CN110516481A - Usb隔离方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种USB隔离方法及装置，所述方法包括：数据信号隔离电路对数据信号进行隔离；供电电路增加瞬时低电平脉冲信号作为数据信号传输方向的标志，以识别所述数据信号的传输方向；基于所述数据信号的隔离和所述数据信号的传输方向的识别实现USB隔离。本实施例所述的一种USB隔离方法及装置可用于高速USB隔离，能实现USB2.0标准的高速模式信号的隔离，且成本较低，从而使得性价比较高，有效解决了现有技术中USB隔离方式成本较高或不能实现高速隔离导致的性价比较低的技术问题。
Description
技术领域
本发明主要涉及数据安全领域，尤其涉及一种USB隔离方法。
背景技术
在工业控制、医疗等领域经常要用到USB隔离，目前，USB隔离有下列几种方式。
第一种USB隔离方式的电路结构如图1所示，包括MCU(Micro Control Unit的缩写，微控制单元，又称单片微型计算机或者单片机)、232收发器、232隔离芯片、USB转接口芯片和USB接口，USB接口依次通过USB转接口芯片、232接收器、232隔离芯片、232收发器与MCU连接，该USB隔离方式通过将USB信号转化成232信号，利用232信号实现隔离。该隔离方式的缺点是：速度受限受限于RS232的速率，无法满足高速USB隔离的需求，甚至远远低于低速USB的吞吐量，性价比较低。
第二种USB隔离方式的电路结构如图2所示，包括MCU、4通道隔离器、USB收发器和USB接口，USB接口依次通过USB接收器、两个4通道隔离器与MCU连接。该USB隔离方式利用外部的USB收发器，将USB信号转换为6个SIE(Serial Interface Engine的缩写)信号，再用2个4通道隔离器将SIE信号隔离，SIE信号经过隔离后与MCU的SIE信号相连。该USB隔离方式的缺点是：使用的USB收发器和4通道隔离器价格都比较高，成本约为50元，使得USB隔离装置的成本较高，性价比较低。
现有的USB隔离方式至少存在以下技术问题：成本较高或不能实现高速隔离，导致性价较低。
发明内容
本申请实施例提供了一种USB隔离方法及装置，用以解决现有技术中USB隔离方式成本较高或不能实现高速隔离，导致性价较低的技术问题。
为了解决上述技术问题，第一方面，本发明的技术方案是提供一种USB隔离方法，所述方法包括：
数据信号隔离电路对数据信号进行隔离；
供电电路增加瞬时低电平脉冲信号作为数据信号传输方向的标志，以识别所述数据信号的传输方向；
基于所述数据信号的隔离和所述数据信号的传输方向的识别实现USB隔离。
优选地，所述的数据信号隔离电路对数据信号进行隔离之前还包括：滤波器滤除差模干扰。
优选地，处理器、网络变压器和所述USB接口依次串联，以构成所述数据信号隔离电路，所述数据信号隔离电路对数据信号进行隔离。
优选地，所述处理器的电源线依次串联稳压器、电源隔离芯片和USB接口的电源引脚，且所述处理器的控制线与所述稳压器相连，以构成所述供电电路，所述供电电路增加瞬时低电平脉冲信号作为数据信号传输方向的标志，以识别所述数据信号的传输方向。
优选地，所述网络变压器包括第一变压器和第二变压器，所述第一变压器的第一侧的第一端与所述处理器的第一信号线连接，所述第一变压器的第一侧的第二端与所述处理器的第二信号线连接，所述第一变压器的第一侧的第一中间端与第一接地端耦接；所述第一变压器的第二侧的第三端通过第二变压器的第三侧与所述USB接口的第一信号引脚连接，所述第一变压器的第二侧的第四端通过第二变压器的第四侧与所述USB接口的第二信号引脚连接；所述第一变压器的第二侧的第二中间端通过并联的第一电阻第二电阻与第二接地端耦接；所述处理器的接地线与所述第一接地端耦接。
