CN201359725Y - Usb接口电路及具有所述电路的便携式手持设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种USB接口电路及具有所述电路的便携式手持设备，包括USB接口、数据开关和音频开关；其中，数据开关的开关通路连接在USB接口的数据端与系统的数据通道之间，音频开关的开关通路连接在USB接口的数据端与系统的音频通道之间，数据开关和音频开关的控制端接收系统中主芯片输出的控制信号，以确定其开关通路的通断状态，以实现数据通道和音频通道的选择切换。该接口电路为各路通道提供了有效的带宽和隔离度，可以确保在其中一路通道工作时不会受到其它通道的影响。通过简单的软件控制可以实现对各种外接设备的自动识别，电路结构简单，成本低，适合应用于各种便携式手持设备上，尤其适合在手机电路中推广应用。

Description

USB接口电路及具有所述电路的便携式手持设备

技术领域

本实用新型属于接口电路技术领域，具体地说，是涉及一种可实现多种设备复用的USB接口电路以及具有所述接口电路的便携式手持设备。

背景技术

采用标准Mini USB作为便携式手持设备的外设接口，越来越多地被广大开发商选用。采用这种外设接口，使用者可以选用任何一种通用的外部接口线缆或者设备实现便携式手持设备与外部设备通信等功能，从而极大方便了使用者的日常应用。Mini USB接口包括5个管脚，如果需要连接多种外设，只能采用对该接口进行复用的方法来实现。目前，可以实现多功能复用的方案有很多，主要是通过专业的可编程IC或是较大型的IC的附带功能实现对多种不同设备的切换。一般的电路都会有一些局限性，比如使用器件较多，可切换的通道数较少等。尤其是在特定的条件下，不能够通过低成本方案实现类似USB2.0高速数据通道(480Mbps)、USB1.1数据通道、音频通道、充电通道的切换。

另外，一般带有FM调频接收功能的设备都会采用耳机的地线作为接收天线。但是，对于一个兼容充电接口的电路来说，用地线作为天线需要增设一个昂贵的绕线电感，并且需要占用较多的PCB空间。这对于那些对价格和体积具有严格要求的便携式手持设备来说，明显不太适用。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种结构简单、成本低、可实现多种设备复用的USB接口电路，为各路切换通道提供了有效的带宽和隔离度，减少了PCB空间的占用。

为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案予以实现：

一种USB接口电路，包括USB接口、数据开关和音频开关；其中，所述数据开关的开关通路连接在USB接口的数据端与系统的数据通道之间，所述音频开关的开关通路连接在USB接口的数据端与系统的音频通道之间，所述数据开关和音频开关的控制端接收系统中主芯片输出的控制信号，以确定其开关通路的通断状态，以实现数据通道和音频通道的选择切换。

进一步的，在所述数据开关中至少包含有两组开关通路，其中一组开关通路连接在USB接口的数据端与系统的USB1.1数据通道之间，另一组开关通路连接在USB接口的数据端与系统的USB2.0数据通道之间；所述数据开关的控制端包括使能端和选择端，分别接收系统主芯片发出的使能信号和通路选择信号，在传输数据信号时，根据数据传输速率以选择切换至相应速率的数据通道。

又进一步的，在所述音频开关中至少包含有两条开关通路，所述两条开关通路的其中一端分别与USB接口中数据端的差分正极性端和负极性端一一对应连接，另外一端分别与系统音频通道的麦克风信号输入端和音频信号输出端一一对应连接。

再进一步的，所述USB接口包括5个端子，其中的ID端在系统中通过电感和隔直电容连接音频通道，与所述ID端相插接的耳机的接地端通过另一电感接地，利用两个电感之间的导线作为天线接收调频信号，不仅为FM调频信号的频点留有足够的带宽，同时可以屏蔽掉系统本身信号噪声产生的影响。

为了实现所述系统对耳机插入状态的实时检测，所述USB接口的ID端通过滤波电路连接主芯片，并通过上拉电阻连接直流电源。所述主芯片根据接收到的高低电平状态判断是否有耳机插入USB接口。

