CN1273903C - 通用串行总线多功能转接控制器 - Google Patents

Abstract

一种通用串行总线多功能转接控制器，包括一外设连接器、控制电路、一对资料输入端口、资料输出端口，资料输入端口连结来自PC个人电脑主机的通用串行总线端口，以接收来自PC个人电脑主机对外部设备控制命令与资料传送，该外设连接器用以连接电脑外部设备，并借由资料输出端口连接至下一级或更下一级的相同装置的资料输出端口，以提供不同供外部设备同时使用的状态，以构成一具有多外设多功能用途的通用串行总线多功能转接控制器。

Description

通用串行总线多功能转接控制器

技术领域

本发明有关于一种通用串行总线(USB)多功能转接控制器，特别是应用于个人电脑外设介面设备资料传输，及具有自由定义与系列连结的电脑外部设备转换及控制。

背景技术

电脑为目前资料处理、管理或控制的中枢，然而，在电脑结构中，除了用于运算及执行指令的中央处理器外，次要的结构及装置，则是用以作为输入及输出的电脑外部设备，例如：键盘(KEYBOARD)、摇杆(JOYSTICK)、数据机(MODEM)、印表机(PRINTER)、扫瞄器(SCANNER)、刷卡机、条码读取机(BAR CODE READER)……等外接的外部设备。其中，每一个外部设备必需通过界面卡(INTERFACE CARD))来作为这外部设备的控制及资料连通管道，诸如一般常见的RS-232或RS-422等标准界面，故界面转换对于外部设备的操作就显得相当重要。

又，传统上，用于工业控制的工业电脑或控制主机上所使用的多端口卡(MULTIPORT CARD)模式，必需插在ISA BUS上，但是，此种ISA BUS的多端口卡在使用上，则存在如下缺点：

1.安装时必需拆卸机器方能安装，相当不便。

2.数量必需为二次方数，如2、4、8、16……等，因而使该界面卡在装置使用上受到限制，且多余不使用的界面卡，将造成设备浪费及系统不必要的电源负担。

3、在使用上，若其中有一个端(PORT)的界面卡发生故障或损坏，则必须将主电脑主机关闭或停机来进行维修，故对于无法停止或不适合停止的控制、通讯或监控的动作，造成不必要的困扰。

4.制造成本高，维修不易，产业利用效率低。

5.在每一个多端口卡的界面卡，一定为单一功能的界面，例如：RS-232或RS-422，且所能连接的电脑外部设备功能，亦无法作改变，诸如恒为摇杆或恒为其他的监测外部设备，因而影响该外部设备连结的运用范围及灵活度；另外，若必须由RS-232界面转接为RS-422，或：由RS-422转接为RS-232，则相当麻烦不便，且需耗费较多的设备成本。

再者，以目前的USB模式连结方式，皆以TOP TECH技术方式来连结，诸如图6所示的连结结构，其中，每一个HUB(中枢转接器)向上或向下仅能连接其他HUB，也就是以串接方式来连结。且每一HUB可具有若干个功能(FUNCTION)选择，虽不受限制，但其缺点是，当其中一个HUB损坏或发生故障时，则必需令系统中连结位置较为下层的HUB停止运作，以利更换较为上层的HUB，如此一来，将大大影响系统运转的功能及效率；且在另一方面，各HUB中的功能(FUNCTION)是固定的功能模式，并无法随意或随不同的外部设备来加以改变或定义，这样，将使得HUB的种类及组装技术变得更加复杂而难以规划，在外部设备或外设监控元件的装置及配合使用上，将造成莫大的不便及困扰。

