CN114465057B - 一种支持正反插的充电和多种数据通信接口 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种支持正反插的充电和多种数据通信接口，包括外壳、基座、第一引脚、第二引脚、第三引脚、第四引脚和控制电路，外壳和基座均为导电材料；外壳安装于基座的一侧，第一引脚、第二引脚和第三引脚均间隔嵌插在外壳和基座内，且第一引脚、第二引脚和第三引脚的一端均贯穿外壳远离基座的一侧，另一端均贯穿基座远离外壳的一侧；第四引脚与基座远离外壳的一侧连接；第一引脚和第三引脚的一端均与控制电路连接；控制电路包括第一判断模块、第二判断模块、第三判断模块、转换模块和处理器，第一引脚和第三引脚均与第一判断模块连接，第一判断模块、第二判断模块、第三判断模块和转换模块依次连接且均与处理器连接。
Description
技术领域
本发明涉及USB接口技术领域，具体涉及一种支持正反插的充电和多种数据通信接口。
背景技术
USB(UniversalSerialBus，通用串行总线)，是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯，是应用在PC领域的接口技术。USB接口支持设备的即插即用和热插拔功能。当今用于数据传输与数据交换的外设接口中，通用串行总线接口(USB)无疑是在计算机及周边电子消费品领域应用最为广泛的接口之一。计算机周边外设绝大多通过USB连接计算机进行数据传输与交换，如鼠标、键盘，U盘、打印机，手机、相机等等。
现有的USB接口具有以下问题：1.USB接口的体积较大，在小型或便携式设备上使用时很不方便；2.USB接口的引脚定义固定，在USB插头反插时，USB接口的充电功能或通讯功能无法正常实现，严重时，甚至烧毁内部电路；3.USB接口的功能比较单一，只能支持充电和USB通信。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明提供一种支持正反插的充电和多种数据通信接口，用于连接USB插头，包括外壳、基座、第一引脚、第二引脚、第三引脚、第四引脚和控制电路，外壳和基座均为导电材料；外壳安装于基座的一侧，第一引脚、第二引脚和第三引脚均间隔嵌插在外壳和基座内，且第一引脚、第二引脚和第三引脚的一端均贯穿外壳远离基座的一侧，第一引脚、第二引脚和第三引脚的另一端均贯穿基座远离外壳的一侧；第四引脚与基座远离外壳的一侧连接，第四引脚的另一端与系统的接地线路连接；第一引脚和第三引脚的一端均与控制电路连接；第二引脚为用于向系统供电；控制电路包括第一判断模块、第二判断模块、第三判断模块、转换模块和处理器，第一引脚和第三引脚均与第一判断模块连接，第一判断模块、第二判断模块、第三判断模块和转换模块依次连接，且第一判断模块、第二判断模块、第三判断模块和转换模块均与处理器连接。通过将第一引脚、第二引脚和第三引脚置于外壳内，可以使USB接口的结构变小，解决了现有USB接口占用空间大，在小型或便携式设备上使用时不方便的问题；通过控制电路对第一引脚和第三引脚的传输信号进行检测，并切换I/O端口实现USB接头在正反插的情况下均能够正常充电和进行数据通信；此外，通过控制电路检测第二引脚有无电源接入，能够支持多种通信模式，对使用人员的使用和技术人员开发，调试甚至是后期维护均有较好的效果。
本发明解决技术问题，采用的技术方案如下：
一种支持正反插的充电和多种数据通信接口，用于连接USB插头，包括外壳、基座、第一引脚、第二引脚、第三引脚、第四引脚和控制电路，外壳和基座均为导电材料；
外壳安装于基座的一侧，第一引脚、第二引脚和第三引脚均间隔嵌插在外壳和基座内，且第一引脚、第二引脚和第三引脚的一端均贯穿外壳远离基座的一侧，第一引脚、第二引脚和第三引脚的另一端均贯穿基座远离外壳的一侧；
第四引脚与基座远离外壳的一侧连接，第四引脚的另一端与系统的接地线路连接；
