USB接口的几种隔离方案
2008-07-09
作者：王 军, 孙汉华
目前计算机的USB接口已经大量使用，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。下面介绍几种对USB接口的隔离保护方案。
1 波仕电子的USB光电隔离技术
USB信号D+、D-转换为光电信号原理框图（即USB信号检测电路）如图1所示。图中，“光发射”是其中一个光电隔离器" title="隔离器">隔离器的LED发光二极管，而“光接收”则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电路的一半，另外一半完全相同，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）。
（1）将D+和D-分别变换为“或”门输出DOR1和差分比较器输出RCV1。
（2）通过控制端EN来控制逻辑“通”与“断”。当EN=“0”时，DOR=DOR1、RCV=RCV1；而当EN=“1”时，DOR和RCV为高阻状态。光发射驱动电路将DOR和RCV转换为三种" title="三种">三种光强度（亮、半亮、暗）。光接收电路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。光接收电路的输出之一H的状态变化触发单稳延时电路。单稳延时电路的输出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1000?滋s，然后恢复为“0”。另一双可控三态缓冲器通过控制端EN来控制逻辑“通”与“断”，当EN=“1”时，输出VP=H、VM=L；而当EN=“0”时，输出VP、VM为高阻状态。波仕电子的这种技术已经取得专利（专利号：ZL02284234.1）。
2 无线USB隔离方案
尽管无线方案存在干扰、保密性能差的缺点，采用无线方案的USB口已实现了绝对电气隔离" title="电气隔离">电气隔离。但通常所见到或者使用的无线USB发射器配套的外设（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，如U盘、USB/RS-232转换器等。
目前，在此领域公开宣布有产品的只有美国贝尔金" title="贝尔金">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超宽带UWB（UltraWideBand）芯片制造商Wisair。经过重新设计之后，这款USB Hub又最终在2007的CES上发布了，供大家销售和评测。评测的结果表明，该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(型号为F5U301的价格为200美元)。Cable Free对U盘和移动硬盘的实际读取速率约1.5MBps。这款产品实际上是使用了UWB技术的无线USB扩展器，代替了比较常见的 802.11b/g或者蓝牙技术。也就是,一个可以接入USB设备的四口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。
将实物产品打开外壳后可以见到hub面板上的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。
3 特定用途的USB隔离方案
在某些工业通信场合使用的是RS-232串行口（或者RS-485口）。早期的计算机本身带RS-232串行口，但是最近几年，计算机特别是笔记本电脑都已经取消了RS-232串行口，而是都增加了USB口。这就需要从USB口经过USB/RS-232转换器生成出RS-232串行口（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" title="串口">串口再接一个RS-232光电隔离器，波仕电子的典型产品是如图2所示的USB232和BS232-9的组合。对USB口转换出的RS-232串口加无源光隔RS-232/RS-485转换器可以增加光电隔离的RS-485口，其波仕的典型产品是USB232和485TA的组合。这两种组合方式大大简化了USB口的隔离方案，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，则最好就采用这种将USB转换成为隔离串口的方案。
如果USB口用于接打印机，其实现隔离的方法就可以选用USB打印服务器。USB打印服务器就是通过将计算机的以太网转换出用于接打印机的USB口。而以太网本身是采用变压器隔离的，这就自然实现了USB的变压器电气隔离方案。这种打印服务器安装后虚拟出一个打印口，从原理上讲也就只能够接打印机。也许有人问，如果先从USB口经过USB/以太网转换器生成一个以太网口，然后在这个以太网口上再接一个USB打印服务器，是不是就可实现USB到USB的直接隔离呢？这种方案虽然实现了USB的电气隔离，但是原理以及软件的使用与以太网直接转USB的打印服务器方案是一样的，并不是真正意义的USB直接隔离，而且还是只能够接打印机。
4 实现USB电气隔离的技术难点
当初USB的出现是为了统一计算机的各种外设接口，取代PS/2鼠标口、键盘口、打印口等，特别是取代苹果的Fieware（火线）甚至IEEE-1394口。为了在与后者的竞争中取得优势，USB的引脚数就不可能多于后者的4个。而地线、电源线就占了2个，信号线就只剩余2个了。这与传统的PS/2、RS-232、打印口、以太网都有空余线的做法大不一样。同时这样做的结果使得USB的改进（除了速度改进）余地很小，特别是电气隔离的改进非常困难。USB口的电气隔离技术改进的难点就在于缺少USB的方向信号，而USB的两个信号线D+和D-又是不分方向的。USB信号流的方向是靠D+、D-两个信号的幅值一起来判断的，而且并不是它们的差值。在USB光电隔离方案、无线电气隔离方案以及以太网隔离的方案中，难点都在于将USB信号怎样分开为发送与接收两部分。如果USB口本身有一个能够表明数据是发送还是接收的信号线，那么USB的电气隔离就容易多了。
在现有的USB2.0以及USB1.0版本中都缺少一根表明USB数据方向（发送还是接收）的信号线，而指望USB标准增加专门的这根方向标志线是不现实的。因为USB的接头机械标准就是4根线，是不可能改变的。作者认为USB标准最有可能的改进在于电源线（+5V）。目前的电源线永远是固定的+5V（或者低电压版的+3.3V），其实可以在这根线中增加瞬时低电平脉冲信号作为USB信号方向标志。这个瞬时低电平脉冲信号只用于表明发送一帧数据的开始，并不一定需要在整个发送数据的时间段一直保持低电平，而且电平也不需要低至0，只要低至高电平的2/3还可以识别即可，这样的瞬时低电平并不明显影响USB口对外设的供电能力。然而这些问题的解决只能够指望将来可能的USB3.0版本了。
参考文献
[1] 黄丽.USB信号的光纤传输技术.电子技术应用,2005,(12).
[2] 曾智伟. 历史前进的一小步！贝尔金无线USB评测.http://www.benber.com/bbs.2007-03-09.