除此之外，在相关的先前专利技术文献上，台湾第202369号“传统PC用摇杆及滑鼠与USB系统相容的转接模态”发明专利案，则介绍了一种典型的USB连结模块，其中，该USB连结方式，如上述图6所示的HUB部分，仅能具有若干固定的功能(FUNCTION)模式，即其所提及的摇杆及滑鼠两种固定功能模式的选择，除了在连结上会产生上述图6中HUB与HUB连结的问题外，最大的问题是，该功能(FUNCTION)模式，并无法随该外部设备化的更换或变化，来加以改变其定义，造成应用范围上仍和图6的HUB一样受到拘限，使其整体的系统连结及运作效率受到影响。

发明内容

本发明的主要目的，是在于提供一种USB多功能转接控制器，其包含一外设连接器、控制电路、一对资料输入端口(DATA UP STREAM PORT)、资料输出端口(DATA DOWN STREAM PORT)，其中，资料输入端口供连结来自PC个人电脑主机的USB(UNIVERSAL SERIAL BUS)，以接收来自PC个人电脑主机对外部设备控制命令与资料传送，该外设连接器则供以连接电脑外部设备。并由控制电路随PC个人电脑主机送出的外部设备控制命令来自由定义该外设连接器所代表输出的的外部设备定义，以控制所连结的相对外部设备。并借由资料输出端口连接至下一级或更下一级的同系列装置的资料输出端口，使各相互连接的装置能够分别定义为不同外部设备使用的状态，以使本发明可随意连结不同的外部设备，并且在装设或故障维修上，可不必关闭电脑主机，即可进行装设或维修；以及，在装设数量上，可随所连结的电脑外部设备自由增、减，而可大大降低USB外设装置连结的系统及设备成本。

本发明的另一目的，是在于提供一种USB多功能转接控制器，特别是该控制电路，包含一USB控制器、微处理器、存储器模块、计时器、中断控制器及一非同步接收、传输器，其中，借由USB控制器向外连接电脑主机USB输出线路，以及下一级或更下一级，且该存储器模块内更包括一电压抹除式只读存储器(EEPROM)，是储存用以定义及控制外部设备的界面控制资料，以借由电脑主机的软件指令经由微处理器自该电压可擦只读存储器取出该外部设备的界面控制程序，并控制非同步接收、传输器经外设连接器输出至所连接的外部设备上，以供连接于该外设连接器上的外部设备，而使该外部设备的范围，可不受限制，诸如：数据机、滑鼠、键盘、数字/模拟转换器、感测器(SENSOR)、传输参数设定……等各种可以使用在工业控制的外部设备，而使其更具有产业的利用性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种通用串行总线多功能转接控制器，其特征在于：其包括至少一对的资料输入端口及资料输出端口，该资料输入端口，是连结至电脑主机的USB线路或上一级的资料输入端口，以接收来自电脑主机的控制命令及资料；

一控制电路，是包括一USB控制器、微处理器、存储器模块、中断控制器及非同步接收、传输器，其中，该USB控制器分别连结资料输入端及资料输出端，以接收来自于资料输入端口输入的资料，并由该资料输出端口输出资料；微处理器，是以一资料端口与该USB控制器连结，以取得输入资料或借此输出资料给USB控制器；存储器模块，是连结于微处理器的I/O端上，供微处理器执行运算指令、资料储存、缓冲功能，以及各外部设备功能及控制资料储存，以使微处理器可针对电脑主机所赋予的外设控制命令及资料传输，对该存储器模块内所储存的外部设备功能及控制资料加以重新定义及回存；中断控制器，是分别供中断控制命令或中断控制向量给微处理器及非同步接收、传输器；以及，非同步接收、传输器，是连结于该微处理器的I/O端末端，以接收来自微处理器所输出的最终外部设备控制命令及指令，以输出相对的外部设备控制命令；

