高速隔离及光学USB的制作方法

本发明一般来说涉及usb装置，且更特定来说涉及usb装置之间的电隔离。

背景技术：

通用串行总线(usb)已成为用于连接装置的系统的普遍存在的机构。usb的扩展已产生具有不同电力需要的各种各样的usb装置。尽管可在usb装置之间发射的最大信令及供应电压按照usb规范而受到限制，但在所连接usb装置之间可存在显著接地不平衡。usb装置之间的接地不平衡导致各种现象的不利状况，例如经由usb连接在装置之间传播的电浪涌、静电放电及接地环路。此类现象可尤其在其中存在高电压的工业环境中是有损坏性的。电隔离防止电现象在装置之间传播。

可使用在模拟usb信号与数字信号之间进行转换的中继器组件来提供usb装置的电隔离。此类常规中继器组件可提供有效电隔离，但可需要复杂且高成本的实施方案来在封包化数字信息与模拟信号之间进行转换。由于此复杂性，以此方式实施的常规电隔离可导致将usb连接的带宽限制于全速(12mbps)。

技术实现要素：

在用于提供两个通用串行总线2.0(usb2)装置之间的电隔离通信的系统、方法及装置的所描述实例中，使用以下各者而提供所述隔离通信：第一数字收发器，其可操作以与第二数字收发器通信，其中所述数字收发器通信是数字信号，且其中所述数字收发器通信是经由电隔离通信接口而进行；第一隔离嵌入式usb2.0(eusb2)中继器，其耦合到所述第一数字收发器且进一步耦合到第一usb2装置，所述第一隔离eusb2中继器可操作以在和所述第一usb2装置的usb2通信与所述数字信号之间进行转换，且进一步可操作以将所述数字信号传递到所述第一数字收发器；及第二隔离eusb2中继器，其耦合到所述第二数字收发器且进一步耦合到第二usb2装置，所述第二隔离eusb2中继器可操作以在和所述第二usb2装置的usb2通信与所述数字信号之间进行转换，且进一步可操作以将所述数字信号传递到所述第二数字收发器。

在其它实例中，所述信号的所述转换基于所述第一usb2装置与所述第二usb2装置之间的连接的通信速度。在其它实例中，基于检测到从所述第一usb2装置或所述第二usb2装置的上拉而配置所述第一隔离eusb2中继器的职责及所述第二隔离eusb2中继器的职责。在其它实例中，所述电隔离通信接口包含以下各者中的一者：光学接口、视线接口、射频接口、电容式接口或电感式接口。在其它实例中，所述第一eusb2隔离中继器及所述第二隔离eusb2中继器使用非晶体振荡器来进行计时功能。在其它实例中，所述第一隔离eusb2中继器可操作以将从所述第一usb2装置接收的usb2包结束信号转换为单个数字脉冲，且其中所述单个数字脉冲经由所述第一数字收发器及所述第二数字收发器而被传递到所述第二隔离eusb2中继器。在其它实例中，所述第二隔离eusb2中继器可操作以接收所述单个数字脉冲，且进一步可操作以将所述单个数字脉冲转换为usb2包结束信号，所述usb2包结束信号被传递到所述第二usb2装置。在其它实例中，所述第二隔离eusb2中继器通过驱动se0状态达所述单个数字脉冲的持续时间且通过驱动j状态达所估计单位间隔而转换所述usb2包结束信号。在其它实例中，所述第一隔离eusb2中继器可操作以检测所述第一usb2装置中的经延长高速空闲状态，且进一步可操作以基于所述第一usb2装置对j状态及啁啾k信号的检测而导出所述第一usb2装置的总线状态。在其它实例中，所述第一隔离eusb2中继器可操作以基于对由所述第一usb2装置及所述第二usb2装置发射的握手及令牌包的检测而检测所述第一usb2装置中的睡眠状态。

