CN110781111A - 一种可实时监测的双冗余usb端口扩展装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可实时监测的双冗余USB端口扩展装置，属于军用加固计算机技术领域。本发明通过设计双冗余USB端口思路实现了USB扩展端口工作状态的实时监测，且可在USB端口通信异常时对USB端口连接的设备进行在线断电重启并自动切换至备用USB端口的功能，满足显控计算机和指控计算机在战备或作战情况下USB键盘模块、USB鼠标模块、USB语音模块、USB操控模块及USB密钥模块等USB设备的工作要求，解决了这些USB设备在通信异常时需要拆卸后才能进行断电重、故障排除后才能继续工作的问题，提高显控计算机和指控计算机的可靠性和实用性。

Description

一种可实时监测的双冗余USB端口扩展装置
技术领域
本发明属于军用加固计算机技术领域，具体涉及一种可实时监测的双冗余USB端口扩展装置。
背景技术
USB端口扩展设备是显控计算机和指控计算机的重要组成部分。显控计算机和指控计算机安装在显控台和数据处理机柜上，用于显示软件界面提供人机交互信息并为指控系统提供数据处理和计算的平台。在显控台和数据处理机柜上需要要多路的USB端口来连接USB键盘模块、USB鼠标模块、USB语音模块、USB操控模块及USB密钥模块等，这些USB设备通常是已经通过紧固装置安装到显控台和数据处理机柜上，战备或作战情况下是不可随意拆卸的。传统的解决方案是采用通用的USB端口扩展电路对USB端口的数量进行扩展，来满足多个USB端口的需要。但由于不具有对USB端口的实时监测功能，所以当这些USB设备出现通信异常时，无法准确的通过实时监测对USB端口的连接状态进行确认，且由于这些USB设备不可随意进行拆卸，所以只能通过将显控台和数据处理机柜进行整机断电重启的方式来对这些设备的USB端口进行初始化，故障排除后才能重新使用。
因此如何实现USB端口的可靠双冗余备份，并对扩展的USB端口进行实时监测，成为这些应用场合所必须实现的USB端口扩展技术。目前传统的USB端口扩展设备不具有对USB端口的实时监测功能，不能在扩展的USB端口通信异常时对USB端口连接的设备进行在线断电重启并自动切换至双冗余备份USB端口，无法满足当前显控计算机和指控计算机的应用需求。所以需要研制一款可对USB端口进行实时监测且在USB端口通信异常时可对USB端口连接的设备进行在线断电重启并自动切换至备用USB端口的装置，用于军用加固计算机领域。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何解决传统的USB端口扩展设备不能在扩展的USB端口通信异常时对USB端口连接的设备进行在线断电重启并自动切换至双冗余备份USB端口的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种可实时监测的双冗余USB端口扩展装置，包括单片机1、信号输入连接器2、电源分路开关3、第一USB-HUB控制器4、第二USB-HUB控制器5、差分模拟开关6、信号输出连接器7、电源输出保护器8；
其中，所述信号输入连接器2分别与电源分路开关3、第一USB-HUB控制器4、第二USB-HUB控制器5相连，电源分路开关3与单片机1、信号输出连接器7、电源输出保护器8相连，差分模拟开关6分别与第一USB-HUB控制器4、USB-HUB控制器B5、单片机1、信号输出连接器7相连；
第一USB-HUB控制器4连接信号输入连接器2输入的USB总线A，第二USB-HUB控制器5连接信号输入连接器2输入的USB总线B，第一USB-HUB控制器4用于输出7路扩展USB端口A和7路扩展USB端口状态信号A，第二USB-HUB控制器5用于输出7路扩展USB端口B和7路扩展USB端口状态信号B，所述7路扩展USB端口A和7路扩展USB端口B一一对应地组成互为备份的双冗余USB端口；电源分路开关3用于将信号输入连接器2输入的5V电源分成7路可控的5V电源，电源输出保护器8用于对输入的7路可控的5V电源进行短路、过流、过压保护，形成7路可控USB_VBUS电源；差分模拟开关6用于将7路扩展USB端口A和7路扩展USB端口B进行选择输出；单片机1用于在上电初始化后，在缺省状态下，通过电源分路开关3打开7路可控USB_VBUS电源，并通过差分模拟开关6打开7路扩展USB端口A；同时，通过7路IO端口实时扫描检测第一USB-HUB控制器4输出的7路扩展USB端口状态信号A和第二USB-HUB控制器5输出的7路扩展USB端口状态信号B，当7路扩展USB端口状态信号A中的单路或多路信号出现电平信号跳变时，通过电源分路开关3关闭端口状态信号跳变的扩展USB端口的USB_VBUS电源，并通过差分模拟开关6关闭对应的扩展USB端口为7路扩展USB端口A中的一路或多路，再重新打开刚刚关闭的USB_VBUS电源，并同时打开双冗余USB端口中与所关闭的扩展USB端口对应的扩展USB端口B中的端口，并将当前扩展USB端口的故障信息上报。