一外设连接器，是供各种外部设备连结，并接受控制电路的非同步接收、传输器输出的外设控制命令，借以控制所连结的外部设备运作。

本发明的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现。

上述的一对资料输入端口及资料输出端口，分别包括有一正资料线(UPSTREAM D+CONNECTION)及一负资料线(UPSTREAM D-CONNECTION)构成，是以电位差来区别“0”与“1”的资料传输。上述的存储器模块包括：一只读存储器，是将各种外设控制功能的固件(FIRMWARE)储存在内；一动态随机存取存储器，将该微处理器的I/O端各个通道(CHANNEL)输入或输出的资料，先行储存，以作为资料传输的缓冲器(BUFFER)，待电脑主机及USB线路较为空闲时，再行处理，及该微处理器在外设控制指令或程序在执行时，则储存该指令或程序需运用或计算的临时资料；一电压可擦只读存储器，则储存各种使用者所选择的外部设备功能控制资料，即使用者所定义的RS-232或RS-422等标准外设连结端的控制功能资料，以供微处理器按电脑主机的外设控制命令，来取出相对的外部设备资料设定定义及回存。该存储器模块中的动态随机存取存储器在作为资料传输的缓冲器功能下，是以FIFO(FIRSTIN FIRST OUT)先入先出的模式处理。上述的控制电路中的中断控制器，在控制A/D转换器、D/A转换器等外部设备中断的状态下，以电平触发(LEVELTRIGGER)或边缘触发(EDGE TRIGGER)的方式，来适时产生中断向量信号给微处理器或在最终输出端受控的非同步接收、传输器。该控制电路中的中断控制器，则配合一计时器(TIMER)在某一设定时间内，中断一小片段时间，在中断后，该外部设备的A/D、D/A转换器或I/O端装置资料，或与使用者设定的条件相符时，则将状态(STATUS)或相关A/D、D/A转换资料加以储存记忆，且通过微处理器将反馈状态信号给USB控制器，待该连结电脑主机的USB线路闲置时，则再由USB控制器向电脑主机连系。控制电路中的非同步接收、传输器为通用非同步接收、传输器。上述的外设连接器为标准DB-25连接器。本发明还包含一机壳，用以包覆资料输入端口、资料输出端口、控制电路及外设连接器。机壳侧边适当位置设有一外接电源插座，以连接来自外界的由整流器供应的直流电源。该机壳于顶、底部相对应位置处，至少设有一对对应的凸肋及凹槽，以供机壳作纵向叠接。

附图说明

本发明的具体结构由以下实施例及其附图详细给出。

图1是本发明的方框结构示意图。

图2是本发明的微处理器的控制流程图。

图3是本发明的线路实施例结构示意图。

图4(a)是本发明的实施例图(一)。

图4(b)是本发明的实施例图(二)。

图5是本发明的应用实例图。

图6是习用USB连接器的系统结构示意图。

图7、图8、图9是本发明的电路原理图。

具体实施方式

首先请参阅图1所示，本发明的USB多功能转接控制器，包含一控制电路100，该控制电路100则包括一USB控制器10，其中，该USB控制器连结一对资料输入端口11(DATA UP STREAM PORT)、资料输出端口12(DATA DOWNSTREAM PORT)，该资料输入端口11分别由一正资料线(UPSTREAM D+CONNECTION)及一负资料线(UPSTREAM D-CONNECTION)构成，是以电位差来区别“0”与“1”的资料传输；且该资料输入端口11的正资料线与负资料线一端是相互连结(如图1与图3中虚线部分)，以连接至电脑主机的USB输出线路；而该资料输出端口12的正、负输出线则分别连接至下一级与更下一级USB多功能转接控制器的资料输出端口12及资料输入端口11的正、负资料线，以接受来自电脑主机(HOST)及上一级USB多功能转接控制器的外设控制资料及命令。

一微处理器20，是以一资料端DP与USB控制器10相连结，以接受来自USB控制器10所输出的外设控制命令及资料，并加以输出控制处理，该输出控制处理是通过一I/O端来传输。

