CN114138093A - 一种程控usb hub电路和模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种程控USB HUB电路和模块，包括MCU控制模块、通讯模块、至少一个USB控制模块、至少一个USB开关模块，MCU控制模块分别与通讯模块、USB开关模块连接，通讯模块还与第一USB控制模块连接，用于将USB信号转换为UART信号传送给MCU控制模块；各USB控制模块相互连接，其中第一USB控制模块与上游USB端口连接，通讯模块与其中一个USB控制模块连接；各USB控制模块连接至少一个USB开关模块，每个USB开关模块用于连接一个下流USB端口；各USB开关模块分别与MCU控制模块连接，MCU控制模块用于根据上位机指令，控制各USB开关模块，实现不同的下流USB端口与上游USB端口的连接或断开，实现了USB HUB的程控，保证下流USB端口信号和电源稳定。

Description

一种程控USB HUB电路和模块
技术领域
本发明涉及USB HUB技术领域，尤其是涉及一种程控USB HUB电路和模块。
背景技术
目前，USB（Universal Serial Bus通用串行总线）是最为成熟通用的通讯接口。由于USB端口具有支持热插拔、传输速度快、易操作、易维护等特点，广泛应用于消费电子产品制造中。在工业自动化控制时，USB需要自动插拔，在自动化功能测试过程中常需要对USB信号进行转接，转接信号接通的瞬间，USB将对产品造成冲击，严重可能损坏产品，在测试到不良产品时会导致USB端口死机；在机械接触的过程中存在信号抖动，容易造成USB设备无法识别；无法灵活的控制USB信号上电的默认状态，出故障后无法恢复。
特别是产品通过USB HUB连接设备时，使产品的速度变慢，且会因为供电不足而无法使用。
因此，完善USB HUB性能，是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种程控USB HUB电路和模块，设置滤波电路，对USB信号线及电源干扰信号进行滤除，提高信号质量，设置通讯模块，为上位机与MCU通讯提供硬件电路，把USB端口转换为UART端口，设置MCU控制模块，接收及保存上位机端发送的指令，对USB进行控制。设置USB开关模块，对USB的VBUS及D+、D-进行通断控制，提高USB HUB性能，保证下流USB端口信号和电源稳定。
第一方面，本发明的上述发明目的通过以下技术方案得以实现：
一种程控USB HUB电路，包括MCU控制模块、通讯模块、至少一个USB控制模块、至少一个USB开关模块，MCU控制模块分别与通讯模块、USB开关模块连接，通讯模块还与第一USB控制模块连接，用于将USB信号转换为UART信号传送给MCU控制模块；各USB控制模块相互连接，其中第一USB控制模块与上游USB端口连接，通讯模块与其中一个USB控制模块连接；各USB控制模块连接至少一个USB开关模块，每个USB开关模块用于连接一个下流USB端口；各USB开关模块分别与MCU控制模块连接，MCU控制模块用于根据上位机指令，控制各USB开关模块，实现不同的下流USB端口与上游USB端口的连接。
本发明进一步设置为：还包括滤波电路，分别与电源、上游USB端口电源端、上游USB端口通讯端连接，用于滤除电源上干扰信号、上游USB端口电源端干扰信号、上游USB端口通讯端干扰信号。
本发明进一步设置为：滤波电路包括第一滤波电路、第二滤波电路、第三滤波电路，第一滤波电路与电源端连接，用于对电源进行滤波；第二滤波电路与上游USB端口电源端连接，用于对上游USB端口电源端进行滤波；第三滤波电路与上游USB端口通讯端连接，用于对上游USB端口通讯端进行滤波。
本发明进一步设置为：第一滤波电路包括由第一滤波电容、第一磁珠、第二滤波电容组成的第一π型滤波电路，第二滤波电路包括由第三滤波电容、第二磁珠、单向导电器件、第一磁珠、第二滤波电容组成的第二π型滤波电路，单向导电器件用于防止电源端的电流反向流向上游USB端口电源端。