更进一步的，所述USB接口的电源端通过防反接电路和防浪涌电路连接系统内部电源，在插接充电器时，为系统内部电源充电。

基于上述USB接口电路结构，本实用新型又提供了一种具有所述USB接口电路的便携式手持设备，通过在所述便携式手持设备上设置USB接口，并在USB接口的数据端连接数据开关和音频开关，从而实现了对多路数据通道和音频通道的选择切换功能；除此之外，通过在所述USB接口的电源端连接充电电路，在USB接口的ID端连接调频电路，从而使所述USB接口可以兼用作充电器接口和耳机插孔，实现了USB接口的复用。

与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果是：本实用新型的USB接口电路为各路通道提供了有效的带宽和隔离度，可以确保在其中一路通道工作时不会受到其它通道的影响。通过简单的软件控制，可以实现对各种外接设备的自动识别，从而极大方便了用户的日常使用。所述USB接口电路结构简单，成本低，占用PCB空间少，兼容性强，因此适合应用于各种便携式手持设备上，尤其适合在低成本的手机电路中推广应用。

结合附图阅读本实用新型实施方式的详细描述后，本实用新型的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是本实用新型所提出的USB接口电路的原理框图；

图2是图1中数据开关电路的一种实施例的电路原理图；

图3是图1中音频开关电路的一种实施例的电路原理图；

图4是图1中充电电路的一种实施例的电路原理图；

图5是图1中耳机检测电路和FM天线电路的一种实施例的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细地说明。

本实用新型为了使USB接口电路在具备复用多种外接设备的基础上，进一步简化电路结构，降低成本，采用价格比较低廉的模拟开关连接在USB接口的差分数据端D+、D-，如图1所示。在数据通道工作时，音频开关处于高阻状态，以使数据通道有足够的带宽，保证数据的高速传输。在音频通道工作时，数据开关处于高阻状态，使音频通道有足够的带宽。在FM天线电路工作时，FM的天线不再使用耳机地线，而是使用耳机的信号线。在对系统进行充电时，充电电路工作，USB接口的电源端VBUS与接地端GND构成回路，为系统内部电池充电，以维持系统正常运行。系统中的硬件及软件检测机制，可以自动识别接入设备的类型，进而通过系统内部的主芯片控制系统中的相应模块电路工作。

下面仅以手机为例，详细阐述所述USB接口电路的具体组成结构及其工作原理。

实施例一，在本实施例中，所述USB接口优选采用5PIN的Mini USB接口实现，在其差分数据端D+、D-上连接的数据开关S4002优选采用专用于高速USB的电子开关实现，如图2所示，可以支持USB2.0的高速带宽，并可以向下兼容。在所述数据开关S4002中至少包含有两组开关通路，分别对应连接在手机系统中USB1.1数据通道与USB接口的差分数据端D+、D-之间，以及USB2.0数据通道与USB接口的差分数据端D+、D-之间。具体来讲，所述数据开关S4002的两组数据通路的公共端1脚、2脚分别与USB接口的差分数据端D+、D-对应连接，两组数据通路的另外一端，即5脚/4脚以及7脚/6脚分别与手机系统中的USB1.1数据通道和USB2.0数据通道对应连接。所述数据开关S4002的使能端8脚和选择端10脚分别连接手机系统中的主芯片，比如主芯片的GPIO43端口和GPIO04端口等，以接收主芯片发出的使能控制信号和通路选择信号。

当在所述USB接口上插接U盘、移动硬盘等USB设备时，系统自动检测是否有外部USB设备插入。若没有，主芯片通过其GPIO43端口输出高电平信号，控制数据开关S4002的1脚、2脚处于高阻状态，一般可达到兆欧级的阻值。若有USB设备插入，则主芯片通过其GPIO43端口输出低电平信号，置数据开关S4002使能有效。然后，检测用户是否通过用户界面输入启动USB2.0数据传输的指令，若有，则通过其GPIO04端口输出通路选择信号，比如高电平信号，控制数据开关S4002连通其1脚、2脚与7脚、6脚之间的通路，进而将USB接口的差分数据端D+、D-与手机系统中的USB2.0数据通道连通，以提供高速带宽，实现USB2.0数据的高速传输；若没有接收到用户指令，则输出低电平通路选择信号，默认连通数据开关S4002的1脚、2脚与5脚、4脚之间的通路，进而将USB接口的差分数据端D+、D-与手机系统中的USB1.1数据通道连通。