第一引脚和第三引脚的一端均与控制电路连接；
第二引脚为用于向系统供电；
控制电路包括第一判断模块、第二判断模块、第三判断模块、转换模块和处理器，第一引脚和第三引脚均与第一判断模块连接，第一判断模块、第二判断模块、第三判断模块和转换模块依次连接，且第一判断模块、第二判断模块、第三判断模块和转换模块均与处理器连接。
进一步的，外壳的两侧均设有至少一个限位槽，USB插头安装在外壳上时，限位槽对USB插头进行固定。
进一步的，基座远离外壳的侧面上设有填充腔，填充腔内安装有绝缘块，第一引脚、第二引脚和第三引脚均贯穿绝缘块。
进一步的，第一判断模块包括第一开关芯片，第一开关芯片上设置有输入引脚D1+和D1-、两组输出引脚HSD11+，HSD11-和HSD12+，HSD12-、逻辑控制引脚OE1和S1；
第一引脚与输入引脚D1+连接，第三引脚与输入引脚D1-连接；
第一开关芯片输出引脚HSD11+和HSD11-与系统连接，为J-link通信线路；
逻辑控制引脚OE1与接地线路连接，逻辑控制引脚S1与处理器连接。
进一步的，第二判断模块包括第二开关芯片，第二开关芯片上设置有两组输入引脚HSD21+，HSD21-和HSD22+，HSD22-、输出引脚D2+和D2-、逻辑控制引脚OE2和S2，输入引脚HSD21+和HSD22-并联设置均与输出引脚HSD12+连接，输入引脚HSD21-和HSD22+并联设置均与HSD12-连接，输出引脚D2+和D2-均与第三判断模块连接；
逻辑控制引脚OE2与接地线路连接，逻辑控制引脚S2与处理器连接。
进一步的，第三判断模块包括第三开关芯片，第三开关芯片上设置有输入引脚D3+和D3-、两组输出引脚HSD31+，HSD31-和HSD32+，HSD32-、逻辑控制引脚OE3和S3，输出引脚D2+和输入引脚D3+连接，输出引脚D2-和输入引脚D3-连接；输出引脚HSD32+和HSD32-与系统连接，为USB通信线路，输出引脚HSD31+和HSD31-均与转换模块连接；
逻辑控制引脚OE3与接地线路连接，逻辑控制引脚S3与处理器连接。
进一步的，转换模块包括USB转串口芯片，USB转串口芯片上设置有输入引脚D4+和D4-、UART串口通信输出引脚，输入引脚D4+与输出引脚HSD31+连接，输入引脚D4-与输出引脚HSD31-连接；
UART串口通信输出引脚与处理器连接。
进一步的，处理器上设置有多个I/O端口和UART串口通信引脚，逻辑控制引脚S1、S2和S3分别与一个I/O端口连接，UART串口通信引脚与UART串口通信输出引脚连接。
第一开关芯片、第二开关芯片和第三开关芯片均为双刀双掷开关芯片。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明所提供的一种支持正反插的充电和多种数据通信接口，通过将第一引脚、第二引脚和第三引脚置于外壳内，可以使USB接口的结构变小，解决了现有USB接口占用空间大，在小型或便携式设备上使用时不方便的问题。第一引脚和第三引脚均与控制电路连接，第二引脚连接USB接头的5V电源线，能够为系统内部和控制电路供电。控制电路能够改变第一引脚和第三引脚介入系统内部的顺序，从而保证USB接头在正反插的情况下均能够实现正常通信。第四引脚与外壳和基座连接，为接地引脚，能够提高USB接头插入通信接口时的安全性。第一开关芯片始终处于开启状态，用于检测第二引脚是否有电源接入，处理器根据第一开关芯片的检测结果控制第二开关芯片、第三开关芯片和USB转串口芯片的开启或关闭。当第二引脚无电源接入时，通信接口默认为J-link通信接口。当第二引脚有电源接入时，第二开关芯片、第三开关芯片和USB转串口芯片开启，处理器通过控制逻辑控制引脚S2改变第一引脚接入第三开关芯片的顺序；通过控制逻辑控制引脚S3改变第三开关芯片的输出方式，实现通信接口支持正反插且能够支持多种通信模式。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明提供的一种支持正反插的充电和多种数据通信接口的结构示意图；