本发明进一步设置为：第三滤波电路包括共模滤波电感，连接在上游USB端口的信号端，用于滤除上游USB端口信号端的干扰。
本发明进一步设置为：还包括至少一个EOS防护模块，其中一个EOS防护模块与上游USB端口的电源端、两个信号端连接，用于为上游USB端口提供EOS保护；在各USB开关模块与下流USB端口之间设置一个EOS防护模块，每一个EOS防护模块分别与USB开关模块的信号端、下流USB端口的信号端连接，用于为下流USB端口提供EOS保护。
本发明进一步设置为：USB开关模块包括下流USB端口信号开关子模块和下流USB端口电源开关子模块，分别与MCU控制模块连接，用于接通相应的下流USB端口通讯。
本发明进一步设置为：MCU控制模块包括MCU控制芯片，通讯模块包括通讯芯片，USB控制模块包括USB控制芯片。
本发明进一步设置为：还包括指示电路，用于指示电源、上游USB端口、各下流USB端口的工作状态。
第二方面，本发明的上述发明目的通过以下技术方案得以实现：
一种程控USB HUB模块，包括本申请所述程控USB HUB电路、上游USB端口、至少一个下流USB端口，MCU控制模块根据上位机的指令，控制上游USB端口与下流USB端口的通讯或断开，实现程控USB HUB功能。
与现有技术相比，本申请的有益技术效果为：
1.本申请通过设置通讯模块，把USB端口转换为UART端口，提高信号传输质量；
2.进一步地，本申请通过设置滤波电路，对USB信号线及电源干扰信号进行滤除，提高信号质量；
3.进一步地，本申请通过设置USB开关模块，对USB的VBUS及D+、D-进行通断控制，提高USB HUB性能。
附图说明
图1是本申请的一个具体实施例的USB HUB结构示意图；
图2是本申请的一个具体实施例的USB HUB结构滤波电路示意图；
图3是本申请的一个具体实施例的一个USB控制模块电路示意图；
图4是本申请的一个具体实施例的又一个USB控制模块电路示意图；
图5是本申请的一个具体实施例的USB开关模块电路示意图；
图6是本申请的一个具体实施例的又一个USB 开关模块电路示意图；
图7是本申请的一个具体实施例的EOS防护模块电路示意图；
图8是本申请的一个具体实施例的通讯模块电路示意图；
图9是本申请的一个具体实施例的MCU控制模块电路示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
本申请的一种程控USB HUB电路，如图1所示，包括n个USB控制模块、MCU控制模块、通讯模块、m个USB开关模块，MCU控制模块与通讯模块、各USB开关模块连接，通讯模块还与第一USB控制模块连接，n个USB控制模块串联连接。
每个USB开关模块用于连接一个下流USB端口，MCU控制模块用于连接上位机和上游USB端口。
第一USB控制模块1连接有k个USB开关模块，第二USB控制模块2连接有l-（k+1）个USB开关模块，第N USB控制模块n连接有m-h个USB开关模块。
其中，k/l/h/m/n分别为大于等于1的正整数。
MCU控制模块用于接收上游USB端口的信号，并与上位机进行通讯，接收及保存上位机下发的指令，根据上位机的指令与通讯模块通讯，从而控制USB控制模块，同时对各USB开关模块发出信号，控制各开关的通断，在USB开关模块导通时，把上游USB端口的数据传输到下流USB端口，扩展USB端口。
USB控制模块包括滤波电路，如图2所示。
滤波电路包括由电容C1/C2并联组成的第一滤波电容，由电容C14/C15/C16/C17/C18/C19并联组成的第二滤波电容，由电容C3/C4并联组成的第三滤波电容。
第一滤波电容的一端、第一磁珠FB1的一端同时连接电源端，另一端接地，第一滤波电容、第一磁珠FB1、第二滤波电容组成第一Π型滤波电路，用于滤除5V电源端的干扰信号。
第三滤波电容的一端、第二磁珠FB2的一端同时连接上游USB端口电源端，另一端接地，第三滤波电容、第二磁珠FB2、二极管D1、第一磁珠FB1、第二滤波电容组成第二Π型滤波电路，用于滤除上游USB端口电源端的干扰信号；第二磁珠FB2、二极管D1、第一磁珠FB1串联连接，二极管D1的正极连接第二磁珠FB2，负极连接第一磁珠FB1，用于防止电源端反向流向上游USB端口电源端，影响对USB的识别。
