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480M高速USB2.0的隔离方案

武汉波仕电子有限公司
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1、USB隔离器的现状

    首先从原理上实现USB隔离很困难,指相比传统的RS-232/485口、以太网口等的隔离而言。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—又是不分方向的而且速率高、幅值-信号的定义比较复杂。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。为了实现USB隔离方案就必须增加高速接口电路提取出方向信号进而将D+和D—信号分解成为双向的高速SPI信号再加光电隔离器或者磁电隔离器。现在USB隔离器没有普及还有成本原因:传统的鼠标、键盘等USB设备价格便宜,但是增加DC/DC隔离电源以及USB隔离器的成本可能已经大大超过了鼠标和键盘本身的成本。

    波仕电子一直在提供USB隔离的解决方案,近几年产品价格已经降到了原来的1/4。型号为BS-USB4的USB光电隔离HUB解决了这个问题,实现了USB全速12M以及USB低速1.5M的无源隔离。BS-USB4使用非常简单,与一根普通的USB HUB的使用是一样的,大小也是差不多的。BS-USB4产品的上位机侧(B型USB座)通过USB电缆(打印线)外插计算机的USB插座。BS-USB产品的下位机侧为4个A型插座,都可以外接比如U盘、USB/RS-232转换器、USB鼠标、键盘等。也就是说,当BS-USB4外插计算机的USB口时,BS-USB4就相当于是4个已经隔离的USB口。由于BS-USB4自带隔离DC/DC并且自耗一定功率,所以对外驱动能力略小于原计算机USB口的驱动能力。BS-USB4特别适合具有USB口的医疗仪器、高电压数据测控设备、人机接口设备等。因为BS-USB4的使用与普通的(非隔离的)USB HUB是一样的,所以是不需要驱动程序的。BS-USB4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-USB4支持各种操作系统,Windows /Mac/Android等都可以。

    今天大量的用户已经不再满足于BS-USB4产品的USB全速和低速隔离的性能,希望波仕提供USB高速480M的隔离器。

2、实现480M高速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Fireware(火线)甚至IEEE-1394口。为了在与后者的竞争中取得优势,USB的最高速率就得向Fireware800的800M看齐,于是在USB1.0推出不久就紧接着推出了高速USB2.0,速率从12M增加到了480M。我们暂时不谈后来还出现了最高速率为4800M的USB3.0。USB2.0的速率增加40倍到480M就给传统的USB隔离方案增加了难度,传统的光电隔离器以及磁电隔离器都无法达到这么高的速率,只有借助于光纤通信。光纤由于传输的是光信号,天然就是电气隔离的。由于近年来光纤通信技术的发展,目前实现480M高速通信的技术已经有成熟的方案。

    在现有的USB2.0版本缺少一根表明USB数据方向(发送还是接收)的信号线,但是我们可以对USB标准的电源线(+5V)进行改进。目前的电源线永远是固定的+5V(或者低电压版的+3.3V),我们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到0,只要低到2/3的高电平可以识别即可。而这样的瞬时低电平并不明显影响USB口的对外设供电能力。这样可以大大增加USB的速率。

2、实现480M高速USB电气隔离的全套产品

    波仕电子发明了USB光纤隔离延长器。最新第4代的产品的近端直接接到计算机的USB口。OPET-USB4还做了以下性能改进:1、传输的光纤信号从100M提高到了1000M(1G);2、直接支持USB2.0高速(480M);3、直接支持的USB口数量从1个扩展到了2个;4、支持USB设备的自动插拔。

    在许多情况下,需要将隔离的480M高速USB口接入计算机。仅仅使用电缆是无法实现的,无线也无能为力,必须使用光纤。用光纤来构筑远程USB口的最实用的方法是将计算机的USB口用USB/光纤转换后再在远端加光纤/USB转换器。OPET-USB4是可以将USB用光纤延长最远40Km。

    高速USB光纤隔离器全套包括一个以太网/USB转换器和一对(OPET1GU和OPET1G)光纤收发器。OPET1GU与OPET1G之间用2根LC头光纤相连。波仕的以太网/USB转换器是一种通用的让各种USB设备可以接入以太网的装置,可以接USB存储器、USB摄像头、USB/串口转换器、USB鼠标、USB键盘、USB-HUB等几乎所有USB设备。以太网/USB转换是把以太网口转换为USB口的设备,连接到计算机的一头是以太网口,另外一头连接USB设备。

    使用时将高速USB设备外插到以太网/双USB转换器上,比如如果在USB插座上分别外插U盘和USB-串口转换器,在计算机上运行配套的软件“Virtual Link”会自动显示已经连接U盘和USB-串口,并且会自动查找和安装驱动程序,直到成功连接。然后打开计算机的“资源管理器”就可以读写这个U盘了,打开计算机的“设备管理器”就可以看到这个USB虚拟串口了。这样就实现了光纤隔离的480M高速USB口。


 

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