优选地，7路可控USB_VBUS电源用于为正在工作的双冗余USB端口中的其中共7路扩展USB端口提供电源。
优选地，还包括显控计算机，所述单片机1将当前扩展USB端口的故障信息通过RS232串口上报给显控计算机，显控计算机用于在收到单片机1发送的故障信息之后更新工作日志。
优选地，还包括指控计算机，所述单片机1将当前扩展USB端口的故障信息通过RS232串口上报给指控计算机，指控计算机用于在收到单片机1发送的故障信息之后更新工作日志。
优选地，所述单片机1用于将当前扩展USB端口的故障信息通过RS232串口上报。
优选地，还包括信号输出连接器7，用于输出7路可控USB_VBUS电源和双冗余USB端口。
本发明还提供了一种利用所述的方法实现的双冗余USB端口扩展方法，可实时监测的双冗余USB端口扩展装置上电后，单片机1进行上电初始化，第一USB-HUB控制器4输出7路扩展USB端口A和7路扩展USB端口状态信号A，第二USB-HUB控制器5输出7路扩展USB端口B和7路扩展USB端口状态信号B，所述7路扩展USB端口A和7路扩展USB端口B一一对应地组成互为备份的双冗余USB端口；电源分路开关3将信号输入连接器2输入的5V电源分成7路可控的5V电源，电源输出保护器8对输入的7路可控的5V电源进行短路、过流、过压保护，形成7路可控USB_VBUS电源；单片机1在上电初始化后，在缺省状态下，通过电源分路开关3打开7路可控USB_VBUS电源，并通过差分模拟开关6打开7路扩展USB端口A；同时，通过7路IO端口实时扫描检测第一USB-HUB控制器4输出的7路扩展USB端口状态信号A和第二USB-HUB控制器5输出的7路扩展USB端口状态信号B，当7路扩展USB端口状态信号A中的单路或多路信号出现电平信号跳变时，通过电源分路开关3关闭端口状态信号跳变的扩展USB端口的USB_VBUS电源，并通过差分模拟开关6关闭对应的扩展USB端口为7路扩展USB端口A中的一路或多路，再重新打开刚刚关闭的USB_VBUS电源，并同时打开双冗余USB端口中与所关闭的扩展USB端口对应的扩展USB端口B中的端口，并将当前扩展USB端口的故障信息上报。
优选地，单片机1通过差分模拟开关6关闭对应的扩展USB端口为7路扩展USB端口A中的一路或多路。
(三)有益效果
本发明通过设计双冗余USB端口思路实现了USB扩展端口工作状态的实时监测，且可在USB端口通信异常时对USB端口连接的设备进行在线断电重启并自动切换至备用USB端口的功能，满足显控计算机和指控计算机在战备或作战情况下USB键盘模块、USB鼠标模块、USB语音模块、USB操控模块及USB密钥模块等USB设备的工作要求，解决了这些USB设备在通信异常时需要拆卸后才能进行断电重、故障排除后才能继续工作的问题，提高显控计算机和指控计算机的可靠性和实用性。
附图说明
图1是本发明的装置实现原理图。
其中，1.单片机 2.信号输入连接器 3.电源分路开关 4.USB-HUB控制器A 5.USB-HUB控制器B 6.差分模拟开关 7.信号输出连接器 8.电源输出保护器。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
如图1所示，本发明提供的一种可实时监测的双冗余USB端口扩展装置，包括单片机1、信号输入连接器2、电源分路开关3、USB-HUB控制器A4、USB-HUB控制器B5、差分模拟开关6、信号输出连接器7、电源输出保护器8。
信号输入连接器2分别与电源分路开关3、USB-HUB控制器A4、USB-HUB控制器B5相连，电源分路开关3与单片机1、信号输出连接器7、电源输出保护器8相连，差分模拟开关6分别与USB-HUB控制器A4、USB-HUB控制器B5、单片机1、信号输出连接器7相连。
