CN1310402A - 模拟通用串行总线设备连接和分离的方法 - Google Patents

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Abstract

上拉电阻连接到USB设备的VUSB针上和USB电缆的D+线或者D－线上,其中USB电缆插入端口。在软件的控制下,VUSB针从电压源上分离,使上拉电阻浮动在D+线或者D－线上,没有电流流经上拉电阻、D+线或者D－线。因为没有电流流经D+线或者D－线,即使USB电缆保持物理地插入端口,主机也确定USB电缆已经从端口拔出,并且USB设备分离。在软件的控制下,电压源连接到VUSB针上,随后主机确定设备已经连接,并且开始计数过程。

Description

模拟通用串行总线设备连接和分离的方法
通常地，本发明涉及通用串行总线(Universal Serial Bus,USB)，更具体地，涉及模拟USB设备连接和分离的方法。
1998年9月23日的《通用串行总线规定，修订版1.1》是各公司协议的产物。该规定定义了工业标准的通用串行总线，并描述了总线属性、协议定义、交换类型、总线管理和可编程接口，这些是设计并建立系统和外围设备所需的，其中系统和外围设备服从这个标准。
USB是电缆总线，它支持主计算机与同步可访问外围设备之间的数据交换，同步可访问外围设备的范围广泛。连接的外围设备通过主机安排的基于令牌的协议共享USB带宽。当主机与其它周边设备操作时，总线允许周边设备被连接、构造、使用和分离。
在任何USB系统中，只有一个主机。USB到主机计算机系统的接口称为主控制器(Host Controller)。主控制器可以采用硬件、固件(firmware)或软件的组合来实现。
USB设备是下述之一：(a)集线器(Hub)，用于提供附加连接点到USB；或(b)功能设备(Function)，用于对系统提供诸如综合服务数字网络(Integrated Service Digital Network,“ISDN”)连接、数字游戏杆或扬声器之类的性能。
如图1所示，USB在四芯电缆上传输信号和功率。信号发生在每个点对点段的两条线上。现在有两种数据速率。USB全速信号位速率为12Mb/s。还有有限性能的低速信号模式上定义为1.5Mb/s。已经建议了更高的数据速率。
在每段上，电缆还携带VBUS和地线，用来将功率传输到设备。在电源中VBUS通常为+5V。USB通过选择适当的导线规格而匹配特定的IR降低和其它属性，如设备功率预算和电缆的灵活性，而允许长达几米的可变长度的电缆段。为了提供有保证的输入电压电平和适当的终端阻抗，在电缆的每端使用了非对称的终端。终端还在每个端口允许进行连接和分离的检测，并区分全速和低速设备。
USB在任何时间支持USB设备连接到USB上，并支持USB设备从USB上分离。所有的USB设备都通过特殊的USB设备上的端口连接到USB上，这种特殊的USB设备被称为集线器。集线器具有状态指示器，指示其端口之一上的USB设备的连接或分离。主机查询集线器来检索这些指示器。在连接的情况下，主机通过缺省地址的设备控制管道使端口打开，并确定USB设备的地址。主机对设备指定唯一的USB地址，然后再确定新连接的USB设备是集线器还是功能设备。主机通过使用分配的USB地址和终点号零，为USB设备建立控制管道的一端。如果连接的USB设备是集线器，并且USB设备连接到它的端口上，那么上述过程对连接的每个USB设备重复。如果连接的USB设备是功能设备，那么由负责此功能的主机软件处理连接通知。
当USB设备从集线器的端口之一分离时，集线器使端口关闭，并对主机提供设备分离的指示。然后由适当的USB系统软件处理分离指示。如果分离的USB设备是集线器，USB系统软件必须处理集线器和所有USB设备的分离，其中USB设备预先通过集线器连接到系统上的。
总线计数是对连接到总线上的设备，识别并指定唯一地址的行为。因为USB允许USB设备在任何时间连接到USB上，或从USB上分离，所以总线计数是USB系统软件持续进行的行为。这样USB的总线计数还包括分离的检测和处理。