附图说明

图1是常规eusb2中继器系统的特定组件的框图。

图2是常规eusb2到usb2.0隔离系统的特定组件的框图。

图3是根据某些实施例的usb隔离系统的特定组件的框图。

图4是根据某些额外实施例的usb隔离系统的特定组件的框图。

图5是根据某些实施例的用于提供高速usb隔离的过程的特定步骤的流程图。

具体实施方式

随着特定usb装置的尺寸减小，此类小尺度usb装置的电力需要相应地减小。为了支持此类小尺度低电力usb装置的持续发展，usb2.0(usb2)标准延伸到提供针对嵌入式usb2.0(eusb2)装置的规范。usb2装置经由一对差分数据线使用模拟信令进行通信。eusb2规范使用数字信令协议用于eusb2装置之间的通信。eusb2中继器是可在usb2模拟信令与eusb2数字信令之间进行转换的组件。

图1描绘在数字eusb2接口与模拟usb2.0接口之间实施中继器的常规usb系统。所述常规系统包含连接到标准usb2装置120的eusb2装置105。eusb2装置105经配置以使用一对双向ed+/ed-数字发射线115进行通信。usb2装置120使用模拟dp/dm数据信号线125进行通信。常规eusb2中继器110提供模拟dp/dm数据信号125与eusb2ed+/ed-数字发射信号115之间的双向转换。除提供转换之外，常规eusb2中继器110还经配置以代理eusb2装置105与usb2装置120之间的通信。

常规eusb2中继器110具有两组端口，一组端口经配置以用于usb2通信且另一组端口经配置以用于eusb2通信。在上游方向上，经由usb2.0规范中所陈述的通信，常规eusb2外围中继器110经由dp/dmusb2端口与usb2装置120通信。在下游方向上，经由eusb2规范中所陈述的通信，常规eusb2外围中继器110经由ed+/ed-eusb2端口与eusb2装置105通信。在下游方向上，经由usb2.0规范中所陈述的通信，常规eusb2主机中继器110经由dp/dmusb2端口与usb2装置120通信。在上游方向上，经由eusb2规范中所陈述的通信，常规eusb2主机中继器110经由ed+/ed-eusb2端口与eusb2装置105通信。

在转换usb2装置120与eusb2装置105之间的通信时，常规eusb2中继器110依赖于从eusb2装置接收的eusb2通信的某些方面。特定来说，常规eusb2中继器110依赖于与eusb2顺从控制消息相关联的计时信息及由eusb2装置105通信提供的包编码。常规eusb2中继器110使用这些eusb2顺从控制消息及包编码作为其在将特定eusb2输入转换为usb2输出时及在管理特定usb2总线状态转变时使用的计时信息的来源。

举例来说，在全速及低速usb通信期间，eusb2装置105使用eusb2ed+/ed-数据线115上的一对计时电压脉冲将eusb2包结束(eop)信号编码。常规eusb2中继器110使用第一计时脉冲来通过将dp/dm数据线125驱动为低而触发对这两个数据线上的单端零se0状态的驱动。常规eusb2中继器110继续驱动se0信号直到从eusb2装置105接收到第二计时脉冲为止。在第二脉冲的持续时间内，常规eusb2中继器110驱动dp/dm数据线125上的j状态，因此完成eusb2eop输入到usb2eop输出的转换。由常规eusb2中继器110进行的此过程是异步的，因为在全速及低速eopeusb2输入与usb2eop输出之间不发生时钟延迟且不使用时钟来区分这两个脉冲。

全速及低速eop信号在另一方向上的转换同样地由常规eusb2中继器110异步地完成。usb2装置120通过驱动dp/dm数据线125上的se0状态、接着驱动j状态而用信号发送eop。在dp/dm数据线125上的se0状态的持续时间内，常规eusb2中继器110在ed+/ed-数据线115上产生脉冲，因此产生eusb2eop输出。

以此方式，在不对在usb2装置120与eusb2装置105之间发射的数据重新计时的情况下，常规eusb2中继器110在usb2装置120与eusb2装置105之间转换全速及低速eop信号。这样做，常规eusb2中继器110依赖于在eusb2全速及低速eop输入中提供的计时信息来导出正确计时以产生将usb2eop信号编码的输出序列。