图2是本发明提供的一种支持正反插的充电和多种数据通信接口的爆炸视图；
图3是本发明提供的控制电路的原理示意图；
图4是本发明提供的第二开关芯片的结构示意图；
图5是本发明提供的第一开关芯片，第二开关芯片和第三开关芯片的控制逻辑表；
图6是本发明提供的一种支持正反插的充电和多种数据通信接口的通信方式识别和切换流程图。
图标：110-外壳；111-限位槽；130-基座；131-填充腔；133-绝缘块；150-控制电路；151-第一引脚；152-第一判断模块；153-第二引脚；154-第二判断模块；155-第三引脚；156-第三判断模块；157-第四引脚；158-转换模块；159-处理器。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
下面结合图1至图6对本发明作详细说明。
请参考图1所示，一种支持正反插的充电和多种数据通信接口(以下简称为“通信接口”)，用于连接USB插头，包括外壳110、基座130、第一引脚151、第二引脚153、第三引脚155、第四引脚157和控制电路150。外壳110安装于基座130的一侧，第一引脚151、第二引脚153和第三引脚155均间隔嵌插在外壳110和基座130内，且第一引脚151、第二引脚153和第三引脚155的一端均贯穿外壳110远离基座130的一侧。第一引脚151、第二引脚153和第三引脚155的另一端均贯穿基座130远离外壳110的一侧，即第一引脚151、第二引脚153和第三引脚155贯穿基座130的一端均位于基座130一侧的外面。通过将第一引脚151、第二引脚153和第三引脚155置于外壳110和基座130内，可使通信接口的体积减小，使其能够安装在小型或便携式设备上使用。第四引脚157的一端与基座130远离外壳110的一侧连接，第四引脚157的另一端与系统的接地线路连接，外壳110和基座130均为导电材料，且外壳110、外壳130和第四引脚157为一体成型设置，增强通信接口的密封性。USB插头连接在通信接口上时，USB插头与外壳110卡嵌连接，USB插头通过外壳110、基座130和第四引脚157与接地线路连接，进而对安装通信接口的移动端进行保护。第一引脚151和第三引脚155的一端均与控制电路150连接，第一引脚151和第三引脚155均为通信引脚，第二引脚153为电源引脚，用于向系统和控制电路供电；控制电路150包括第一判断模块152、第二判断模块154、第三判断模块156、转换模块158和处理器159，第一引脚151和第二引脚153均与第一判断模块152连接，第一判断模块152、第二判断模块154、第三判断模块156和转换模块158依次连接，且第一判断模块152、第二判断模块154、第三判断模块156和转换模块158均与处理器159连接。第一判断模块152、第三判断模块156和转换模块158分别引出不同功能的线路与系统或处理器连接。第一判断模块152为常开状态，通过第一判断模块152和处理器159配合对第二引脚153进行电流检测。第一引脚151没有电源接入时，USB插头通过第一判断模块152引出的线路与系统连接，实现数据传输；当第一引脚151有电源接入时，第二判断模块154、第三判断模块156和转换模块158启动，并与处理器159配合，改变第一引脚151和第三引脚155与USB插头的连接顺序，实现通信接口支持正反插的功能和支持多种数据传输的功能，对使用人员的使用和技术人员开发，调试甚至是后期维护均有较好的效果。
请参考图2所示，外壳110的两侧均设有至少一个限位槽111，适配的USB插头安装在外壳110上时，USB插头上的凸起能够卡嵌到限位槽111内，限位槽111能够对USB插头进行限位固定，避免USB插头与通信接口分离造成数据传输中断。在本实施方式中，外壳110的两侧均间隔设置有两个限位槽111。USB插头上的凸起与Type-A插头上的凸起类似，为现有技术，此处不做深入阐述。
