CN213987490U - 一种应用在神经信号采集设备上的usb接口传输电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及USB接口隔离技术领域，公开了一种应用在神经信号采集设备上的USB接口传输电路，所述USB接口传输电路包括：USB端口，所述USB端口中设置有USB传输芯片，所述USB传输芯片用于完成USB协议的数据传输功能；系统电源，所述USB端口和所述系统电源连接；内部系统控制电路，所述内部系统控制电路与所述系统电源和所述USB传输芯片连接，所述内部系统控制电路用于向所述USB传输芯片传输数据信号和控制信号；电源隔离电路，所述电源隔离电路与所述系统电源连接，所述电源隔离电路用于隔离所述系统电源。

Description

一种应用在神经信号采集设备上的USB接口传输电路

技术领域

本实用新型涉及USB接口隔离技术领域，具体为一种应用在神经信号采集设备上的USB接口传输电路。

背景技术

在神经信号采集设备上使用USB接口进行数据传输时，需要很高的传输速率来支持，尤其是在采集神经元放电信号(Spike信号)时，需要40KSPS至60KSPS的采样率和超过100个导联的数量，至少要求200Mbps的数据传输速率。此类设备属于医疗仪器，对USB接口进行必要的安全隔离，才能保证设备的安全使用。

在对USB接口进行隔离时多选用光耦隔离器或者数字隔离器对接口协议中的D+和D-数据线进行隔离，而本专利所适用的设备所需的数据传输速度达到200Mbps，市场上绝大多数隔离芯片未达到这个标准，且传输量较小，采用目前市场上的隔离芯片，将大大降低设备的传输速率，同时影响设备的性能。而采用高精度高传输速率的隔离芯片，将大大增加设备的器件成本。

专利号CN201420376395.0为公开了一种隔离USB传输电路，属于医疗器械技术领域。本电路由USB口XP1、AM1117-3.3、隔离芯片ADuM4160、模式设置、USB口XP2组成，其特征在于：USB口XP1接入电源+P5V通过精密电源AM1117产生相对独立稳定的电源3.3V，该电源为USB隔离芯片ADuM4160提供能量，芯片的模式，通过模式设置设置完成，USB数据通过ADuM4160隔离传输，经过USB口XP2完成数据发送。这种USB传输电路的优点是：稳定可靠，能满足数据通讯领域高要求。但是，这种隔离USB传输电路仅对USB的数据传输接口进行了隔离，未对USB传输芯片的控制输入/输出端口及系统电源进行安全隔离，同时，这种模式选择的隔离方式，传输速率慢、传输量小。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，现提供一种应用在神经信号采集设备上的USB接口传输电路，以解决神经信号采集设备的隔离芯片传输速率要求高、传输量大且需对神经信号采集设备的USB端口进行更有效的安全隔离的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种应用在神经信号采集设备上的USB接口传输电路，所述USB接口传输电路包括：

USB端口，所述USB端口中设置有USB传输芯片，所述USB传输芯片用于完成USB协议的数据传输功能；

系统电源，所述USB端口和所述系统电源连接；

内部系统控制电路，所述内部系统控制电路与所述系统电源和所述USB传输芯片连接，所述内部系统控制电路用于向所述USB传输芯片传输数据信号和控制信号；

电源隔离电路，所述电源隔离电路与所述系统电源连接，所述电源隔离电路用于隔离所述系统电源。

优选地，所述USB传输芯片采用具有8位或16位数据传输并行接口的USB集成芯片。

优选地，所述USB传输芯片为CY7C68014A芯片。

优选地，所述电源隔离电路中设置有电源隔离芯片，所述电源隔离芯片采用ADUM6000隔离式DC-DC转换器。

优选地，所述USB接口传输电路还包括稳压电路，所述稳压电路与所述电源隔离电路连接，所述稳压电路用于将所述电源隔离电路的电压输出为安全电压并提供至所述内部系统控制电路和所述USB传输芯片。

优选地，所述稳压电路中设置有稳压芯片，所述稳压芯片采用LT1763稳压器。

优选地，所述安全电压的范围为+3.2V至+3.4V。

优选地，所述USB接口传输电路还包括信号隔离电路，所述信号隔离电路连接于所述内部系统控制电路和所述USB传输芯片之间，所述信号隔离电路用于隔离所述内部系统控制电路的数据信号和控制信号。