图2说明了典型的集线器。集线器是布线集中器，并且允许USB的多种连接特点。连接点被称为端口。每个集线器将单连接点转换成多连接点。这个结构支持有限数量的集线器连接在一起。
集线器的上游端口使集线器连接到主机上。集线器的每个下游端口允许连接到另一个集线器或功能设备上。集线器可以检测每个下游端口的连接和分离，并能将功率分配到下游设备中。每个下游端口可以被独立地打开，并连接到全速或低速设备上。
图3说明了在典型的计算机环境中，集线器如何提供连接。功能设备是能够在总线上传送或接收数据或控制信息的USB设备。功能设备典型地作为分离的外围设备，它具有的电缆插入集线器的端口中。但是，实际的组合上可以具有多个功能设备和带单一的USB电缆的内置集线器。这被称为复合设备。复合设备被主机认为是具有一个或多个固定USB设备的集线器。
每个功能设备包括描述其性能和资源要求的构造信息。在功能设备可以使用以前，必须通过主机构造它。这个构造包括分配USB带宽，并选择特定功能的构造选项。功能设备的例子包括如下：(a)诸如鼠标、图形输入板或光笔之类的定位设备；(b)诸如键盘之类的输入设备；(c)诸如打印机之类的输出设备；和(d)诸如ISDN之类的电话适配器。
USB主机通过主控制器与USB设备交流。主机功能如下：(a)检测USB设备的连接和分离；(b)管理主机与USB设备之间的控制流；(c)管理主机与USB设备之间的数据流；(d)收集状态和行为的统计；和(e)对连接的USB设备提供功率。
主机上的USB系统软件，管理USB设备与基于主机的设备软件之间的交流。USB系统软件与设备软件之间有五种领域的交流：(a)设备计数和构造；(b)同步数据传输；(c)非同步数据传输；(d)功率管理；和(e)设备和总线管理信息。
USB采用NRZI(Non-Return Zero,Inverted，倒转不归零)编码和差动信号，在USB电缆上传输信息。USB串行数据在USB电缆上使用差动信号传输以前，进行NRZI编码。图4说明了在USB电缆段上传输信息的过程。首先，发送信息的USB介质执行NRZI编码。然后，编码的数据通过差动驱动器被送到USB电缆上。接收器翻译到达的差动数据，并将NRZI数据传输给解码器。
在将数据传输到给定的USB设备，或从给定的USB设备传输数据以前，主机软件必须首先检测给定的USB设备的存在。当设备连接到USB端口上时，USB被指定自动检测设备的存在，当设备分离时也是如此。检测设备连接所采用的机制，还提供一种方法来确定设备是全速设备还是低速设备。
在电缆功率提供给端口上之后，USB集线器通过监视差动数据线，检测设备已被连接到它的一个端口上。图5A中说明的结构包括集线器8和全速设备10。图5B中说明的结构包括集线器9和低速设备11。参考图5A和5B，当没有设备连接到USB端口上时，D+和D-线上的15kΩ下拉电阻，保证两条数据线接近于地线水平。USB设备必须在D+或者D-(分别根据设备是高速设备还是低速设备)上包括上拉电阻。当设备连接时，电流流经分压器，其中分压器由集线器的下拉电阻和设备的上拉电阻建立，其中下拉电阻和上拉电阻或者在D+线上或者在D-线上。由于下拉电阻值为15kΩ，并且设备上拉电阻值为1.5kΩ，数据线将上升到VUSB的大约90％的水平上。当集线器(例如，图5A中的集线器8和图5B中的集线器9)检测到一条数据线接近VUSB，而另一条数据线保持为接近于地线水平时，它识别出设备(例如，图5A中的全速设备10和图5B中的低速设备11)已经连接。
D+和D-是差动信号。D+线和D-线是实际总线，其上发生数据通讯。参考图5A，在全速设备10中，1.5kΩ的上拉电阻连接到VUSB(3.0-3.6V DC)与D+线之间。参考图5B，在低速设备11中，1.5kΩ的电阻连接到VUSB(3.0-3.6VDC)与D-线之间。当替换适当的电路时，主机识别D+线或D-线已经被上拉。然后主机知道设备已经连接到那个端口上。