常规eusb2中继器110依赖于由eusb2装置105提供的计时或内部信息而代理usb2装置120与eusb2装置105之间的通信的另一方面在usb2装置120于高速下操作时的复位及暂停(l2)总线状态转变之间是有区别的。外围usb2装置120对复位或暂停总线状态的改变由usb2dp/dm输入125上的经延长空闲状态指示。所述经延长空闲状态传播到eusb2装置105。在检测到usb2装置120的经延长空闲状态后，eusb2装置105即刻发出控制消息，常规eusb2中继器110使用所述控制消息来确定usb2装置120的当前总线状态。以此方式，常规eusb2中继器110依赖于由eusb2装置105控制消息提供的计时信息来管理usb2装置120的总线状态转变，且因此代理eusb2装置105与usb2装置120之间的通信。

在usb2主机系统对usb2装置的暂停或复位后，常规主机中继器即刻起始复位或暂停且立即改变状态，从而导致对外围装置的经延长高速空闲的检测。无论中继器是配置为主机还是外围中继器，eusb2中继器均依赖于相关联eusb2装置来经由控制消息提供对复位及暂停总线状态改变的指示。

常规eusb2中继器110不包含准确时钟，这是因为管理usb2总线状态转变所必需的计时及/或内部信息是由常规eusb2中继器110依据由eusb2装置105经由控制消息提供的输入信号而导出。因此，常规eusb2中继器110相依于由eusb2装置105提供的计时信息及/或内部状态。在没有由eusb2装置提供的计时信息及/或内部状态的情况下，常规eusb2中继器110不能在于高速下操作的usb2装置120的复位及暂停总线状态改变之间进行区别，且由于常规eusb2中继器110预期来自eusb2的eop信号的两个脉冲而不能转换从usb2到eusb2及回到usb2的全速及低速eusb2eop信号。

常规eusb2中继器110可经修改以包含准确时钟来弥补缺失的内部状态信息或复制由eusb2装置105提供的计时能力。更具体来说，常规eusb2中继器110可使用此准确时钟来提供用于产生usb2eop输出序列的计时信息且在由usb2.0标准定义的计时参数内检测usb2dp/dm数据线125上的经延长空闲状态。将常规eusb2中继器修改为包含在无计时信息(由eusb2包编码提供)及控制消息(由eusb2装置提供)的情况下起作用所必需的时钟硬件将导致常规eusb2中继器的成本及复杂性的显著增加。

对由eusb2装置提供的计时信息的依赖妨碍常规eusb2中继器经由其ed+/ed-eusb2端口连接到另一常规eusb2中继器的能力。两个常规eusb2中继器不能支持其间的全usb通信，这是因为常规eusb2中继器缺乏检测经延长空闲状态及预期待使用两个计时脉冲编码的全速及低速eusb2eop信号所必需的时钟硬件。

图2描绘使用常规eusb2中继器245实施eusb2装置205与usb2装置220之间的电隔离的常规usb系统。在图2的常规系统中，经由光学接口提供隔离。常规eusb2中继器245提供eusb2装置205与usb2装置220之间的隔离通信。eusb2中继器245与光学收发器240一起形成于集成组件235内，光学收发器240在光学发射中将数字eusb2数据发射到光学收发器210。如上文所描述，常规eusb2中继器245依赖于由eusb2装置提供的计时信息且因此限于隔离eusb2装置205与usb2装置220。因此，常规eusb2中继器245不能支持两个usb2装置之间的隔离通信。

图3图解说明根据各种实施例的使用两个隔离eusb2中继器345及360实施电隔离的系统。隔离eusb2中继器345及360经配置以能够与类似地不包含提供计时信息所必需的时钟硬件的其它eusb2中继器或其它类似eusb2组件通信。隔离eusb2中继器345及360能够支持转换从eusb2到usb2的全速及低速eop信号且能够检测指示从usb2高速通信到复位或暂停总线状态的转变的经延长空闲状态。隔离eusb2中继器345及360在不依赖于eusb2计时脉冲eop信号或eusb2控制消息的情况下支持这些能力。并且，隔离eusb2中继器345及360在不使用准确时钟的情况下支持这些能力。

某些隔离eusb2中继器实施例可使用在实施特定计时功能时使用的非晶体振荡器，例如环形振荡器。然而，此类不准确时钟不适于产生计时脉冲信号或用于以由eusb2标准定义的方式准确地检测usb2总线状态改变并用信号发送所述改变。因此，eusb2中继器345及360经配置以使用替代机构来在无计时脉冲eop编码的情况下发射包且在不依赖于eusb2控制消息的情况下管理总线状态改变。

