方法。
Claims (9)
1.一种高抗扰等级的USB通信隔离系统，其特征在于：采用USB控制器进行USB通信；所述USB控制器包括通信网络主机HOST和通信网络从机DEVICE两种状态，所述的USB控制器的USB通信接口内增加USB变压器。
2.根据权利要求1所述的一种高抗扰等级的USB通信隔离系统，其特征在于：所述的USB控制器包括处理器、电源电路、USB PHY、USB OTG检测电路、USB设备类型检测电路、USB变压器、USB隔离电源和USB设备接口，所述的处理器分别与USB PHY、USB OTG和USB设备类型相连接，USB PHY与USB变压器相连，USB变压器与USB隔离电源和USB设备接口相连，USB隔离电源还与USB设备接口相连。
3.根据权利要求2所述的一种高抗扰等级的USB通信隔离系统，其特征在于：所述的USBOTG检测电路包括带有中断功能的普通IO口，此信号输入用于决定USB控制器的主从模式，输入低电平，则USB控制器识别为通信网络主机HOST模式，打开USB隔离电源，反之，进入通信网络从机DEVICE模式。
4.根据权利要求2所述的一种高抗扰等级的USB通信隔离系统，其特征在于：所述的USB设备类型检测电路包括通用GPIO，用于决定USB控制器高低速模式，当引脚短接，USB设备类型检测电路检测为高点平，悬空情况下，检测为低电平，高电平决定设备为高速模式，低电平为低速模式。
5.根据权利要求2所述的一种高抗扰等级的USB通信隔离系统，其特征在于：所述的USBPHY的输出端连接USB变压器，USB变压器的隔离电压为2kV，USB控制器高速模式下，所述的USB PHY集成电流源输出差模信号，输出电流17.78mA，单线对地阻抗45ohm，差分差模信号Vdiff=D+-D-=±400mV±10%，脉冲上升时间500ps，经USB变压器耦合，信号输出为USB变压器同名端，信号电平及相位无变化。
6.根据权利要求2所述的一种高抗扰等级的USB通信隔离系统，其特征在于：所述的USB隔离电源用于通信网络主机HOST模式下为USB设备供电，输出电流500mA。
7.一种高抗扰等级的USB通信隔离方法，采用任意如权利要求1-6所述的一种高抗扰等级的USB通信隔离系统，USB控制器驱动流程包括步骤，
S1：USB控制器开始启动；
S2：USB控制器启动操作系统内核；
S3：读取USB OTG检测电路引脚决定USB控制器的主从模式；
S4：读取USB设备类型检测电路决定USB控制器的通信速率；
S5：配置USB控制器；
S6：初始化USB PHY；
S7：握手。
8.根据权利要求7所述的一种高抗扰等级的USB通信隔离方法，其特征在于：所述的步骤S3，读取USB OTG引脚决定USB控制器的主从模式，USB OTG引脚输入低电平，则USB控制器识别为通信网络主机HOST模式，打开USB隔离电源，反之，进入通信网络从机DEVICE模式。
9.一种车辆黑匣子，所述车辆黑匣子具有根据权利要求1至6中任一项所述的一种高抗扰等级的USB通信隔离系统，尤其被用于执行根据权利要求7至8中任一项所述的方法。
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