USB接口的几种隔离方案

　　目前计算机的USB接口已经大量使用，一般每台计算机都有2到4个USB口。当一台计算机接多个USB外部设备时，如果这些外部设备或者连接电缆中介入了高电压干扰，就可能会烧坏计算机的USB口甚至主板。本文介绍的就是几种对USB接口的隔离保护方案。
　　波仕电子的USB光电隔离技术
　　原理见图1，其中D+、D-为USB信号，“光发射”是其中一个光电隔离器的LED（发光二极管），而“光接收”是另外一个光电隔离器的光敏三极管及其信号放大电路。图1的电路只画出了全部的一半，另外一半是完全一样的，只是将“光发射”对准另外一半电路中的“光接收”（整个为一个光电隔离器）、将“光接收”对准另外一半电路中的“光发射”（整个为另外一个光电隔离器）。

图1

　　图1为将USB信号（D+、D—）转换为光信号的原理框图。USB信号检测电路（1）将D+和D—变换为“或”门输出DOR1和差分比较器输出RCV1。一双可控三态缓冲器（2）通过控制端EN来控制逻辑“通”与“端”。当EN=“0”时，DOR=DOR1、RCV=RCV1。而当EN=“1”时，DOR和RCV为高阻状态。光发射驱动电路（3）将DOR和RCV转换为三种光强度（亮、半亮、暗）。光接收电路（4）将接收到的三种光强度（亮、半亮、暗）恢复为D+和D—的三种状态。光接收电路（4）的输出之一H的状态变化触发单稳延时电路（5）。单稳延时电路（5）的输出EN平时（即USB信号处于闲置状态时）为“0”，当其输入H有下降延（即由“1”变为“0”）时输出EN由“0”变为“1”并且保持为“1”大约1000us，然后恢复为“0”。另一双可控三态缓冲器（2）通过控制端EN来控制来控制逻辑“通”与“断”，当EN=“1”时，VP=H、VM=L，而当EN=“0”时输出VP、VM为高阻状态。

图2

　　波仕USB光电隔离器秉承波仕转换器的一贯特色，具有超小型的外形(50*24*70mm)、支持USB2.0全速（12Mbps）速率、隔离2500V电压、无须外接电源、无须驱动程序。波仕电子的这种技术已经取得专利，ZL02284234.1。波仕USB光电隔离器的使用非常简单，与一根普通的USB延长电缆的使用是一样的。BS-USB产品的上位机侧的电缆为A型插头，直接外插计算机的USB插座。BS-USB产品的下位机侧的电缆为A型插座，用于外接USB设备（比如U盘、USB/RS-232转换器）的插头。也就是说，当BS-USB产品的A型插头外插计算机的USB口时，BS-USB的A型插座就相当于是一个已经隔离的USB口。由于BS-USB自带隔离DC/DC并且自耗一定功率，所以对外驱动能力小于原计算机USB口的驱动能力。BS-USB特别适合具有USB口的医疗仪器、高电压数据采集设备等。
　　当BS-USB只插计算机的USB口而不接外设（比如U盘、USB/RS-232转换器）时，BS-USB产品是不需要驱动程序的。只有将外设插到BS-USB产品上后，计算机才会需要驱动程序，而这个驱动程序与外设直接插计算机的USB口时的驱动程序是一样的。
　　BS-USB仅仅是一个透明的物理隔离，与计算机操作系统无关。自然，BS-USB支持各种操作系统，WindowsXP/2000/Me/98等都可以。
　　无线USB隔离方案
　　采用无线方案的USB口当然实现了绝对电气隔离，尽管无线方案存在干扰、保密性能差的缺点。通常我们见到或者使用的无线USB发射器机器配套的外设（比如蓝牙设备）并不是通用的USB无线隔离方案，因为无线外设并不能够外插标准的USB设备，比如U盘、USB/RS-232转换器等。
　　在此领域公开宣布有产品的目前只有美国贝尔金（Belkin）公司。贝尔金在2006年国际消费电子展（CES）上首次展出这款无线USB Hub （Belkin Cable-Free USB Hub）。这是第一款用上超宽带技术（UltraWideBand technology）的消费产品。但此款产品原先使用的Freescale芯片由于暂时无法和Intel支持的无线USB标准兼容，贝尔金迫不得已只好寻找另外一个UWB（超宽带缩写）芯片制造商Wisair。经过重新设计之后，这款USB Hub又最终发布在2007的CES上了，供大家销售和评测。评测的结果表明，此产品的优点在于安装简易（在WINDOWS XP下），缺点是速度很慢、价格比较贵 (型号F5U301，价格200美圆)。

产品见图3。Cable Free对U盘和移动硬盘的实际读取速率大概只有1.5 MByte/sec。
　　

图3

　　这款产品实际上是使用了UWB技术的无线USB扩展器，代替了我们比较常见的 802.11b/g或者蓝牙技术。简单的表述就是：一个可以接入USB设备的4口hub，只能连接到WinXP SP2系统的电脑上。贝尔金称此款hub支持“USB打印机，照相机，扫描仪，以及其他设备”。但使用手册上却提示不支持具有同步端点的“音频设备”（USB音频类）和一些网络摄影（USB视频类）设备。该无线hub使用Wisair 531 / 502 UWB芯片以及Star STR9104 ARM922-兼容 RISC CPU。配套的USB 发射器也是使用Wisair 531 / 502芯片和USB控制器。
　　工业通信用途的USB隔离方案
　　在某些工业通信的场合，需要从USB口转换出RS-232或者RS-485用于串行通信。这时可以通过对USB口转换出的RS-232串口加RS-232光电隔离器，波仕电子的典型产品是USB232和BS232-9（见图4）的组合。或者采用光电隔离的USB与串口（RS-232/485/422通用）的转换器，波仕的典型产品是USB232GL1（见图5）。这两种方案大大简化了USB口的隔离方法，而且还是无源的。如果两台计算机想通过USB口相互传输数据而且要求隔离，那么最好就采用这种将USB转换成为隔离串口的方案。

图4