在所图解说明的实施例中，标准usb2装置305连接到另一标准usb2装置320。两个usb2装置305及320分别按惯例使用模拟dp/dm数据信号线315及325进行通信。在所图解说明的实施例中由隔离eusb2中继器345及360提供电隔离，隔离eusb2中继器345及360经配置以跨越隔离阻障330发射在usb2装置320与305之间传递的数据。eusb2中继器345及360经配置以使用由光学收发器310及340跨越隔离阻障300发射的经修改eusb2协议进行通信。

在图3的实施例中，隔离eusb2中继器345及360经由被光学收发器310及340支持的光学通信连接330而电隔离usb2装置320与305。光学收发器310及340用于在隔离eusb2中继器345与360之间发射数字信号数据。对于从usb2高速通信的总线状态改变，所发射数字信号数据表示使用如所描述修改的eusb2协议传递的经检测usb2总线状态。usb2装置305与其相关联隔离eusb2中继器360之间的通信及usb2装置320与其相关联隔离eusb2中继器345之间的通信使用针对usb2到eusb2通信定义的常规eusb2编码。

在所图解说明的实施例中，光学收发器340与隔离eusb2中继器345一起是集成组件335的一部分，其中集成组件335与usb2装置320物理定位在一起。光学收发器310及隔离eusb2中继器360形成与usb2装置305物理地定位在一起的另一集成组件355。在其它实施例中，由隔离eusb2中继器及光学收发器两者组成的集成组件可与usb2装置320或305中的仅一者物理地定位在一起。某些实施例可以不使用集成组件且可由个别隔离eusb2中继器及收发器组件组成。

隔离eusb2中继器345按惯例使用模拟dp/dm数据信号线325与usb2装置320进行通信。隔离eusb2中继器345在由usb2装置320使用的模拟dp/dm数据与低电压ed+/ed-数字数据之间进行转化，所述数字数据用于在隔离阻障330的另一侧上与隔离eusb2中继器360进行通信。隔离eusb2中继器345经由至少一对信号线350连接到光学收发器340，每一对信号线350由专用发射及接收线组成。隔离eusb2中继器345经由这些对的信号线350将低电压数字eusb2数据传递到光学收发器340。光学收发器340将数字eusb2数据转化为光学数据，所述光学数据接着经由光学发射330发射到位于usb2装置305处的光学收发器310。

光学收发器310接收光学数据且将其转化为低电压数字信号eusb2数据，所述数据接着被提供到隔离eusb2中继器360。隔离eusb2中继器360将低电压eusb2数字信号数据转化为usb2dp/dm信号。由于隔离eusb2中继器345不包含产生此类信号所需的准确时钟，因此由隔离eusb2中继器360接收的eusb2数字信号数据不包含用于全速及低速eop信号的计时脉冲。此外，由隔离eusb2中继器345接收的eusb2数字信号数据可不包含指示高速总线状态改变的eusb2控制消息。如果隔离eusb2中继器345提供指示经延长空闲状态的控制消息，那么不保证任何此类控制消息的计时都在由eusb2标准规定的参数内。因此，根据各种实施例，隔离eubs2中继器345及360经配置以使用替代机构来在不依赖于准确计时控制消息或不依赖于所有控制消息的情况下转换eop信号及管理总线状态改变。

不同于关于图1所描述的常规中继器110，隔离eusb2中继器345及360能够在没有经由用于将eusb2eop信号编码的计时脉冲对提供的计时信息的情况下支持用于全速及低速usb连接的eop信号的转换。替代地，隔离eusb2中继器345及360经配置以使用非顺从eusb2信令来产生usb2eop信号，所述eusb2信令使用所估计计时信息。

高速eop信号在eusb2及usb2规范中是相同的。因此，在其中命令从usb2装置320流动到usb2装置305的情境中，隔离eusb2中继器345在不将发射重新计时或解码的情况下将高速eop信号从usb2装置320转发到usb2装置305，因此用作用于高速eop信号的再驱动器组件。在某些实施例中，隔离eusb2中继器345及360充当用于所有高速通信的再驱动器，这是因为eusb2及usb2协议在高速信令上具有最小差异。因此，在高速通信会话期间，根据某些实施例，隔离eusb2中继器345及360可用作转发所有所接收eusb2及usb2数据而不尝试将数据解码或重新计时的再驱动器。