共模滤波电感L1，一端连接在上游USB端口通讯端，另一端连接第一USB控制模块的信号端，用于滤除上游USB端口的D+和D-的共模干扰信号。
通过对电源、上游USB端口的D+和D-的干扰信号进行滤波确保了电源及输入信号的质量，保证信号传输的稳定性。
二极管D1为肖特基二极管。
在本具体实施例中，设置有2个USB控制模块和6个USB开关模块，每个USB控制模块分别连接3个USB开关模块，将第二个USB控制模块的第D7P/D7N端与通讯模块连接。
包括二个USB控制芯片，如图3、4所示，USB控制芯片U2/U5采用相同或不同的芯片，本实施例为简单起点，采用相同型号的芯片，USB控制芯片U2通过共模滤波电感L1，连接到上游USB端口通讯端，经过芯片对数据进行处理后，通过D1P/D1N/D2P/D2N/D3P/D3N端口，分成三组，分别传输给三个USB开关模块，并将SUB USB P/SUB USB N两个端口，通过共模滤波电感L5，连接到USB控制芯片U5，实现USB控制芯片的级联连接。
同样地，USB控制芯片U5对级联数据处理后，通过D4P/D4N/D5P/D5N/D6P/D6N端口，分成三组，分别传输给三个USB开关模块，D7P/D7N端口用于与通讯模块连接，将数据传输给通讯模块。
USB开关模块包括下流USB端口信号开关子模块和下流USB端口电源开关子模块，所有USB开关模块也采用相同的结构，下流USB端口信号开关子模块包括信号开关芯片U3，如图5所示，信号开关芯片U3连接USB控制芯片U2的D1P/D1N端口，MCU控制模块的控制端口PA4连接USB开关芯片U3的控制端，控制信号开关芯片U3中开关的导通或截止，从而控制D1P/D1N端口的数据是否传输到下流USB端口USB1。
USB控制芯片的D1P/D1N分别连接控制开关芯片U3的两个开关的一端，两个开关的另一端D1_P/D1_N连接下流USB端口的数据端、EOS保护电路的一端。
在USB开关模块与下流USB端口之间，设置EOS（Electrical Over Stress，过度电性应力）防护模块，EOS防护模块连接USB开关模块的D1P/D1N端口，包括二个TVS管，在D1P端口与D1N端口分别连接一个TVS管的一端，TVS管的另一端接地，用于对下流USB端口的D_N、D_P提供EOS防护，提升下流USB端口的鲁棒特性，减少浪涌冲击。
下流USB端口电源开关子模块，如图6所示，包括电源开关子芯片U8, MCU控制模块的PB14端，通过电阻R28连接电源开关子芯片U8的一个控制端，开关的一端连接5V电源，另一端连接下流USB端口USB1的电源端VBUS1。
当MCU控制模块的PB14发出高电平控制信号时，下流USB端口USB1的VBUS1上施加电源，下流USB端口USB1进入工作状态。
其余USB开关模块的连接，以此类推，不再赘述。
在上游USB端口通讯端与USB控制模块通讯端上，也连接有EOS保护电路，如图7所示，EOS保护电路采用TVS阵列，TVS阵列的一端接地，另一端接电源，另外两端分别接USB控制模块通讯线。为上游的USB的VBUS、D_N、D_P提供EOS防护。
通讯模块包括通讯芯片，如图8所示，通讯芯片U13，一端与USB控制模块U5的D7P/D7N端连接， 其RXD端连接MCU控制模块的MCU RX端，TXD连接MCU控制模块的MCU TX端。用于MCU控制模块与USB控制模块之间的通讯。
MCU控制模块包括MCU控制芯片，如图9所示，MCU控制芯片U14A，其PA端口、PB端口用于输出开关模块控制信号，其中PA端口的二个端用于与通讯模块连接，用于通讯。
本申请的一种程控USB HUB模块，包括程控USB HUB电路、 一个上游USB端口、至少一个下流USB端口，MCU控制模块根据上位机的指令，控制上游USB端口与下流USB端口的通讯或断开，实现程控USB HUB功能。
本实施例的实施原理为：
在上游USB端口与主USB控制模块的通讯线上，连接滤波电路和EOS保护电路，用于滤除通讯线路上的干扰信号和进行EOS保护。