优选地，所述信号隔离电路中设置有多个隔离芯片。

优选地，所述多个隔离芯片包括4片SI8651芯片、1片SI8662芯片和1片SI8660芯片。

与现有技术相比，本实用新型提供了一种应用在神经信号采集设备上的USB接口传输电路，具备以下有益效果：

1.本实用新型的实施方式提供的应用在神经信号采集设备上的USB接口传输电路采用对USB传输芯片的数据传输并行接口、控制输入/输出端口和系统电源接入端口的传输处进行隔离的传输方式，采用8位或16位数据传输并行接口的USB集成芯片，实现将对隔离芯片的传输速率要求降低至100Mbps，且满足神经信号采集设备上传输速率高于200Mbps的要求；对USB传输芯片的数据并行接口及控制输入/输出端口的隔离等级均达到5KV/min，达到UL1577安全隔离标准；同时，对系统电源进行隔离，隔离等级为5KV/min，保证USB端口的安全隔离；实现神经信号采集设备的传输速率要求高、传输量大的要求且对神经信号采集设备的USB端口进行安全隔离；

2.本实用新型的实施方式提供的应用在神经信号采集设备上的USB接口传输电路采用ADUM6000这种5V隔离式DC-DC转换器作为隔离芯片，采用iCoupler数字隔离技术和isoPowerDC/DC转换器，其功率和隔离额定值分别为0.5瓦和5-kVrms；这种数字隔离器体积小，设计人员可以节省宝贵的电路板空间，且无需耗费大量时间去进行医疗审批；且成本较低，相较于光耦合器节省了近一半的成本；

3.本实用新型的实施方式提供的应用在神经信号采集设备上的USB接口传输电路采用LT1763稳压器，这种稳压器具有低输出噪声；LT1763稳压器可以采用小的陶瓷电容器，而不像其他稳压器那样必需使用串联电阻；LT1763稳压器具有内部保护电路，实现反向电池保护、电流限制、热限制和反向电流保护的作用；

4.本实用新型的实施方式提供的应用在神经信号采集设备上的USB接口传输电路采用SI8651、SI8662和SI8660这三种隔离芯片，4片SI8651可对USB传输芯片的8位输入数据信号和8位输出数据信号进行隔离；而SI8662对USB传输芯片的3个控制信号输入端口的输入信号进行隔离；而SI8662的一个反方向隔离通道和SI8660的6个同方向隔离通道为USB传输芯片的7个控制信号输出端口的输出信号进行隔离。

附图说明

图1为本实用新型提供的一种应用在神经信号采集设备上的USB接口传输电路的结构框图。

图2为本实用新型提供的一种应用在神经信号采集设备上的USB接口传输电路中USB传输芯片的工作电路图。

图3为本实用新型提供的一种应用在神经信号采集设备上的USB接口传输电路中电源隔离电路的工作电路图。

图4为本实用新型提供的一种应用在神经信号采集设备上的USB接口传输电路中稳压电路的工作电路图。

图5为本实用新型提供的一种应用在神经信号采集设备上的USB接口传输电路中信号隔离电路的工作电路图。

图6为本实用新型提供的一种应用在神经信号采集设备上的USB接口传输电路中SI8661芯片的内部工作原理图。

图7为本实用新型提供的一种应用在神经信号采集设备上的USB接口传输电路中SI8662芯片的内部工作原理图。

图8为本实用新型提供的一种应用在神经信号采集设备上的USB接口传输电路中SI8660芯片的内部工作原理图。

图中：1、USB端口；2、系统电源；3、内部系统控制电路；4、USB传输芯片；5、电源隔离电路；6、电源隔离电路；7、信号隔离电路。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

图1示出了本实用新型提供的一种应用在神经信号采集设备上的USB接口传输电路的结构框图。如图1所示，本实用新型的实施方式提供了一种应用在神经信号采集设备上的USB接口传输电路，该应用在神经信号采集设备上的USB接口传输电路可以包括：

USB端口1，USB端口1中可以设置有USB传输芯片4，USB传输芯片4可以用于完成USB协议的数据传输功能；

系统电源2，USB端口1和系统电源2连接；

内部系统控制电路3，内部系统控制电路3可以与系统电源2和USB传输芯片4连接，内部系统控制电路3可以用于向USB传输芯片4传输数据信号和控制信号；

电源隔离电路5，电源隔离电路5与系统电源2连接，电源隔离电路5可以用于隔离系统电源2。

通过上述技术方案，本实用新型的实施方式提供的应用在神经信号采集设备上的USB接口传输电路通过USB传输芯片4传输和接收数据信号和控制信号，并且设置有电源隔离电路5进行安全隔离，从而提高该应用在神经信号采集设备上的USB接口传输电路工作的安全性。