进一步的，基座130远离外壳110的侧面上设有填充腔131，填充腔131内安装有绝缘块133，第一引脚151、第二引脚153和第三引脚155均贯穿绝缘块133。第一引脚151、第二引脚153和第三引脚155间隔安装且中间填充有绝缘块133，能够避免三个引脚和基座130之间相互接触造成电路短路发生危险。
请参考图3所示，第一判断模块152包括第一开关芯片，第一开关芯片上设置有输入引脚D1+和输入引脚D1-、两组输出引脚HSD11+，HSD11-和HSD12+，HSD12-、逻辑控制引脚OE1和S1、供电引脚VCC1。第一引脚151与输入引脚D1+连接，第三引脚155与输入引脚D1-连接，通过第一引脚151和第三引脚155将系统内的通信信号输出或将外接设备的通信信号输入至系统内。第一开关芯片输出引脚HSD11+和HSD11-与系统连接，为J-link通信线路，输出引脚HSD11+和HSD11-分别为J-link的时钟接口和数据接口，技术人员可根据实际需要对输出引脚HSD11+和HSD11-进行定义。逻辑控制引脚OE1与接地线路连接，始终保持低电平状态。
进一步的，第一开关芯片的供电引脚VCC1与系统电源连接，第一开关芯片始终处于工作状态。处理器159设置有多个I/O端口，逻辑控制引脚S1与其中一个I/O端口连接，形成检测电路，能够检测第二引脚153有无5V电源接入。当第二引脚153有5V电源接入时，第一开关芯片的逻辑控制引脚S1为高电平状态，第一开关芯片选择输出引脚HSD12+和输出引脚HSD12-为输出端，通信接口通过第一开关芯片与第二判断模块154连通；当第二引脚153无5V电源接入时，第一开关芯片的逻辑控制引脚S1为低电平状态，第一开关芯片选择输出引脚HSD11+和输出引脚HSD11-为输出端，此时，通信接口通过第一开关芯片与系统连通，通信接口即为外部J-link接口。
请参考图3和图4所示，第二判断模块154包括第二开关芯片，第二开关芯片上设置有两组输入引脚HSD21+，HSD21-和HSD22+，HSD22-、输出引脚D2+和D2-、逻辑控制引脚OE2和S2。输入引脚HSD21+和HSD22-并联设置均与输出引脚HSD12+连接，输入引脚HSD21-和HSD22+并联设置其均与输出引脚HSD12-连接，输出引脚D2+和D2-均与第三判断模块156连接；逻辑控制引脚OE2与接地线路连接，始终保持低电平状态。逻辑控制引脚S2与处理器159的其中一个I/O端口连接。
当第二引脚153有5V电源接入时，第二开关芯片工作，处理器159控制第二开关芯片的逻辑控制引脚S2的电平升高或降低，从而改变第一引脚151和第三引脚155接入第三判断模块156的顺序；当第二引脚153无5V电源接入时，第二开关芯片停止工作。
进一步的，第三判断模块156包括第三开关芯片，第三开关芯片上设置有输入引脚D3+和D3-、两组输出引脚HSD31+，HSD31-和HSD32+，HSD32-、逻辑控制引脚OE3和S3，输出引脚D2+和输入引脚D3+连接，输出引脚D2-和输入引脚D3-连接；输出引脚HSD32+和HSD32-与系统连接，为USB通信线路，输出引脚HSD31+和HSD31-均与转换模块158连接；逻辑控制引脚OE3与接地线路连接，始终处于低电平状态，逻辑控制引脚S3与处理器159的其中一个I/O端口连接。
进一步的，当第二引脚153有5V电源接入时，第三开关芯片工作，处理器159控制第三开关芯片的逻辑控制引脚S3的电平升高或降低，进而决定第三开关芯片的输出方式。例如，处理器控制第三开关芯片的逻辑控制引脚S3的电平升高，此时，输出引脚HSD31+和HSD31-为输出端，第一引脚151和第三引脚155与转换模块158连接；处理器159控制第三开关芯片的逻辑控制引脚S3的电平降低，输出端则切换为输出引脚HSD32+和HSD32-，第一引脚151和第三引脚155通过输出引脚HSD32+和HSD32-与系统连接，通信接口为外接USB通信接口。