图3为音频开关电路的原理图。在本实施例中，音频开关S4001优选采用专用于音频的电子开关实现。在所述音频开关S4001中至少包含有两条开关通路，所述两条开关通路的其中一端，即6脚、7脚，分别与USB接口中的差分数据端D-、D+对应连接，两条开关通路的另外一端，即2脚、1脚，分别与手机系统中音频通道的麦克风信号输入端和音频信号输出端对应连接。所述音频信号输出端在手机系统中具体指耳机信号输出通道，可以具体采用音频通道中的右声道HP_OUT_R输出耳机信号。

所述音频开关S4001的使能端OE(即10脚)连接主芯片，比如主芯片的GPIO25端口。当主芯片检测到USB接口上插接的是手机耳机时，通过其GPIO25端口输出低电平控制信号，将音频开关S4001的使能端OE置为有效状态。此时，音频开关S4001的两条开关通路导通，导通阻抗为2.5欧姆。用户的语音信号经麦克风接收后，通过音频开关S4001的7脚、1脚传输至手机系统电路，进而通过电容C4031～C4033转换成差分信号MIC2P、MIC2N经音频通道传输至主芯片。而需要输出的音频信号通过耳机信号输出通道经隔直电容C4019、音频开关S4001的2脚、6脚传输至外部耳机，以实现用户接听。当主芯片检测到USB接口上插接的不是手机耳机时，通过其GPIO25端口输出高电平控制信号，将音频开关S4001的使能端OE置为无效状态。此时，音频开关S4001的6脚和7脚处于高阻状态，并具有6pF的低寄生电容，不会影响数据通道的带宽，这是一般音频开关不具备的特性。

由于通过耳机信号输出通道输出的信号经过隔直电容C4019后变成了交流信号，所以，本实施例中的音频开关S4001一定要能够通过负电平。

在本实施例中，为了防止外界静电破坏手机系统内部电路，在USB接口处的各路信号线上都采用了通过压敏电阻接地的连接方式，以屏蔽静电，保护手机设备。

图4是充电电路的原理图，由防反接电路和防浪涌电路组成。在本实施例中，防反接电路可以具体采用二极管D4003实现，防浪涌电路可以具体采用稳压管D4009实现。其中，二极管D4003的阳极连接USB接口的电源端VBUS，阴极连接手机系统电源，以防止外部电源线反接；稳压管D4009为一齐纳二极管，其阴极连接USB接口的电源端VBUS，阳极接地，以抑制外部电源中产生的浪涌电压。由于手机内部芯片可以承受到18V以上的高压，因此，齐纳二极管D4009的击穿电压也选在了18V。

当需要对手机充电时，将充电器插接到手机的USB接口上，此时，USB接口的电源端VBUS和接地端GND构成回路，充电器将外部交流高压转化为直流低压，为手机内部电池充电。

图5是耳机检测电路和FM天线电路的原理图。左侧部分是手机电路，右侧部分是耳机电路。其中，USB接口的ID端通过电感L4001和隔直电容C4018连接音频通道，比如手机系统中音频通道的左声道HP_OUT_L。将耳机的信号端插接到USB接口的ID端，耳机的接地端通过另一电感L101接地。此时，利用两个电感L4001和L101之间的导线作为FM天线接收FM调频信号。这两个电感共同起到了高频隔离作用，可以防止音频通道在FM频段内的噪声干扰对FM接收的灵敏度造成影响，同时为FM信号的频点留有足够的带宽。由于音频通道的电流较小，因此，不必要使用其它类似方案中在USB接口的接地端GND上串加大电流电感的形式。