当D+线和D-线都落到0.8V DC以下持续超过2.5μs时，集线器检测到设备的分离。当D+线或D-线上升到2.0V DC以上超过2.5μs时，集线器识别出设备的连接。然后，设备必须保持超过2ms的空闲。当检测到设备的连接时集线器在它的端口状态寄存器中设置适当的状态位，当检测到设备已经分离时，使该设置位复位。主机软件周期性地查询每个集线器，来检测设备的连接和分离。
例如，当鼠标、扫描仅或其它相似的USB设备插入个人计算机(“PC”)背面的USB插口时，主机知道连接了新的USB设备。当设备连接时，PC不必重新启动，这是USB的优点。主控制器和操作系统识别出新的设备已经插入到那个特定的端口中。然后，主控制器进行计数过程，在计数过程中，它与例如系统内的鼠标通讯，并设置鼠标，使操作系统可以接收、翻译并响应它从那个鼠标中得到的命令(例如，移动光标)。一旦插入鼠标，并且主机PC进行了计数过程，则主机不能够执行设备的复位。例如，如果鼠标锁住，根据传统方法，使鼠标复位的唯一方式是重新启动PC，或将电缆从PC上物理地拔出，然后将它插回，因为当电缆重新插回USB插口中时，会触发主机再次执行计数过程。然后主机知道有新的设备，必须对它进行配置。这样，需要操作者的介入，如在PC后面进行处理等。
根据本发明的原理，网络的设备连接到集线器上。每个网络设备适于在第一状态和第二状态之间转换，其中在第一状态，设备被认为连接到网络中；在第二状态，设备被判断为已与网络分离。
在本发明的特定实施例中，USB设备中电路提供的用于模拟USB设备的连接和分离。通过从3.3V DC电压源上断开VUSB针，来模拟USB设备从端口上分离，其中3.3V DC电压源防止电流流经1.5kΩ的上拉电阻，上拉电阻连接到VUSB针和D+线上(或者，在低速设备的情况下为D-线)。当主机知道没有电流流经D+线和D-线时，甚至当USB设备的USB电缆仍然插入端口中时，主机也确定没有USB设备连接到端口上。将VUSB针再次连接到3.3V DC电压源上，模拟了将USB设备连接到端口上。
在本发明的另一个特定实施例中，一种方法包括这样的步骤：将上拉电阻连接到VUSB针和USB电缆的线上，调整VSUB针上的电压，并防止电流流经上拉电阻。
在本发明的另一个特定实施例中，一种装置包括USB设备，通过USB电缆可以连接到端口上。USB设备在第一和第二状态之间转换。在第一状态，USB设备被主机认为连接到端口中；在第二状态，USB设备被主机判断为已分离端口。
从后面的具体描述和附图中，以举例子的方式说明本发明的特点，本发明的其它方面和优点将变得明显。
图1说明了USB电缆；
图2说明了USB集线器；
图3说明了在USB计算机环境中的连接；
图4说明了在USB电缆上传输信息；
图5A和5B分别说明了全速USB设备和低速USB设备的电阻连接；
图6说明了根据本发明的原理，网络的计算机连接到集线器上，由此可以模拟计算机的连接和分离；并且
图7说明根据本发明的原理所采用的USB设备，由此可以模拟连接和分离。
网络包括独立的机器，如计算机、终端、数据库和其它设备，它们可以彼此通讯。这些机器或节点，可以在对等结构中操作，其中每个节点都可以启动通讯；或者在主/从结构中操作，其中通讯被宿主机控制。USB网络是主/从结构的一个例子。
在适当的环境下，需要的是网络中的节点好像不在网络中运行。这可以通过匹配或模拟电子和通信行为，或没有出现的节点的表象来实现。在USB设备的情况下，当分离节点表现为再次连接时，它的这种模拟可以导致节点的初始化或计数。USB设备通过控制上拉电阻的负载，并响应网络的通讯，实现这个目标。
例如，如果USB设备(例如鼠标)中的电子元件损坏，即使知道电子元件的损坏条件，并知道如何纠正条件，根据传统的实践，可以请求主机复位或重新建立连接也是不可能的；并且在本发明以前，将USB设备(例如鼠标)拔出，并将它重新插回，是USB设备可能被复位或再次建立与主机连接的方法。本发明允许电子式的插入和再插入过程，在设备级别上自动进行，而不需要用户介入或主机的特殊动作。
参考图6，例子中的系统12包括集线器13，集线器13连接到网络14的节点上，使数据可以在集线器13和网络14的节点上双向发布。网络14中每个单独的节点包括诸如计算机、终端、数据库或外围设备之类的设备。每个节点上的设备连接到网络中，当连接时使设备在第一状态与第二状态之间转换，其中在第一状态，设备被认为连接到网络中；在第二状态，设备被判断为已分离网络。
