CN114138093B - 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
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、各USB开关模块连接,各USB控制模块级联连接,用于扩展下流USB端口数量,其中第一USB控制模块与上游USB端口连接,通讯模块连接在第一USB控制模块和MCU控制模块之间,用于MCU控制模块与第一USB控制模块之间的通讯;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;MCU控制模块用于连接上位机和上游USB端口,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,控制USB控制模块,同时对各USB开关模块发出信号,控制各USB开关模块的通断,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,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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