优选地，所述滤波器包括第三电阻、第四电阻、第一电容器和第二电容器；其中，所述第三电阻耦接在所述第一信号线和所述第一变压器的第一侧的第一端之间，所述第四电阻耦接在所述第二信号线和所述第一变压器的第一侧的第二端之间，所述第一电容器耦接在所述第一接地端和所述第一变压器的第一侧的第一中间端之间，所述第二电容器耦接在所述第一接地端和所述第一变压器的第一侧的第一中间端之间，且所述第一电容器和所述第二电容器并联；所述滤波器滤除差模干扰。
优选地，所述稳压器是可调节的LDO。
优选地，所述网络变压器是千兆网络变压器。
优选地，所述处理器是MCU。
优选地，所述第三电阻的阻值是10～100Ω，所述第四电阻的阻值是10～100Ω。
综上，本实施例所述的一种USB隔离方法通过数据信号隔离电路实现了数据信号的隔离，并通过调节供电电路上的电阻，调节输出电压，在电源线中增加瞬时低电平脉冲信号作为数据信号传输方向的标志，识别了数据信号的传输方向，且不影响供电，从而实现了完整的USB隔离。本实施例所述的一种USB隔离方法可用于高速USB隔离，完全可以达到USB2.0标准的高速模式，即460MB/S；还可通过第一电阻R3、第二电阻R4实现相应的高速阻抗匹配。由于本实施例所述的一种USB隔离装置不包含USB收发器和4通道隔离器等价格较高的部件，使得成本较低，且能实现USB2.0标准的高速模式信号的隔离，性价比较高。
第二方面，本申请实施例还提供一种USB隔离装置，所述装置包括处理器、稳压器、电源隔离芯片、USB接口和网络变压器；
所述处理器的电源线依次串联所述稳压器、所述电源隔离芯片和所述USB接口的电源引脚，以构成给所述USB接口供电的供电电路，且所述处理器的控制线与所述稳压器相连；
所述处理器、所述网络变压器和所述USB接口依次串联，以构成数据信号隔离电路。
优选地，所述网络变压器包括第一变压器和第二变压器，所述第一变压器的第一侧的第一端与所述处理器的第一信号线连接，所述第一变压器的第一侧的第二端与所述处理器的第二信号线连接，所述第一变压器的第一侧的第一中间端与第一接地端耦接；
所述第一变压器的第二侧的第三端通过第二变压器的第三侧与所述USB接口的第一信号引脚连接，所述第一变压器的第二侧的第四端通过第二变压器的第四侧与所述USB接口的第二信号引脚连接；
所述第一变压器的第二侧的第二中间端通过并联的第一电阻第二电阻与第二接地端耦接；
所述处理器的接地线与所述第一接地端耦接。
优选地，所述数据信号隔离电路还包括滤波器，所述滤波器包括第三电阻、第四电阻、第一电容器和第二电容器；其中，所述第三电阻耦接在所述第一信号线和所述第一变压器的第一侧的第一端之间，所述第四电阻耦接在所述第二信号线和所述第一变压器的第一侧的第二端之间，所述第一电容器耦接在所述第一接地端和所述第一变压器的第一侧的第一中间端之间，所述第二电容器耦接在所述第一接地端和所述第一变压器的第一侧的第一中间端之间，且所述第一电容器和所述第二电容器并联。
优选地，所述第一电容器的电容是10～100nF。
优选地，所述第二电容器的电容是10～100nF。
优选地，所述第三电阻的阻值是10～100Ω。
优选地，所述第四电阻的阻值是10～100Ω。
优选地，所述稳压器是可调节的LDO。
优选地，所述网络变压器是千兆网络变压器。
优选地，所述处理器是MCU。
本实施例所述的一种USB隔离装置通过数据信号隔离电路实现了数据信号的隔离，并通过调节供电电路上的电阻，调节输出电压，在电源线中增加瞬时低电平脉冲信号作为数据信号传输方向的标志，识别了数据信号的传输方向，且不影响供电，从而实现了完整的USB隔离。本实施例所述的一种USB隔离装置可用于高速USB隔离，完全可以达到USB2.0标准的高速模式，即460MB/S；还可通过第一电阻、第二电阻实现相应的高速阻抗匹配。由于本实施例所述的一种USB隔离装置不包含USB收发器和4通道隔离器等价格较高的部件，使得成本较低(成本在10元以内)，且能实现USB2.0标准的高速模式信号的隔离，性价比较高。