在图6说明的特定实施例中，每个节点包括计算机15。中点16连接网络14中的节点，并且将网络连接集线器到13上。集线器13操作以便在向连接网络14的节点发送通讯与从连接网络14的节点接收通讯之间转换。在集线器13和网络14中的每个计算机15上，使用网络接口卡来建立这种通讯的协议，并建立连接网络间的路由信号。网络14中的每个计算机15能够在第一状态与第二状态之间转换，其中在第一状态，计算机被认为连接到网络14上；在第二状态，计算机被判断为已分离网络14。
如图7所示，为了说明的目的，当USB电缆22从USB设备20保持物理地插入USB端口中时，在改进的USB设备20中的电路允许在软件控制下，模拟USB设备的连接与分离。USB设备20中的电路连接到VUSB针、D+线、D-线和地线(未画出)上。上拉电阻RPU连接到D+线(根据USB设备20的速度，或者为D-线)与VUSB针之间。根据本发明的原理，USB设备20中的电路包括：3.3V DC电压源24；联结到3.3V DC电压源24上的连接-分离电路26；联结到连接-分离电路26上的控制电路28；和联结到控制电路28上的差动驱动电路30。
连接-分离电路26包括第一晶体管开关T1、第二晶体管开关T2和内部电阻RINT。在连接-分离电路26中，3.3V DC电压源与VUSB针之间有两条平行的路径。第一晶体管开关T1位于第一路径，第二晶体管开关T2和内部电阻RINT位于第二路径。
差动驱动电路30包括第一缓冲D1和第二缓冲D2。第一缓冲D1和第二缓冲D2的输出分别联结到D+线和D-线上。差动驱动电路30驱动USB电缆22上的USB数据信号。D1和D2缓冲驱动D+线和D-线，或可以为第三态(即高阻态)。
控制电路28产生的挂起控制(SUSPEND-control)信号34，联结到第二晶体管开关T2上。控制电路28产生的连接控制(ATTACH-control)信号36，联结到第一晶体管开关T1上。控制电路28产生的输出控制(0UTPUT-control)信号38联结到第一缓冲D1和第二缓冲D2的门上。
因为USB总线是具有热连接和热分离的以主机为中心的系统，主机40需要能够检测到设备连接到总线上，或从总线上分离。参考图7，没有设备连接其上的USB端口具有RPD1和RPD2,RPD1和RPD2下拉D+线和D-线，由此通知主机这样的状态。
在传统的USB设备中，一条数据线(或者D+线，或者D-线)通过上拉电阻RPU，上拉到固定电压VUSB。当这样的传统设备连接到电缆上时，其中该电缆联结到主机上，具有上拉电阻的单线(或者D+线，或者D-线)在线上具有高状态电压，这指示主机设备被连接。当设备被移走时，由于总线上的其它状态在两根USB数据线(即D+线和D-线)上再次为低位电压，主机会检测到这一点。
参考图7，由于USB系统是以主机为中心的，如果主机请求的话，USB设备只在总线上驱动出去。根据本发明的原理，当设备20通过上拉电阻RPU的上拉而通知它的连接时，缓冲D1和D2被控制电路28的控制逻辑或固件关闭。上拉电阻RPU的上拉通知主机40，新的设备已经连接到USB子系统中，由此促使主机40对新连接的设备开始计数过程。计数过程重建主机40与设备20之间的通讯接口。
在提供本发明的优点以前，USB设备(例如鼠标或扫描仪)的电缆必须物理地从USB端口上分离，来强制重计数。根据本发明的原理，设备可以在软件的控制下从USB上分离，而不用使电缆物理地从USB端口上断开。现在，根据本发明的原理扩增的USB设备，在设备需要主机复位的情况发生时，可以强制主机对设备重计数。根据本发明的原理，通过断开内部PMOS晶体管开关T1和T2，从上拉电阻RUP上去掉上拉电压(VUSB)，来模拟分离动作。
控制电路28包括可编程的端口寄存器(“PPR”)42。可编程的端口寄存器的寄存器位控制VUSB输出针上是否有3.3V DC的电压，它的出现指示主机40设备连接在USB电缆上。可编程的端口寄存器42的两位，确定调整的3.3VDC电源连接到VUSB针上的连接。