为了支持跨越光学隔离阻障330的eusb2全速及低速通信，隔离eusb2中继器345及360经配置以使用按惯例在usb2到eusb2方向上使用的eusb2eop编码。因此，响应于来自usb2装置305的usb2eop信号，隔离eusb2中继器360在从usb2装置305接收到eop信号的se0分量时发射单个脉冲。所述单个脉冲由光学收发器310及340跨越隔离阻障330而中继。在接收到所述单个脉冲后，隔离eusb2中继器345经配置以即刻产生发射到usb2装置320的对应usb2eop信号。隔离eusb2中继器345通过在接收到所述单个脉冲时驱动se0状态且在大约一个单位间隔内驱动j状态而在dp/dm连接325中产生usb2eop信号，其中在不使用准确时钟信号的情况下产生所估计单位间隔的长度。如所描述，某些隔离eusb2中继器实施例将使用例如环形振荡器等组件来估计单位间隔的长度。

依赖于由eusb2装置提供的计时或本地状态信息的常规eusb2中继器的另一方面是确定usb2装置从高速的总线状态转变。如所描述，常规eusb2中继器不包含检测经延长空闲状态所必需的准确时钟硬件，所述经延长空闲状态触发改变终端及确定经延长空闲是否与复位或暂停状态相关联。因此，常规eusb2中继器依赖于由eusb2装置发送的控制消息来退出高速(l0)状态，且无论中继器是主机中继器还是外围中继器均针对暂停(l2)回复到全速终端，并且在中继器是外围中继器且其usb2端口连接到主机的情况下针对usb2复位回复到全速终端。

解决这些问题，根据各种实施例，隔离eusb2中继器经配置以检测usb2装置何时从高速状态复位或暂停或者在从高速状态暂停时断开连接。下文参考图5描述此检测过程的步骤中的某些。参考图3，隔离eusb2中继器360在确定到usb2装置305的连接315中的经延长高速空闲状态505后或在于空闲计时器到期时从隔离eusb2中继器345接收到总线状态消息后即刻开始此检测过程。在某些实施例中，eusb2中继器360使用例如环形振荡器等非晶体计时机构来检测至usb2装置305的连接中的经延长空闲状况。

在检测到经延长高速空闲状态后，隔离eusb2中继器360启用上拉、停用其高速终端510且监测全速j状态信号515。如果检测到全速j状态520，那么指示usb2装置305的l2/暂停525。隔离eusb2中继器345及360两者还监测来自usb2装置305的啁啾k信号530，这将指示535对usb2复位的响应。以此方式，eusb2中继器345及360确定空闲状态是否对应于usb2装置305的usb2复位或l2/暂停。

基于对usb2装置305的l2/暂停或复位进入的此确定，隔离eusb2中继器345及360可经由隔离阻障传递总线状态消息且相应地更新其内部状态。在某些实施例中，隔离eusb2中继器345及360被以相同方式配置且两者均能够确定上游usb2装置的暂停或复位及下游usb2装置320的暂停或断开连接。在某些其它实施例中，隔离eusb2中继器345及360并不被以相同方式配置使得所述隔离eusb2中继器中的仅一者经配置以检测经延长高速空闲及/或监测总线状态信号，从所述总线状态信号可导出总线状态。其它实施例可使用额外或不同技术来在不完全依赖于eusb2顺从控制消息的情况下检测usb2装置的连接315或325的暂停、复位或断开连接状态。

在无eusb2装置(例如105或205)的情况下不可用的另一eusb2控制消息是指示usb2装置进入睡眠状态的l1控制消息。此l1控制消息是在为了回复到全速终端而以高速操作时发出。常规eusb2中继器依赖于eusb2装置来基于包交换而检测l1状态转变，所述包交换可需要用于l1控制消息的编码及后续发出的准确时钟及时钟与数据恢复电路。隔离eusb2中继器经配置以在无l1控制消息及无准确时钟或数据恢复电路的情况下检测l1状态转变。