一存储器模块30，是连结于该微处理器20I/O端的BUS上，包括一动态随机存取存储器(RAM)31、只读存储器(ROM)32及电压可擦只读存储器(EEPROM)33，其中，只读存储器32是将各种外设控制功能的固件(FIRMWARE)烧录在内，例如：数据机、印表机、滑鼠、刷卡机、条码读取机(BAR CODEREADER)……等外部设备的控制固件；动态随机存取存储器31，将该微处理器20的I/O端各个通道(CHANNEL)输入或输出的资料，先行放置在动态随机存取存储器31内，即以该动态随机存取存储器31为缓冲器(BUFFER)，并以FIFO(FIRST IN FIRST OUT)方式处理，待电脑主机及USB线路为空闲时，再行处理；另，当只读存储器32内的外设控制指令或程序在执行时，该动态随机存取存储器31则储存指令或程序需运用或计算的临时资料。

另外，在电压可擦只读存储器33则储存各种使用者(USER)所选择的外部设备功能控制资料，即使用者所定义的RS-232或RS-422等标准外设连结端的控制功能资料与传输参数，例如：数据机、摇杆、滑鼠、A/D或D/A转换器、印表机、扫瞄器、数字板、刷卡器、条码读取机(BAR CODE READER)……等外部设备的控制资料。

一中断控制器(INTERRUPT CONTROLLER)40，则是在于A/D、/D/A转换器或为I/D外部设备时，可设定为电平触发(LEVEL TRIGGER)或边缘触发(EDGE TRI GGER)的方式，来触发此一中断控制器40，使其适时产生中断向量信号给微处理器20或在最终输出端受控的非同步接收、传输器50；另外一种方式，则是使用一计时器60(TIMER)在某一设定时间内，中断一小段时间，在中断后，A/D、D/A转换器或I/O端装置资料，或与使用者设定的条件相符时，则将状态(STATUS)或相关A/D、/D/A转换资料加以储存记忆，且通过微处理器20反馈状态信号给USB控制器10，待该连结电脑主机的USB线路闲置时，则再由USB控制器10与电脑主机连系。

另，非同步接收、传输器50，是连结于微处理器20的I/O端末端，其型态不拘，在本发明，为便于说明之故，特以通用非同步接收、传输器(UNIVERSAL ASYNCHRONOUS RECEIVER/TRANSMITTER，简称UART)为例，但不因此而拘限本发明的范围。其中，通过非同步接收、传输器50以连接至外部设备元件200，例如数据机、印表机、扫瞄器、刷卡器、条码读取机(BARCODE READER)……等外部设备。此类的外部设备200皆是以标准RS-232或标准RS-422来驱动，且在该非同步接收传输器50接收或传送资料过程，当资料接收或传送完毕时，则将会产生一接收或传送中断的信号给中断控制器40，而使微处理器20得知要从电脑主机接收资料或传输资料至电脑主机时，则以串列资料方式输出，若此时电脑主机或连接电脑主机的USB线路在忙碌(BUSY)状态时，则将上述所欲接收或传输的资料暂时存放在存储器模块30中的动态随机暂存存储器31中，待电脑主机或USB线路不再忙碌时，再由该动态随机存取存储器31中，将欲接收或传输的资料取出，以上述FIFO的方式输入或输出。

请再参阅图2所示，图2为本发明中，该个人电脑主机中所载的系统控制流程图。其中，步骤300，为读出USB线路上各USB多功能转接控制器的设定及从属关系，步骤310，则为修改设定USB多功能转接控制器的功能，即设定取出该电压可擦只读存储器33内的指定外设或某一个外部设备元件200功能的控制资料；步骤320，为调整USB多功能转接控制器的参数或改变指定外部设备，即是由微处理20读出该电压可擦只读存储器33的控制资料后，设定其相关的传输或接收参数；步骤330，则是在于微处理器20设定好该传输或接收参数的控制资料回存至电压可擦只读存储器33中，步骤340即是在软、硬件连结与参数修改好后，再使软、硬件重新开机，即重置及设定特殊功能正常运作，以确认与PC的软、硬件正确；步骤350则是执行外部设备的应用程序。即借由以上图2所述的控制流程后，即可使本发明的USB转换器可作多功能及多用途的外部设备元件200的配合使用，而可达到产业上利用的目的及效果。