两位中的一个，即连接(ATTACH)位，促使控制电路28中的逻辑选择VUSB上调整的电压，模拟设备连接到主机上。当连接(ATTACH)位被清除(即连接(ATTACH)位改变为“否”的条件)时，控制逻辑放弃选择开关T1和T2，由此模拟分离的设备。
当总线进入不活动的状态一段时间后，USB规定还对USB设备定义了挂起状态。在此时间之后，假定了USB设备20进入睡眠状态，并且比它在正常操作时消耗实质较少的电流。
VUSB针上调整电压的可选模式，用于限制挂起模式时的电流消耗。在正常通讯模式中，缓冲D1将驱动数据线D+上的数据，并且电压VUSB的调整也考虑这一点。但是，在挂起模式中，VUSB的调整要求较少，因为只需要提供通过RPU和RPD1的电流。挂起模式中的这个减小的调整需求，通过挂起(SUSPEND)位来选择。通过设置可编程的端口寄存器42的挂起(SUSPEND)位，控制电路28只打开晶体管开关T2。这在3.3V DC的电压源上应用了内部电阻RINT，它比正常通讯过程提供了较少的电流。在操作的挂起(SUSPEND)模式中，仍然模拟连接的USB设备。控制电路28放弃选择挂起控制(SUSPEND-control)信号34，而选择连接控制(ATTACH-control)信号36，来退出挂起模式，随后继续VUSB针上的完全调整。
本发明的特殊实施形式在上面已经说明并描述，显然，据此可以进行未脱离本发明的思想和范围的各种修改。

Claims (17)

1、一种装置，包括：
可以连接到网络上的设备，当连接时，设备在第一状态与第二状态之间转换，其中在第一状态，所述设备被认为连接到所述网络上，而在第二状态，所述设备被认为从所述网络上分离。
2、根据权利要求1的装置，其中：
所述设备是USB设备。
3、一种装置，包括：
连接到集线器上的网络节点；和
在每个节点上的设备：
其中至少一个设备能够在第一状态与第二状态之间转换，其中在第一状态，所述至少一个设备被认为连接到所述网络上，而在第二状态，所述至少一个设备被认为从所述网络上分离。
4、根据权利要求3的装置，其中：
所述网络节点以主/从结构操作。
5、一种方法，包括如下步骤：
将上拉电阻连接到VUSB针和USB电缆的线上；
调整所述VUSB针上的电压；并且
调整流经所述上拉电阻的电流。
6、根据权利要求5的方法，还包括步骤：
切断所述VUSB针上的所述电压；并且
防止电流流经所述上拉电阻。
7、根据权利要求5的方法，还包括步骤：
接通所述VUSB针上的所述电压。
8、根据权利要求5的方法，还包括步骤：
将所述USB电缆连接到端口上。
9、根据权利要求8的方法，其中：
联结到所述端口上的主机，根据所述电压确定USB设备连接到所述端口上。
10、根据权利要求8的方法，其中：
联结到所述端口上的主机，根据所述电压确定USB设备从所述端口上分离。
11、一种装置，包括：
USB设备，通过USB电缆可以连接到网络上；
所述USB设备可以在第一和第二状态之间转换；
在所述第一状态，所述USB设备被主机认为连接到所述端口上；并且
在所述第二状态，所述USB设备被主机认为从所述端口上分离。
12、根据权利要求11的装置，还包括：
所述USB设备的VUSB针；和
连接到所述VUSB针和所述USB电缆的线上的上拉电阻。
13、根据权利要求12的装置，还包括：
在所述USB设备中的连接-分离电路，用于调整所述VUSB针上的电压；
所述连接-分离电路联结到电压源上。
14、根据权利要求13的装置，还包括：
在所述USB设备中的产生控制信号的控制电路。
15、根据权利要求14的装置，还包括：
在所述连接-分离电路中的开关，所述开关连接到所述电压源和所述VUSB针之间，并且处于打开状态和关闭状态之一。
16、根据权利要求15的装置，其中：
所述开关响应所述控制信号，将所述VUSB针从所述电压源上断开。
17、根据权利要求16的装置，其中：
当所述开关在所述打开状态时，防止电流流经所述上拉电阻。
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