进一步的，转换模块158包括USB转串口芯片，USB转串口芯片上设置有输入引脚D4+和D4-、UART串口通信输出引脚，输入引脚D4+与输出引脚HSD31+连接，输入引脚D4-与输出引脚HSD31-连接，处理器上设置有UART串口通信引脚，UART串口通信引脚与UART串口通信输出引脚连接。实现了USB信号向UART串口信号的转换。需要说明的是，在本实施方式中，处理器为移动端MCU，处理器有较多的设计方案，设计人员可根据不同的应用场景选取不同的器件进行设计安装。第一开关芯片、第二开关芯片和第三开关芯片均为双刀双掷开关芯片。
优选的，当通信接口与上位机相连时，USB正向安装在通信接口和反向安装在通信接口，第二引脚153均有5V电源接入，处理器通过与第一开关芯片相连的I/O端口检测到有电源接入，第二开关芯片和第三开关芯片均工作，此时处理器默认使用UART串口通信方式。
请参考图5和图6所示，将通信接口与上位机连接，通过控制电路与上位机配合，能够实现J-link通信，UART串口通信和USB通信的切换和复用，同时也可以为系统供电。
优选的，当通信接口与上位机相连时，处理器均会通过UART串口向电脑端发送握手命令，且每隔一秒发送一次，每发送五次握手命令之后，即间隔五秒之后，处理器翻转第二开关芯片和第三开关芯片的逻辑状态，在“00状态”和“11状态”(请参考图5)两个状态之间反复切换，即改变第一引脚151和第三引脚155接入第三开关芯片和第四开关芯片的顺序，并继续发送握手命令。在本实施方式中，握手命令包含状态翻转次数、握手命令发送次数和当前第二开关芯片、第三开关芯片的逻辑状态信息。第二开关芯片和第三开关芯片的初始逻辑状态为“00状态”。
进一步的，打开上位机特定桌面软件之后，软件能够自动且持续监听上位机的UART串口信息，当上位机的UART串口接收到处理器发送的握手命令之后，上位机立刻通过UART串口向处理器发送应答命令。应答命令包括上位机接收到的第二开关芯片和第三开关芯片的逻辑状态信息。处理器接收到上位机发来的应答命令之后，立即停止向上位机发送握手命令，改为发送一条“握手OK信息”,示意与上位机已建立连接。同时，处理器停止翻转第二开关芯片和第三开关芯片的逻辑状态，并将第二开关芯片和第三开关芯片的逻辑状态改为处理器收到的应答命令所对应的状态。此时处理器与上位机建立了正确的UART串口通信。
优选的，当在上位机桌面软件上选择选择“储存功能”时，上位机通过UART串口向处理器发送“USB通信”命令。处理器在接收到“USB通信”命令之后，将第三开关芯片的逻辑控制引脚S3的电平拉高，此时，第三开关芯片选择HSD32+和HSD32-为输出端，即第三开关芯片输出端切换到USB通信线路，此时处理器与上位机建立了正确的USB通信。
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。
Claims (5)
1.一种支持正反插的充电和多种数据通信接口，用于连接USB插头，其特征在于：包括外壳、基座、第一引脚、第二引脚、第三引脚、第四引脚和控制电路，外壳和基座均为导电材料；
外壳安装于基座的一侧，第一引脚、第二引脚和第三引脚均间隔嵌插在外壳和基座内，且第一引脚、第二引脚和第三引脚的一端均贯穿外壳远离基座的一侧，第一引脚、第二引脚和第三引脚的另一端均贯穿基座远离外壳的一侧；
第四引脚与基座远离外壳的一侧连接，第四引脚的另一端与系统的接地线路连接；
第一引脚和第三引脚的一端均与控制电路连接；
第二引脚为用于向系统供电；
控制电路包括第一判断模块、第二判断模块、第三判断模块、转换模块和处理器，第一引脚和第三引脚均与第一判断模块连接，第一判断模块、第二判断模块、第三判断模块和转换模块依次连接，且第一判断模块、第二判断模块、第三判断模块和转换模块均与处理器连接；
