基于CPLD的USB总线的隔离接口实现

liyf

                    　　摘要：本文详细介绍了 USB总线的光隔离接口的隔离原理、硬件组成及控制程序的设计。该实现方案采用先进的高速光隔离技术和 CPLD控制技术，对基于 USB的测试与测量的设备、人体起保护作用并保持数据信号的完整性。
　　1 引言
　　大容量数据的高速传输是存储技术的研究的热点技术，而在工业环境的数据传输中抗干扰技术以及医疗设备对人身的安全也是目前研究的热门课题，USB（Universal Serial Bus）是 “通用串行总线”。它是一种应用在 PC领域的接口技术。其主要优点是：可以热插拔、携带方便、标准统一，因而得到了广泛的应用。 USB用于测试与测量应用的优势很多，使用 USB接口的设备也与日俱增，例如数码相机、扫描仪、图像设备、医疗设备、打印机等等。在工业环境自动化程度较高的现场，医疗设备对人体信息的提取和诊断，大量信息数据的获取与存储往往应用快速的 USB接口来实现，而目前的 USB接口对工业干扰非常敏感，在医疗上对人身安全存在隐患，USB的隔离应用是基于 PC平台的医疗设备和具有很大地电位差的工业应用。本文提出基于 CPLD的 USB隔离技术，实现了 USB总线的可靠安全通信，在工业现场和医疗设备通信接口中发挥着重要作用。
　　2 系统硬件构成及工作原理
　　全速(12Mbps) USB连接的光隔离，12Mbps的速度可满足一般数据传输的带宽要求，设计中使用廉价耦合器，支持足够的数据传输速率。 USB连接器包含四条线：2条用于电源供电(VBUS和 GND)，2条用于 USB数据传输(D+和 D-)。VBUS提供 5V电源,电流可达 500mA。D+和 D-为双向信号线，信号传输速率为 12Mbps (每位 83ns)。D+和 D-信号电平为 3.3V。图 1所示隔离 USB接口组成框图，系统主要由 USB收发器 SP5301、光藕电路、主控芯片 CPLD、USB四口 HUB电路 TUSB2046B、电源隔离五部分构成。







　　设计实现应用 XILINX公司的集成开发环境 ISE6.3,用 VHDL语言进行描述，采用自顶向下的方法进行设计。考虑到系统的对称性，在此仅画出下游的控制逻辑关系，图 3所示为下游监测与控制的逻辑关系框图，上游没有 down_suspend监测和复位产生电路，其它完全一致。






　　5 结论
　　本设计的主要创新点在于 USB总线的协议的复杂性和快速性为设计实现必须面对许多的挑战，能在分析协议的基础上利用 CPLD解决了 USB总线隔离的问题，巧妙的检测信息包起始、快切换和包结束的难题，克服了传输信息包结束慢上拉与过渡，保证系统的完整性。在各种不同传输信号中，采用各自不同的处理方式，不影响传输线的指标和参数，使系统稳定可靠，该设计在实际的医疗设备对人体测试中达到了预期的效果。实验结果也证明，在后序的网络信息安全的具有生物特征识别功能的 USB研究中提供重要的指导意义。