基于CPLD的USB隔离威廉希尔官方网站 ，不看肯定后悔

　　1 引言
　　大容量数据的高速传输是存储威廉希尔官方网站 的研究的热点威廉希尔官方网站 ，而在工业环境的数据传输中抗干扰威廉希尔官方网站 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领域的接口威廉希尔官方网站 。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隔离威廉希尔官方网站 ，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。
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　　图1四口光耦USB接口组成框图
　　隔离系统的工作原理：差分信号是以半双工的形式实现的，就是说，数据线的任何一部分都可以传送和接收数据，但是在任意时刻只能进行发送或者只能进行接收，两者不能同时进行。半双工实现要求驱动器在不传送数据时进入高阻抗状态。基于此原理，利用 CPLD的控制能力，使其处于上下游的接收状态，一旦检测到一方有信息包到来，立即进行隔离通路的切换，完成信号隔离通过，且保证信号的完整性。
　　工作过程：外电源接口上电，通过稳压电路提供 5V、3V电压，分别给 CPLD的 I/O口， CPLD核、下游藕合电路、 USB收发器、四口 HUB电路提供电源。CPLD完成复位后，产生控制光耦信号，使上游口上电（由上位机 USB接口提供，节省上位机电源）。 CPLD处于上下游接收状态，当上游差分信号到达 USB收发器后，收发器将差分信号转换为 VP、VM、 RESO三个信号，经光电耦合电路后进入 CPLD检测、处理、切换，再经下游 USB收发器转换为差分信号，送入四口 HUB电路解析处理。反之亦然。
　　3 系统的软件设计与实现
　　CPLD是整个系统的控制核心，软件的设计好坏关系到整个系统的稳定性和可靠性。CPLD采用 XILINX公司的 XC95144XL，具有集成度高、可靠性好及工作速度快等优点，开发软件功能强大、灵活易用、升级方便。考虑到 USB信号速度高，要求切换快，便于升级，功耗低，综合各种因素选用该芯片。CPLD的主要功能是： 1）对 50MHZ的时钟信号进行分频，产生系统所需的各种时钟信号；2）为电源的上电顺序提供监测和控制信号； 3）实时判断信息包并及时为 USB收发器提供转换控制信号；4）为 TUSB2046B提供复位信号，监测四口 HUB的 Suspend信号并产生复位信号为上游设备； CPLD控制逻辑状态转换图如图 2所示，系统上电后，CPLD初始化，并为 TUSB2046B产生足够的复位信号，使其正常稳定工作，然后使自己处于上下游接收状态，若上游有信息包，则立即转换下游处于发送状态，让包信号完全通过，包结束时，又回到上下游接收状态。若下游有信息包时，按上述方法上传。
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　　图2 CPLD控制状态转换图
　　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。
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　　图3 CPLD内部软件结构框图
　　4 仿真结果
　　该 USB隔离系统通过 ModelsimXE5.7C进行了波形仿真，仿真波形如图4所示。从波形上可看出：上下游信息包信号都能完整地通过，所需的控制信号及复位信号满足理论设计要求，验证了工作原理的正确性。
　　
　　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。