USB-HUB控制器A4连接信号输入连接器2输入的USB总线A，USB-HUB控制器B5连接信号输入连接器2输入的USB总线B，USB-HUB控制器A4用于输出7路扩展USB端口A和7路扩展USB端口状态信号A，USB-HUB控制器B5用于输出7路扩展USB端口B和7路扩展USB端口状态信号B，所述7路扩展USB端口A和7路扩展USB端口B一一对应地组成互为备份的双冗余USB端口；电源分路开关3用于将信号输入连接器2输入的5V电源分成7路可控的5V电源，电源输出保护器8用于对输入的7路可控的5V电源进行短路、过流、过压保护，形成7路可控USB_VBUS电源(为正在工作的双冗余USB端口中的其中共7路扩展USB端口提供电源)；差分模拟开关6用于将7路扩展USB端口A和7路扩展USB端口B进行选择输出；单片机1用于在上电初始化后，在缺省状态下，通过电源分路开关3打开7路可控USB_VBUS电源，并通过差分模拟开关6打开7路扩展USB端口A；同时，通过7路IO端口实时扫描检测USB-HUB控制器A4输出的7路扩展USB端口状态信号A和USB-HUB控制器B5输出的7路扩展USB端口状态信号B，当7路扩展USB端口状态信号A中的单路或多路信号出现电平信号跳变时，通过电源分路开关3关闭端口状态信号跳变的扩展USB端口的USB_VBUS电源，并通过、差分模拟开关6分别关闭对应的扩展USB端口(为7路扩展USB端口A中的一路或多路)，再重新打开刚刚关闭的USB_VBUS电源，并同时打开双冗余USB端口中与所关闭的扩展USB端口对应的扩展USB端口B中的端口，并将当前扩展USB端口的故障信息通过RS232串口上报给显控计算机和指控计算机，显控计算机和指控计算机用于在收到单片机1发送的故障信息之后更新工作日志并进行存储。信号输出连接器7用于输出7路可控USB_VBUS电源和双冗余USB端口。
本发明还提供了一种对应的双冗余USB端口扩展方法，包括以下步骤：可实时监测的双冗余USB端口扩展装置上电后，单片机1进行上电初始化，第一USB-HUB控制器4输出7路扩展USB端口A和7路扩展USB端口状态信号A，第二USB-HUB控制器5输出7路扩展USB端口B和7路扩展USB端口状态信号B，所述7路扩展USB端口A和7路扩展USB端口B一一对应地组成互为备份的双冗余USB端口；电源分路开关3将信号输入连接器2输入的5V电源分成7路可控的5V电源，电源输出保护器8对输入的7路可控的5V电源进行短路、过流、过压保护，形成7路可控USB_VBUS电源；单片机1在上电初始化后，在缺省状态下，通过电源分路开关3打开7路可控USB_VBUS电源，并通过差分模拟开关6打开7路扩展USB端口A；同时，通过7路IO端口实时扫描检测第一USB-HUB控制器4输出的7路扩展USB端口状态信号A和第二USB-HUB控制器5输出的7路扩展USB端口状态信号B，当7路扩展USB端口状态信号A中的单路或多路信号出现电平信号跳变时，通过电源分路开关3关闭端口状态信号跳变的扩展USB端口的USB_VBUS电源，并通过差分模拟开关6关闭对应的扩展USB端口(为7路扩展USB端口A中的一路或多路)，再重新打开刚刚关闭的USB_VBUS电源，并同时打开双冗余USB端口中与所关闭的扩展USB端口对应的扩展USB端口B中的端口，并将当前扩展USB端口的故障信息上报。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种可实时监测的双冗余USB端口扩展装置，其特征在于，包括单片机(1)、信号输入连接器(2)、电源分路开关(3)、第一USB-HUB控制器(4)、第二USB-HUB控制器(5)、差分模拟开关(6)、信号输出连接器(7)、电源输出保护器(8)；
其中，所述信号输入连接器(2)分别与电源分路开关(3)、第一USB-HUB控制器(4)、第二USB-HUB控制器(5)相连，电源分路开关(3)与单片机(1)、信号输出连接器(7)、电源输出保护器(8)相连，差分模拟开关(6)分别与第一USB-HUB控制器(4)、USB-HUB控制器B(5)、单片机(1)、信号输出连接器(7)相连；