其中，第一判断模块包括第一开关芯片，第一开关芯片上设置有输入引脚D1+和D1-、两组输出引脚HSD11+，HSD11-和HSD12+，HSD12-、逻辑控制引脚OE1和S1；第一引脚与输入引脚D1+连接，第三引脚与输入引脚D1-连接；第一开关芯片输出引脚HSD11+和HSD11-与系统连接，为J-link通信线路；逻辑控制引脚OE1与接地线路连接，逻辑控制引脚S1与处理器连接；
其中，第二判断模块包括第二开关芯片，第二开关芯片上设置有两组输入引脚HSD21+，HSD21-和HSD22+，HSD22-、输出引脚D2+和D2-、逻辑控制引脚OE2和S2，输入引脚HSD21+和HSD22-并联设置均与输出引脚HSD12+连接，输入引脚HSD21-和HSD22+并联设置均与HSD12-连接，输出引脚D2+和D2-均与第三判断模块连接；逻辑控制引脚OE2与接地线路连接，逻辑控制引脚S2与处理器连接；
其中，第三判断模块包括第三开关芯片，第三开关芯片上设置有输入引脚D3+和D3-、两组输出引脚HSD31+，HSD31-和HSD32+，HSD32-、逻辑控制引脚OE3和S3，输出引脚D2+和输入引脚D3+连接，输出引脚D2-和输入引脚D3-连接；输出引脚HSD32+和HSD32-与系统连接，为USB通信线路，输出引脚HSD31+和HSD31-均与转换模块连接；逻辑控制引脚OE3与接地线路连接，逻辑控制引脚S3与处理器连接；
其中，转换模块包括USB转串口芯片，USB转串口芯片上设置有输入引脚D4+和D4-、UART串口通信输出引脚，输入引脚D4+与输出引脚HSD31+连接，输入引脚D4-与输出引脚HSD31-连接；UART串口通信输出引脚与处理器连接；
其中，控制电路的通信识别过程如下：将通信接口与上位机连接，通过控制电路与上位机配合，能够实现J-link通信，UART串口通信和USB通信的切换和复用，同时也可以为系统供电，其中包括：
打开上位机特定桌面软件之后，软件能够自动且持续监听上位机的UART串口信息，当上位机的UART串口接收到处理器发送的握手命令之后，上位机立刻通过UART串口向处理器发送应答命令，其中，应答命令包括上位机接收到的第二开关芯片和第三开关芯片的逻辑状态信息，处理器接收到上位机发来的应答命令之后，立即停止向上位机发送握手命令，改为发送一条“握手OK信息”，示意与上位机已建立连接；同时，处理器停止翻转第二开关芯片和第三开关芯片的逻辑状态，并将第二开关芯片和第三开关芯片的逻辑状态改为处理器收到的应答命令所对应的状态；此时处理器与上位机建立了正确的UART串口通信；
当在上位机桌面软件上选择选择“储存功能”时，上位机通过UART串口向处理器发送“USB通信”命令；处理器在接收到“USB通信”命令之后，将第三开关芯片的逻辑控制引脚S3的电平拉高，此时，第三开关芯片选择HSD32+和HSD32-为输出端，即第三开关芯片输出端切换到USB通信线路，此时处理器与上位机建立了正确的USB通信。
2.根据权利要求1所述的一种支持正反插的充电和多种数据通信接口，其特征在于：外壳的两侧均设有至少一个限位槽，USB插头安装在外壳上时，限位槽对USB插头进行固定。
3.根据权利要求1所述的一种支持正反插的充电和多种数据通信接口，其特征在于：基座远离外壳的侧面上设有填充腔，填充腔内安装有绝缘块，第一引脚、第二引脚和第三引脚均贯穿绝缘块。
4.根据权利要求1中所述的一种支持正反插的充电和多种数据通信接口，其特征在于：处理器上设置有多个I/O端口和UART串口通信引脚，逻辑控制引脚S1、S2和S3分别与一个I/O端口连接，UART串口通信引脚与UART串口通信输出引脚连接。
5.根据权利要求4所述的一种支持正反插的充电和多种数据通信接口，其特征在于：第一开关芯片、第二开关芯片和第三开关芯片均为双刀双掷开关芯片。
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