通讯模块连接MCU控制模块和主USB控制模块，实现MCU控制模块与所述USB控制模块的通讯，多个USB控制模块级联，用于扩展下流USB端口数量。
MCU控制模块控制USB开关模块的导通或截止。在某个开关模块导通时，与该开关模块连接的下流USB端口通讯口与USB控制模块的通讯口连接，下流USB端口的电源接通，实现所述下流USB端口与上游USB端口的通讯；在某个开关模块截止时，与该开关模块连接的下流USB端口通讯口与USB控制模块的通讯口断开，下流USB端口的电源断开，所述下流USB端口与上游USB端口断开通讯。通过MCU控制模块的控制，实现USB HUB的程控。
本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种程控USB HUB电路，其特征在于,包括MCU控制模块、通讯模块、至少一个USB控制模块、至少一个USB开关模块，MCU控制模块分别与通讯模块、USB开关模块连接，通讯模块还与第一USB控制模块连接，用于将USB信号转换为UART信号传送给MCU控制模块；各USB控制模块相互连接，其中第一USB控制模块与上游USB端口连接，通讯模块与其中一个USB控制模块连接；各USB控制模块连接至少一个USB开关模块，每个USB开关模块用于连接一个下流USB端口；各USB开关模块分别与MCU控制模块连接，MCU控制模块用于根据上位机指令，控制各USB开关模块，实现不同的下流USB端口与上游USB端口的连接。
2.根据权利要求1所述程控USB HUB电路，其特征在于,还包括滤波电路，分别与电源、上游USB端口电源端、上游USB端口通讯端连接，用于滤除电源上干扰信号、上游USB端口电源端干扰信号、上游USB端口通讯端干扰信号。
3.根据权利要求2所述程控USB HUB电路，其特征在于, 滤波电路包括第一滤波电路、第二滤波电路、第三滤波电路，第一滤波电路与电源端连接，用于对电源进行滤波；第二滤波电路与上游USB端口电源端连接，用于对上游USB端口电源端进行滤波；第三滤波电路与上游USB端口通讯端连接，用于对上游USB端口通讯端进行滤波。
4.根据权利要求3所述程控USB HUB电路，其特征在于, 第一滤波电路包括由第一滤波电容、第一磁珠、第二滤波电容组成的第一π型滤波电路，第二滤波电路包括由第三滤波电容、第二磁珠、单向导电器件、第一磁珠、第二滤波电容组成的第二π型滤波电路，单向导电器件用于防止电源端的电流反向流向上游USB端口电源端。
5.根据权利要求3所述程控USB HUB电路，其特征在于, 第三滤波电路包括共模滤波电感，连接在上游USB端口的信号端，用于滤除上游USB端口信号端的干扰。
6.根据权利要求1所述程控USB HUB电路，其特征在于,还包括至少一个EOS防护模块，其中一个EOS防护模块与上游USB端口的电源端、两个信号端连接，用于为上游USB端口提供EOS保护；在各USB开关模块与下流USB端口之间设置一个EOS防护模块，每一个EOS防护模块分别与USB开关模块的信号端、下流USB端口的信号端连接，用于为下流USB端口提供EOS保护。
7.根据权利要求1所述程控USB HUB电路，其特征在于, USB开关模块包括下流USB端口信号开关子模块和下流USB端口电源开关子模块，分别与MCU控制模块连接，用于接通相应的下流USB端口通讯。
8.根据权利要求1所述程控USB HUB电路，其特征在于, MCU控制模块包括MCU控制芯片，通讯模块包括通讯芯片，USB控制模块包括USB控制芯片。
9.根据权利要求1所述程控USB HUB电路，其特征在于,还包括指示电路，用于指示电源、上游USB端口、各下流USB端口的工作状态。
10.一种程控USB HUB模块，其特征在于,包括如权利要求1-9任一项所述程控USB HUB电路、上游USB端口、至少一个下流USB端口，MCU控制模块根据上位机的指令，控制上游USB端口与下流USB端口的通讯或断开，实现程控USB HUB功能。
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