根据各种实施例，隔离eusb2中继器经配置以监测从高速到l1睡眠状态的转变的替代指示。参考图3，隔离eusb2中继器345针对来自usb2主机/集线器下游端口装置320的两个令牌包的序列而监测dp/dm信号路径325且监测来自usb2外围/集线器上游端口装置305的单个握手包。隔离eusb2中继器345基于令牌及握手包的长度及包间间隙而对其进行识别。在检测到两个令牌包的序列后续接着单个握手包后，隔离eusb2中继器345进一步经配置以监测在所识别序列的10μs内的高速通信。如果未识别出此类高速通信，那么确认l1状态且将其传递到usb2装置320。

在某些实施例中，隔离eusb2中继器345及360被以相同方式配置且任一者或两者监测指示l1总线状态进入的所描述包序列。在某些其它实施例中，隔离eusb2中继器中的仅一者经配置以监测l1状态转变，且使用总线状态消息在隔离eusb2中继器之间发射总线状态确定。

在无eusb2装置(例如105或205)的情况下不可用于eusb2中继器的另一组eusb2控制消息是主机及外围控制消息。常规eusb2中继器基于从eusb2装置接收的控制消息而被配置为主机中继器或外围中继器。为了配置包含根据某些实施例的隔离系统的隔离eusb2中继器的职责，隔离eusb2中继器345及360两者经配置以默认为主机模式。隔离eusb2中继器345及360两者监测来自其相关联usb2装置的上拉。检测来自其相关联usb2装置的上拉的隔离eusb2中继器被配置为主机中继器。不检测上拉的另一隔离eusb2中继器被配置为外围中继器。

在某些实施例中，因两个隔离eusb2中继器之间的信令而产生外围中继器配置。在某些其它实施例中，隔离eusb2中继器具有作为主机或外围中继器的固定职责，其中一个中继器总是主机中继器且另一个总是外围中继器。

图4图解说明根据各种实施例的隔离eusb2中继器的使用，所述隔离eusb2中继器经配置以使用能够支持由隔离eusb2中继器420及440使用的eusb2数字信令的可配置隔离阻障而提供对两个usb2装置405及450的高速隔离。隔离eusb2中继器420经由常规dp/dm模拟信令410而与usb2装置405通信。隔离eusb2中继器440同样地经由常规dp/dm模拟信令445而与usb2装置450通信。

在某些实施例中，数字隔离器430包含关于图2所描述的光学收发器及支持收发器之间的高速电隔离光学发射的光纤。在其它实施例中，数字隔离器430将使用不同隔离发射媒体替代光学通信。举例来说，某些实施例可使用视线通信代替光纤。其它实施例可使用能够支持数字通信的电感式或电容式通信接口。其它实施例可使用射频发射来实施数字隔离阻障。某些实施例可允许数字隔离器430经配置使得可选择不同隔离媒体来由数字隔离器使用。

在图3的实施例中，通过在例如光纤链路等机构上经由光学发射330进行通信的光学收发器310及340而支持光学通信。使用其它类型的隔离阻障的实施例将使用经配置以跨越由实施例使用的隔离阻障类型提供数字通信的收发器。在所图解说明的实施例中，两个隔离eusb2中继器420及440与数字隔离阻障430一起并入于集成组件415中。其它实施例可不使用集成组件或可使用替代组件群组。

由于根据各种实施例的隔离eusb2中继器的所描述能力，因此，可提供支持高速usb通信的隔离阻障。通过使用由如所描述调适的eusb2提供的数字信令设施，可由隔离eusb2中继器以不使用准确时钟且不依赖于eusb2顺从控制消息的接收的方式提供高速通信。替代地，根据实施例的隔离eusb2中继器可使用例如环形振荡器等非晶体振荡器来实施计时功能。由检测从高速的l1进入的所描述方法产生的额外简化是缺乏串行化器/解串行化器组件。在常规eusb2装置中，串行化器/解串行化器将给隔离中继器添加显著复杂性。由于这些简化，可以与其它可能隔离中继器实施方案相比的低成本及复杂性提供根据实施例的隔离eusb2中继器。

修改在所描述实施例中为可能的，且其它实施例在权利要求书的范围内为可能的。