附图说明
附图通过示例说明本发明，而非限制本发明。类似的附图标记指代类似的元件。
图1为现有技术中一种USB隔离方式的电路图；
图2为现有技术中另一种USB隔离方式的电路图；
图3为本发明实施例中USB隔离方法的流程示意图；
图4为本发明实施例中USB隔离装置的电路图。
具体实施方式
参考本文阐述的详细图和描述，可以最好地理解本公开。
实施例一
图3为本发明实施例中一种USB隔离方法的流程示意图，所述方法包括：
步骤110：数据信号隔离电路对数据信号进行隔离；
步骤120：供电电路增加瞬时低电平脉冲信号作为数据信号传输方向的标志，以识别所述数据信号的传输方向；
步骤130：基于所述数据信号的隔离和所述数据信号的传输方向的识别实现USB隔离。
进一步的，所述的数据信号隔离电路对数据信号进行隔离之前还包括：滤波器滤除差模干扰。
进一步的，如图4所示，处理器10、网络变压器50和USB接口40依次串联，以构成所述数据信号隔离电路，所述数据信号隔离电路对数据信号进行隔离。
进一步的，如图4所示，所述处理器10的电源线VBUS+依次串联稳压器20、电源隔离芯片30和USB接口40的电源引脚，且所述处理器10的控制线CTRL与所述稳压器20相连，以构成所述供电电路；所述供电电路增加瞬时低电平脉冲信号作为数据信号传输方向的标志，以识别所述数据信号的传输方向。
具体的，所述处理器10控制所述稳压器20的电阻值大小，从而调节所述供电电路供给所述USB接口的电压。数据信号通过网络变压器50进行数据信号隔离，所述网络变压器50内的工模电感用于滤除差分信号的共模干扰，并增强抗干扰的能力。
进一步的，如图4所示，所述网络变压器50包括第一变压器51和第二变压器52，所述第一变压器51的第一侧的第一端与所述处理器10的第一信号线D+连接，所述第一变压器51的第一侧的第二端与所述处理器10的第二信号线D-连接，所述第一变压器51的第一侧的第一中间端与第一接地端GND1耦接；所述第一变压器51的第二侧的第三端通过第二变压器52的第三侧与所述USB接口40的第一信号引脚DP连接，所述第一变压器51的第二侧的第四端通过第二变压器52的第四侧与所述USB接口的第二信号引脚DN连接；所述第一变压器51的第二侧的第二中间端通过并联的第一电阻R3和第二电阻R4与第二接地端GND2耦接；所述处理器10的接地线与所述第一接地端GND1耦接。
具体的，所述第一信号线D+是正极性端，所述第二信号线D-是负极性端。
进一步的，如图4所示，所述滤波器包括第三电阻R1、第四电阻R2、第一电容器C1和第二电容器C2；其中，所述第三电阻R1耦接在所述第一信号线D+和所述第一变压器51的第一侧的第一端之间，所述第四电阻R2耦接在所述第二信号线D-和所述第一变压器51的第一侧的第二端之间，所述第一电容器C1耦接在所述第一接地端GND1和所述第一变压器51的第一侧的第一中间端之间，所述第二电容器C2耦接在所述第一接地端GND1和所述第一变压器51的第一侧的第一中间端之间，且所述第一电容器C1和所述第二电容器C2并联；所述滤波器滤除差模干扰。
具体的，所述第三电阻R1、所述第四电阻R2可以增强电路的抗干扰能力，所述第一电容器C1、所述第二电容器C2与所述第三电阻R1、所述第四电阻R2形成简单的低通滤波器，可滤除掉差模干扰。
进一步的，所述稳压器20是可调节的LDO(low dropout regulator的缩写，是一种低压差线性稳压器)。