在图5中，还包括外围设备的插入检测电路。由电阻R4010、R4013和电容C4015组成。其中，电阻R4010和电容C4015组成滤波电路，连接主芯片的检测端口，比如GPIO49端口，以消除设备插拔过程的电平抖动；电阻R4013和手机系统中的直流电源VMSMP组成上拉电路，通过电阻R4010经电感L4001连接所述USB接口的ID端。当耳机插入时，USB接口的ID端对地的阻值只有32欧姆的直流阻抗，因此，主芯片的GPIO49端口的电平由高变低，软件做出相应的中断处理；否则，主芯片的GPIO49端口保持高电平状态。

在所述USB接口的I D端还连接有压敏电阻R4005，将串入的静电短接到地，以保护手机内部系统电路免受损坏。

在本实施例中，软硬件自动识别接入设备的检测机制由GPIO的上拉电路、滤波电路、中断电路以及少量软件逻辑判断组成，通过得到的不同逻辑组合，启动不同的处理。

本实用新型的USB接口电路结构简单，成本低廉，可以实现多种设备的复用，不仅适用于手机、小灵通、步话机等移动通讯设备中，而且还可以广泛地应用其它便携式手持设备中，比如掌上电脑等，为系统运行的稳定性提供了有力保障。

当然，上述说明并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1、一种USB接口电路，其特征在于：包括USB接口、数据开关和音频开关；其中，所述数据开关的开关通路连接在USB接口的数据端与系统的数据通道之间，所述音频开关的开关通路连接在USB接口的数据端与系统的音频通道之间，所述数据开关和音频开关的控制端接收系统中主芯片输出的控制信号，以确定其开关通路的通断状态。

2、根据权利要求1所述的USB接口电路，其特征在于：在所述数据开关中至少包含有两组开关通路，其中一组开关通路连接在USB接口的数据端与系统的USB1.1数据通道之间，另一组开关通路连接在USB接口的数据端与系统的USB2.0数据通道之间；所述数据开关的控制端包括使能端和选择端，分别接收系统主芯片发出的使能信号和通路选择信号。

3、根据权利要求1所述的USB接口电路，其特征在于：在所述音频开关中至少包含有两条开关通路，所述两条开关通路的其中一端分别与USB接口中数据端的差分正极性端和负极性端一一对应连接，另外一端分别与系统音频通道的麦克风信号输入端和音频信号输出端一一对应连接。

4、根据权利要求1至3中任一项所述的USB接口电路，其特征在于：所述USB接口包括5个端子，其中的ID端在系统中通过电感和隔直电容连接音频通道，与所述ID端相插接的耳机的接地端通过另一电感接地。

5、根据权利要求4所述的USB接口电路，其特征在于：所述USB接口的ID端通过滤波电路连接主芯片，并通过上拉电阻连接直流电源。

6、根据权利要求4所述的USB接口电路，其特征在于：所述USB接口的电源端通过防反接电路和防浪涌电路连接系统内部电源。

7、一种便携式手持设备，其特征在于：包括USB接口、数据开关和音频开关；其中，所述数据开关的开关通路连接在USB接口的数据端与系统的数据通道之间，所述音频开关的开关通路连接在USB接口的数据端与系统的音频通道之间，所述数据开关和音频开关的控制端接收系统中主芯片输出的控制信号，以确定其开关通路的通断状态。

8、根据权利要求7所述的便携式手持设备，其特征在于：在所述数据开关中至少包含有两组开关通路，其中一组开关通路连接在USB接口的数据端与系统的USB1.1数据通道之间，另一组开关通路连接在USB接口的数据端与系统的USB2.0数据通道之间；所述数据开关的控制端包括使能端和选择端，分别接收系统主芯片发出的使能信号和通路选择信号。

9、根据权利要求7所述的便携式手持设备，其特征在于：在所述音频开关中至少包含有两条开关通路，所述两条开关通路的其中一端分别与USB接口中数据端的差分正极性端和负极性端一一对应连接，另外一端分别与系统音频通道的麦克风信号输入端和音频信号输出端一一对应连接。

10、根据权利要求7至9中任一项所述的便携式手持设备，其特征在于：所述USB接口包括5个端子，其中的ID端在系统中通过电感和隔直电容连接音频通道，与所述ID端相插接的耳机的接地端通过另一电感接地；所述USB接口的电源端通过防反接电路和防浪涌电路连接系统内部电源。

Images