图2示出了本实用新型提供的一种应用在神经信号采集设备上的USB接口传输电路中USB传输芯片的工作电路图。如图2所示，在本实用新型的一种实施方式中，该应用在神经信号采集设备上的USB接口传输电路的USB传输芯片4采用具有8位或16位数据传输并行接口的USB集成芯片。

在一种优选的实施方式中，USB传输芯片4可以为CY7C68014A芯片。CY7C68014A芯片可以提供16个外部数据传输接口中的8个数据传输并行接口来实现数据信号的输入和输出，完成USB协议的数据传输功能；传输速率为480Mbps，实现并行接口传输，传输速率快。

图3为本实用新型提供的一种应用在神经信号采集设备上的USB接口传输电路中电源隔离电路的工作电路图。如图3所示，在本实用新型的一种实施方式中，该应用在神经信号采集设备上的USB接口传输电路的电源隔离电路5中设置有电源隔离芯片。在一种优选的实施方式中，电源隔离芯片可以采用ADUM6000隔离式DC-DC转换器，实现对系统电源2的安全隔离，隔离等级为5KV/min。

本实用新型采用ADUM6000这种5V隔离式DC-DC转换器作为电源隔离芯片，采用iCoupler数字隔离技术和isoPower DC/DC转换器，其功率和隔离额定值分别为0.5瓦和5-kV rms；这种数字隔离器体积小，设计人员可以节省宝贵的电路板空间，且无需耗费大量时间去进行医疗审批；且成本较低，相较于光耦合器节省了近一半的成本。

如图1所示，在本实用新型的一种实施方式中，该应用在神经信号采集设备上的USB接口传输电路还可以包括稳压电路6，稳压电路6与电源隔离电路5连接，稳压电路6可以用于将电源隔离电路5的电压输出为安全电压并提供至内部系统控制电路3和USB传输芯片4。

图4示出了本实用新型提供的一种应用在神经信号采集设备上的USB接口传输电路中稳压电路的工作电路图。如图4所示，在本实用新型的一种实施方式中，该应用在神经信号采集设备上的USB接口传输电路的稳压电路6中设置有稳压芯片，优选地，稳压芯片可以采用LT1763稳压器。LT1763稳压器具有低输出噪声的优点，可以采用小的陶瓷电容器，而不像其他稳压器那样必需使用串联电阻；LT1763稳压器具有内部保护电路，实现反向电池保护、电流限制、热限制和反向电流保护的作用。

在本实用新型的实施方式中，该应用在神经信号采集设备上的USB接口传输电路的稳压电路6用于将电源隔离电路5隔离后的5V电压降至安全电压，并将该安全电压作为工作电压提供至内部系统控制电路3和USB传输芯片4。该安全电压的范围可以在较宽的范围内选择，在本实用新型的一种优选实施方式中，安全电压的范围可以为+3.2V至+3.4V。更优选地，安全电压可以+3.3V。

如图1所示，在本实用新型的一种实施方式中，该应用在神经信号采集设备上的USB接口传输电路还包括信号隔离电路7，信号隔离电路7连接于内部系统控制电路3和USB传输芯片4之间，信号隔离电路7可以用于隔离内部系统控制电路3的数据信号和控制信号。内部系统控制电路3传输的数据信号和控制信号经过信号隔离电路7传输给USB传输芯片4的数据传输并行接口和控制信号输入/输出端口，实现对内部系统控制电路3的数据信号和控制信号的隔离。

图5示出了本实用新型提供的一种应用在神经信号采集设备上的USB接口传输电路中信号隔离电路的工作电路图。如图5所示，在本实用新型的一种实施方式中，该应用在神经信号采集设备上的USB接口传输电路的信号隔离电路7中设置有多个隔离芯片。在一种优选的实施方式中，多个隔离芯片可以包括4片SI8651芯片、1片SI8662芯片和1片SI8660芯片。

图6示出了本实用新型提供的一种应用在神经信号采集设备上的USB接口传输电路中SI8661芯片的内部工作原理图，图7示出了本实用新型提供的一种应用在神经信号采集设备上的USB接口传输电路中SI8662芯片的内部工作原理图，图8示出了本实用新型提供的一种应用在神经信号采集设备上的USB接口传输电路中SI8660芯片的内部工作原理图。如图6、图7和图8所示，SI8651芯片为5通道隔离芯片，具有4个同方向的隔离通道和1个反方向的隔离通道；SI8662芯片为6通道隔离芯片，具有5个同方向的隔离通道和一个反方向的隔离通道；SI8660芯片为6通道隔离芯片，且为同方向隔离通道；SI8651芯片、SI8662芯片和SI8660芯片的每个通道均设置有一套射频发射接收机制；SI8651芯片、SI8662芯片和SI8660芯片的隔离等级均为5KV/min。