进一步的，所述网络变压器50是千兆网络变压器。
进一步的，所述处理器10是MCU。
进一步的，所述第一电容器C1的电容是10～100nF。
进一步的，所述第二电容器C2的电容是10～100nF。
进一步的，所述第三电阻R1的阻值是10～100Ω。
进一步的，所述第四电阻R2的阻值是10～100Ω。
本实施例所述的一种USB隔离方法的作用原理如下：
所述滤波器可滤除掉差模干扰；第一信号线D+、第二信号线D-的数据信号通过网络变压器50进行隔离，即数据信号隔离，千兆网络变压器内的工模电感用于滤除差分信号的共模干扰，并增强抗干扰的能力。
但是，数据信号隔离电路实现的数据信号的隔离并不能完整的进行USB隔离，因为USB的数据信号虽然是差分信号，可是数据的传输方向也是由第一信号线D+、第二信号线D-来决定的，这样就给USB隔离造成了很大的困难，也就是说，在USB隔离的时候，需要指明哪边是TX(transport的缩写，发送)，哪边是RX(receive的缩写，接收)，即知道数据的传输方向。
现有技术中的电源线是固定的+5V(或者低电压版的+3.3V)，本实施例所述的一种USB隔离装置通过在电源线中增加瞬时低电平脉冲信号作为USB数据信号的传输方向的标志。该瞬时低电平脉冲信号只用于表明发送一帧数据的开始，并不需要在整个数据发送的时间段内一直保持低电平，且低电平也不需要低到0，只要低到2/3的高电平可以识别即可。而这样的瞬时低电平并不影响USB接口40的对外供电能力。
本实施例所述的一种USB隔离方法采用的实现VBUS瞬时低电平脉冲信号的方法如下：处理器10控制可调节的LDO的可调电阻，从而实现USB接口40输出的高电平为5V，低电平为2/3的5V，约为3.3V的脉冲电源控制，从而识别数据信号的传输方向，而且不影响整个供电。
数据信号通过所述第一电阻R3、所述第二电阻R4可进行数据线的阻抗匹配，可以根据需要进行匹配。
综上，本实施例所述的一种USB隔离方法通过数据信号隔离电路实现了数据信号的隔离，并通过调节供电电路上的电阻，调节输出电压，在电源线中增加瞬时低电平脉冲信号作为数据信号传输方向的标志，识别了数据信号的传输方向，且不影响供电，从而实现了完整的USB隔离。本实施例所述的一种USB隔离方法可用于高速USB隔离，完全可以达到USB2.0标准的高速模式，即460MB/S；还可通过第一电阻R3、第二电阻R4实现相应的高速阻抗匹配。由于本实施例所述的一种USB隔离装置不包含USB收发器和4通道隔离器等价格较高的部件，使得成本较低(成本在10元以内)，且能实现USB2.0标准的高速模式信号的隔离，性价比较高。
实施例二
基于与前述实施例中一种USB隔离方法同样的发明构思，本发明还提供一种USB隔离装置，如图4所示，所述装置包括处理器10、稳压器20、电源隔离芯片30、USB接口40和网络变压器50。
所述处理器10的电源线VBUS+依次串联所述稳压器20、所述电源隔离芯片30和所述USB接口40的电源引脚，以构成给所述USB接口40供电的供电电路，且所述处理器10的控制线CTRL与所述稳压器20相连；
所述处理器10、所述网络变压器50和所述USB接口40依次串联，以构成数据信号隔离电路。
具体的，所述处理器10控制所述稳压器20的电阻值大小，从而调节所述供电电路供给所述USB接口的电压。数据信号通过网络变压器50进行数据信号隔离，网络变压器50内的工模电感用于滤除差分信号的共模干扰，并增强抗干扰的能力。