第一USB-HUB控制器(4)连接信号输入连接器(2)输入的USB总线A，第二USB-HUB控制器(5)连接信号输入连接器(2)输入的USB总线B，第一USB-HUB控制器(4)用于输出7路扩展USB端口A和7路扩展USB端口状态信号A，第二USB-HUB控制器(5)用于输出7路扩展USB端口B和7路扩展USB端口状态信号B，所述7路扩展USB端口A和7路扩展USB端口B一一对应地组成互为备份的双冗余USB端口；电源分路开关(3)用于将信号输入连接器(2)输入的5V电源分成7路可控的5V电源，电源输出保护器(8)用于对输入的7路可控的5V电源进行短路、过流、过压保护，形成7路可控USB_VBUS电源；差分模拟开关(6)用于将7路扩展USB端口A和7路扩展USB端口B进行选择输出；单片机(1)用于在上电初始化后，在缺省状态下，通过电源分路开关(3)打开7路可控USB_VBUS电源，并通过差分模拟开关(6)打开7路扩展USB端口A；同时，通过7路IO端口实时扫描检测第一USB-HUB控制器(4)输出的7路扩展USB端口状态信号A和第二USB-HUB控制器(5)输出的7路扩展USB端口状态信号B，当7路扩展USB端口状态信号A中的单路或多路信号出现电平信号跳变时，通过电源分路开关(3)关闭端口状态信号跳变的扩展USB端口的USB_VBUS电源，并通过差分模拟开关(6)关闭对应的扩展USB端口，再重新打开刚刚关闭的USB_VBUS电源，并同时打开双冗余USB端口中与所关闭的扩展USB端口对应的扩展USB端口B中的端口，并将当前扩展USB端口的故障信息上报。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，7路可控USB_VBUS电源用于为正在工作的双冗余USB端口中的其中共7路扩展USB端口提供电源。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括显控计算机，所述单片机(1)将当前扩展USB端口的故障信息通过RS232串口上报给显控计算机，显控计算机用于在收到单片机(1)发送的故障信息之后更新工作日志。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括指控计算机，所述单片机(1)将当前扩展USB端口的故障信息通过RS232串口上报给指控计算机，指控计算机用于在收到单片机(1)发送的故障信息之后更新工作日志。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述单片机(1)用于将当前扩展USB端口的故障信息通过RS232串口上报。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括信号输出连接器(7)，用于输出7路可控USB_VBUS电源和双冗余USB端口。
7.一种利用权利要求1所述的方法实现的双冗余USB端口扩展方法，其特征在于，第一USB-HUB控制器(4)输出7路扩展USB端口A和7路扩展USB端口状态信号A，第二USB-HUB控制器(5)输出7路扩展USB端口B和7路扩展USB端口状态信号B，所述7路扩展USB端口A和7路扩展USB端口B一一对应地组成互为备份的双冗余USB端口；电源分路开关(3)将信号输入连接器(2)输入的5V电源分成7路可控的5V电源，电源输出保护器(8)对输入的7路可控的5V电源进行短路、过流、过压保护，形成7路可控USB_VBUS电源；单片机(1)在上电初始化后，在缺省状态下，通过电源分路开关(3)打开7路可控USB_VBUS电源，并通过差分模拟开关(6)打开7路扩展USB端口A；同时，通过7路IO端口实时扫描检测第一USB-HUB控制器(4)输出的7路扩展USB端口状态信号A和第二USB-HUB控制器(5)输出的7路扩展USB端口状态信号B，当7路扩展USB端口状态信号A中的单路或多路信号出现电平信号跳变时，通过电源分路开关(3)关闭端口状态信号跳变的扩展USB端口的USB_VBUS电源，并通过差分模拟开关(6)关闭对应的扩展USB端口，再重新打开刚刚关闭的USB_VBUS电源，并同时打开双冗余USB端口中与所关闭的扩展USB端口对应的扩展USB端口B中的端口，并将当前扩展USB端口的故障信息上报。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，单片机(1)通过差分模拟开关(6)关闭对应的扩展USB端口为7路扩展USB端口A中的一路或多路。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，该方法在可实时监测的双冗余USB端口扩展装置上电后执行。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括单片机(1)进行上电初始化的步骤。
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