USB传输芯片4中10个控制输入/输出端口中3个为控制信号输入端口，其余7个为控制信号输出端口；SI8662芯片为USB传输芯片4的控制信号输入端口提供隔离通道；SI8662芯片和SI8660芯片共同为USB传输芯片4的控制信号输出端口提供隔离通道。本实用新型采用SI8651芯片、SI8662芯片和SI8660芯片这三种隔离芯片，4片SI8651芯片可对USB传输芯片4的8位数据传输并行接口的输入信号和输出信号进行隔离；而SI8662芯片对USB传输芯片4的3个控制信号输入端口的输入信号进行隔离；而SI8662芯片的一个反方向隔离通道和SI8660芯片的6个同方向隔离通道对USB传输芯片4的7个控制信号输出端口的输出信号进行隔离，从而可以对USB传输芯片4的数据信号、控制信号的传输起到更全面、更有效的隔离效果。

工作原理：本实用新型的实施方式提供的一种应用在神经信号采集设备上的USB接口传输电路在使用，内部系统的系统电源2提供+5V电压，电源隔离电路5对系统电源2进行安全隔离；稳压电路6对隔离后的电压进行降压，提供稳定的+3.3V工作电压；将稳压电路6所提供的电压提供给USB传输芯片4和内部系统控制电路3，实现对USB传输芯片4、内部系统控制电路3以及信号隔离电路7的供电；内部系统控制电路3将所需传输的数据信号和控制信号经过信号隔离电路7传输给USB传输芯片4的数据传输并行接口和控制信号输入/输出端口，通过信号隔离电路7中的多个隔离芯片实现对内部系统控制电路3和USB传输芯片4之间传输的数据信号和控制信号的隔离。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种应用在神经信号采集设备上的USB接口传输电路，其特征在于：所述USB接口传输电路包括：

USB端口(1)，所述USB端口(1)中设置有 USB传输芯片(4)，所述USB传输芯片(4)用于完成USB协议的数据传输功能；

系统电源(2)，所述USB端口(1)和所述系统电源(2)连接；

内部系统控制电路(3)，所述内部系统控制电路(3)与所述系统电源(2)和所述USB传输芯片(4)连接，所述内部系统控制电路(3)用于向所述USB传输芯片(4)传输数据信号和控制信号；

电源隔离电路(5)，所述电源隔离电路(5)与所述系统电源(2)连接，所述电源隔离电路(5)用于隔离所述系统电源(2)。

2.根据权利要求1所述的一种USB接口传输电路，其特征在于：所述USB传输芯片(4)采用具有8位或16位数据传输并行接口的USB集成芯片。

3.根据权利要求2所述的一种USB接口传输电路，其特征在于：所述USB传输芯片(4)为CY7C68014A芯片。

4.根据权利要求1所述的一种USB接口传输电路，其特征在于：所述电源隔离电路(5)中设置有电源隔离芯片，所述电源隔离芯片采用ADUM6000隔离式DC-DC转换器。

5.根据权利要求1所述的一种USB接口传输电路，其特征在于：所述USB接口传输电路还包括稳压电路(6)，所述稳压电路(6)与所述电源隔离电路(5)连接，所述稳压电路(6)用于将所述电源隔离电路(5)的电压输出为安全电压并提供至所述内部系统控制电路(3)和所述 USB传输芯片(4)。

6.根据权利要求5所述的一种USB接口传输电路，其特征在于：所述稳压电路(6)中设置有稳压芯片，所述稳压芯片采用LT1763稳压器。

7.根据权利要求5所述的一种USB接口传输电路，其特征在于：所述安全电压的范围为+3.2V至+3.4V。

8.根据权利要求1所述的一种USB接口传输电路，其特征在于：所述USB接口传输电路还包括信号隔离电路(7)，所述信号隔离电路(7)连接于所述内部系统控制电路(3)和所述USB传输芯片(4)之间，所述信号隔离电路(7)用于隔离所述内部系统控制电路(3)的数据信号和控制信号。

9.根据权利要求8所述的一种USB接口传输电路，其特征在于：所述信号隔离电路(7)中设置有多个隔离芯片。

10.根据权利要求9所述的一种USB接口传输电路，其特征在于：所述多个隔离芯片包括4片SI8651芯片、1片SI8662芯片和1片SI8660芯片。

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