进一步的，所述网络变压器50包括第一变压器51和第二变压器52，所述第一变压器51的第一侧的第一端与所述处理器10的第一信号线D+连接，所述第一变压器51的第一侧的第二端与所述处理器10的第二信号线D-连接，所述第一变压器51的第一侧的第一中间端与第一接地端GND1耦接；所述第一变压器51的第二侧的第三端通过第二变压器52的第三侧与所述USB接口40的第一信号引脚DP连接，所述第一变压器51的第二侧的第四端通过第二变压器52的第四侧与所述USB接口的第二信号引脚DN连接；所述第一变压器51的第二侧的第二中间端通过并联的第一电阻R3和第二电阻R4与第二接地端GND2耦接；所述处理器10的接地线与所述第一接地端GND1耦接。
进一步的，所述数据信号隔离电路还包括滤波器，所述滤波器包括第三电阻R1、第四电阻R2、第一电容器C1和第二电容器C2；其中，所述第三电阻R1耦接在所述第一信号线D+和所述第一变压器51的第一侧的第一端之间，所述第四电阻R2耦接在所述第二信号线D-和所述第一变压器51的第一侧的第二端之间，所述第一电容器C1耦接在所述第一接地端GND1和所述第一变压器51的第一侧的第一中间端之间，所述第二电容器C2耦接在所述第一接地端GND1和所述第一变压器51的第一侧的第一中间端之间，且所述第一电容器C1和所述第二电容器C2并联。
具体的，所述第三电阻R1、所述第四电阻R2可以增强电路的抗干扰能力，所述第一电容器C1、所述第二电容器C2与所述第三电阻R1、所述第四电阻R2形成简单的低通滤波器，可滤除掉差模干扰。
进一步的，所述第一电容器C1的电容是10～100nF。
进一步的，所述第二电容器C2的电容是10～100nF。
进一步的，所述第三电阻R1的阻值是10～100Ω。
进一步的，所述第四电阻R2的阻值是10～100Ω。
进一步的，所述稳压器20是可调节的LDO(low dropout regulator的缩写，是一种低压差线性稳压器)。
进一步的，所述网络变压器50是千兆网络变压器。
进一步的，所述处理器10是MCU。
本实施例所述的一种USB隔离装置的作用原理如下：
所述滤波器可滤除掉差模干扰；第一信号线D+、第二信号线D-的数据信号通过网络变压器50进行隔离，即数据信号隔离，千兆网络变压器内的工模电感用于滤除差分信号的共模干扰，并增强抗干扰的能力。
但是，数据信号隔离电路实现的数据信号的隔离并不能完整的进行USB隔离，因为USB的数据信号虽然是差分信号，可是数据的传输方向也是由第一信号线D+、第二信号线D-来决定的，这样就给USB隔离造成了很大的困难，也就是说，在USB隔离的时候，需要指明哪边是TX(transport的缩写，发送)，哪边是RX(receive的缩写，接收)，即知道数据的传输方向。
现有技术中的电源线是固定的+5V(或者低电压版的+3.3V)，本实施例所述的一种USB隔离装置通过在电源线中增加瞬时低电平脉冲信号作为USB数据信号的传输方向的标志。该瞬时低电平脉冲信号只用于表明发送一帧数据的开始，并不需要在整个数据发送的时间段内一直保持低电平，且低电平也不需要低到0，只要低到2/3的高电平可以识别即可。而这样的瞬时低电平并不影响USB接口40的对外供电能力。
本实施例所述的一种USB隔离装置采用的实现VBUS瞬时低电平脉冲信号的方法如下：处理器10控制可调节的LDO的可调电阻，从而实现USB接口输出高电平为5V，低电平为5V的2/3、约为3.3V的脉冲电源控制，从而根据脉冲串识别数据信号的传输方向，而且不影响整个供电。
数据信号通过第一电阻R3、第二电阻R4可进行数据线的阻抗匹配，从而根据需要进行匹配。
综上，本实施例所述的一种USB隔离装置通过数据信号隔离电路实现了数据信号的隔离，并通过调节供电电路上的电阻，调节输出电压，在电源线中增加瞬时低电平脉冲信号作为数据信号传输方向的标志，识别了数据信号的传输方向，且不影响供电，从而实现了完整的USB隔离。本实施例所述的一种USB隔离装置可用于高速USB隔离，完全可以达到USB2.0标准的高速模式，即460MB/S；还可通过第一电阻R3、第二电阻R4实现相应的高速阻抗匹配。由于本实施例所述的一种USB隔离装置不包含USB收发器和4通道隔离器等价格较高的部件，使得成本较低(成本在10元以内)，且能实现USB2.0标准的高速模式信号的隔离，性价比较高。