请再配合图3所示，图3为本发明的USB转接装置的另一应用上的线路结构实施例图，与图1中所不同的是，该微处理器20的I/O BUS末端所连结的是I/O双向传输外部设备400，例如：工业控制常用的A/D转换器、D/A转换器、感应器、液面控制器……等外部设备，亦可按图1及图2所述的外设元件200的定义及功能设定模式操作，使该I/O双向传输外部设备400，亦可达到如上所述多用途及多功能定义、设定及使用的功效，可使本发明的USB转换器在应用上，除可供连结一般电脑的外部设备外，更可扩大应用于工业控制的系统，而更加增加其整体使用功效及产业利用价值。

请再配合图4(a)及图4(b)所示，是本发明的外观结构实施例图，即以一机壳500来包覆如图1及图3所示的USB转换器的实施线路。其中，该资料输入端口11及资料输出端口12皆设置在机壳500的前端，可供以各USB转换器间的资料输入端口11及资料输出端口12相连结；以及，在该机壳500的后端，则设有一外设连接器510，该外设连接器510供连接外部设备元件200或I/O双向传输外部设备400，故其型态不拘，在图4(b)中，为便于说明之故，特以标准DB-25型的接头型式为例；另在该机壳500侧边适当位置，则至少设有一外接电源插座520，该外接电源插座520则可供纳置于机壳500内的USB转换装置使用外界的整流器，在系统需求时，适当供以直流电源。

除此之外，值得一提的是，在位于图4(a)及图4(b)机壳500的顶部及底部相对位置处，至少设有一对的凸肋530与凹槽540，可供该机壳500作纵向的叠接，而使各USB转换装置在连结上，更加方便。

请再参阅图5所示，如图1～图4(b)中所述本发明的装置，是实际应用实施例图，即每一个USB转换装置的资料输入端口11分别连接至上一级或更上一级的USB多功能转接控制器的资料输出端口12，而每一USB多功能转接控制器的资料输出端口12则分别连接至下一级或更下一级的USB多功能转接控制器的资料输入端口11中，而形成一个有系统跳接连结的线路结构，借由图5所示的线路的连结结构，可使本发明的USB多功能控制器，不会因任何一个USB多功能转接控制器损坏故障而需停机维修。进一步地，更可由本发明通过电脑主机的控制，而自由定义所连结的外部设备功能，可使其运用上更具有实际效益，且在另一方面，装置的数量，亦可不受限于一定为二次方数量，可随所连结的外部设备数量多少来决定，可大大降低目前电脑主机USB系统在连结外部设备控制所需花费的庞大费用，而更加提升本发明的产业利用价值。

在以上图1～图5中所述的本发明USB转接装置，仅为本发明为便于说明，所列举的若干个实施例，凡针对本发明的细部结构修饰或元件的等效的替代修饰，皆乃属于本发明的技术内容范畴。

综上所述，本发明极具产业利用价值，尤以该USB多功能转换控制器的整体结构，对于电脑主机所连结的USB外部设备控制系统的使用效益、降低设备成本及外部设备的运用特性上，确实具有新颖性、创造性和实用性，故符合发明专利的法定要件。

Claims (11)

1、一种通用串行总线多功能转接控制器，其特征在于：其包括至少一对的资料输入端口及资料输出端口，该资料输入端口，是连结至电脑主机的通用串行总线线路或上一级的资料输入端口，以接收来自电脑主机的控制命令及资料；