应当理解的是，虽然在这里可能使用量术语“第一”、“第二”等等来描述各个单元，但是这些单元不应当受这些术语限制。使用这些术语仅仅是为了将一个单元与另一个单元进行区分。举例来说，在不背离示例性实施例的范围的情况下，第一单元可以被称为第二单元，并且类似地第二单元可以被称为第一单元。
在本说明书中提到或者可能提到的上、下、左、右、前、后、正面、背面、顶部、底部等方位用语是相对于各附图中所示的构造进行定义的，它们是相对的概念，因此有可能会根据其所处不同位置、不同使用状态而进行相应地变化。所以，也不应当将这些或者其他的方位用语解释为限制性用语。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种USB隔离方法，其特征在于，所述方法包括：
数据信号隔离电路对数据信号进行隔离；
供电电路增加瞬时低电平脉冲信号作为数据信号传输方向的标志，以识别所述数据信号的传输方向；
基于所述数据信号的隔离和所述数据信号的传输方向的识别实现USB隔离。
2.如权利要求1所述的USB隔离方法，其特征在于，所述的数据信号隔离电路对数据信号进行隔离之前还包括：滤波器滤除差模干扰。
3.如权利要求2所述的USB隔离方法，其特征在于，处理器、网络变压器和所述USB接口依次串联，以构成所述数据信号隔离电路；所述数据信号隔离电路对数据信号进行隔离。
4.如权利要求3所述的USB隔离方法，其特征在于，所述处理器的电源线依次串联稳压器、电源隔离芯片和USB接口的电源引脚，且所述处理器的控制线与所述稳压器相连，以构成所述供电电路；所述供电电路增加瞬时低电平脉冲信号作为数据信号传输方向的标志，以识别所述数据信号的传输方向。
5.如权利要求4所述的USB隔离方法，其特征在于，所述网络变压器包括第一变压器和第二变压器，所述第一变压器的第一侧的第一端与所述处理器的第一信号线连接，所述第一变压器的第一侧的第二端与所述处理器的第二信号线连接，所述第一变压器的第一侧的第一中间端与第一接地端耦接；
所述第一变压器的第二侧的第三端通过第二变压器的第三侧与所述USB接口的第一信号引脚连接，所述第一变压器的第二侧的第四端通过第二变压器的第四侧与所述USB接口的第二信号引脚连接；
所述第一变压器的第二侧的第二中间端通过并联的第一电阻第二电阻与第二接地端耦接；
所述处理器的接地线与所述第一接地端耦接。
6.如权利要求5所述的USB隔离方法，其特征在于，所述滤波器包括第三电阻、第四电阻、第一电容器和第二电容器；其中，所述第三电阻耦接在所述第一信号线和所述第一变压器的第一侧的第一端之间，所述第四电阻耦接在所述第二信号线和所述第一变压器的第一侧的第二端之间，所述第一电容器耦接在所述第一接地端和所述第一变压器的第一侧的第一中间端之间，所述第二电容器耦接在所述第一接地端和所述第一变压器的第一侧的第一中间端之间，且所述第一电容器和所述第二电容器并联；所述滤波器滤除差模干扰。
7.如权利要求1所述的USB隔离方法，其特征在于，所述稳压器是可调节的LDO。
8.如权利要求1所述的USB隔离方法，其特征在于，所述网络变压器是千兆网络变压器。
9.如权利要求1所述的USB隔离方法，其特征在于，所述处理器是MCU。
10.如权利要求5所述的USB隔离方法，其特征在于，所述第三电阻的阻值是10～100Ω，所述第四电阻的阻值是10～100Ω。
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