一控制电路，是包括一通用串行总线控制器、微处理器、存储器模块、中断控制器及非同步接收、传输器，其中，该通用串行总线控制器分别连结资料输入端及资料输出端，以接收来自于资料输入端口输入的资料，并由该资料输出端口输出资料；微处理器，是以一资料端口与该通用串行总线控制器连结，以取得输入资料或借此输出资料给通用串行总线控制器；存储器模块，是连结于微处理器的I/O端上，供微处理器执行运算指令、资料储存、缓冲功能，以及各外部设备功能及控制资料储存，以使微处理器可针对电脑主机所赋予的外设控制命令及资料传输，对该存储器模块内所储存的外部设备功能及控制资料加以重新定义及回存；中断控制器，是分别供中断控制命令或中断控制向量给微处理器及非同步接收、传输器；以及，非同步接收、传输器，是连结于该微处理器的I/O端末端，以接收来自微处理器所输出的最终外部设备控制命令及指令，以输出相对的外部设备控制命令；

一外设连接器，是供各种外部设备连结，并接受控制电路的非同步接收、传输器输出的外设控制命令，借以控制所连结的外部设备运作。

2、根据权利要求1所述的通用串行总线多功能转接控制器，其特征在于，所述的一对资料输入端口及资料输出端口，分别包括有一正资料线及一负资料线构成，是以电位差来区别“0”与“1”的资料传输。

3、根据权利要求1所述的通用串行总线多功能转接控制器，其特征在于，所述的存储器模块包括：

一只读存储器，是将各种外设控制功能的固件储存在内；

一动态随机存取存储器，将该微处理器的I/O端各个通道输入或输出的资料，先行储存，以作为资料传输的缓冲器，待电脑主机及通用串行总线线路较为空闲时，再行处理，及该微处理器在外设控制指令或程序在执行时，则储存该指令或程序需运用或计算的临时资料；

一电压可擦只读存储器，则储存各种使用者所选择的外部设备功能控制资料，即使用者所定义的RS-232或RS-422等标准外设连结端的控制功能资料，以供微处理器按电脑主机的外设控制命令，来取出相对的外部设备资料设定定义及回存。

4、根据权利要求3所述的通用串行总线多功能转接控制器，其特征在于，所述的存储器模块中的动态随机存取存储器在作为资料传输的缓冲器功能下，是以先入先出的模式处理。

5、根据权利要求1所述的通用串行总线多功能转接控制器，其特征在于，所述的控制电路中的中断控制器，在控制A/D转换器、D/A转换器等外部设备中断的状态下，以电平触发或边缘触发的方式，来适时产生中断向量信号给微处理器或在最终输出端受控的非同步接收、传输器。

6、根据权利要求1所述的通用串行总线多功能转接控制器，其特征在于，所述的控制电路中的中断控制器，则配合一计时器在某一设定时间内，中断一小片段时间，在中断后，该外部设备的A/D、D/A转换器或I/O端装置资料，或与使用者设定的条件相符时，则将状态或相关A/D、D/A转换资料加以储存，且通过微处理器将反馈状态信号给通用串行总线控制器，待该连结电脑主机的通用串行总线线路闲置时，则再由通用串行总线控制器向电脑主机连系。

7、根据权利要求1所述的通用串行总线多功能转接控制器，其特征在于，所述的控制电路中的非同步接收、传输器为通用非同步接收、传输器。

8、根据权利要求1所述的通用串行总线多功能转接控制器，其特征在于，所述的外设连接器为标准DB-25连接器。

9、根据权利要求1所述的通用串行总线多功能转接控制器，其特征在于，其包含一机壳，用以包覆资料输入端口、资料输出端口、控制电路及外设连接器。

10、根据权利要求9所述的通用串行总线多功能转接控制器。其特征在于，所述的机壳侧边适当位置设有一外接电源插座，以连接来自外界的由整流器供应的直流电源。

11、根据权利要求9所述的通用串行总线多功能转接控制器，其特征在于，所述的机壳于顶、底部相对应位置处，至少设有一对对应的凸肋及凹槽，以供机壳作纵向叠接。

Images