1、引言

大容量數據的高速傳輸是存儲技術的研究的熱點技術，而在工業環境的數據傳輸中抗干擾技術以及醫療設備對人身的安全也是目前研究的熱門課題，USB（Universal Serial Bus）是 “通用串行總線”。它是一種應用在 PC領域的接口技術。其主要優點是：可以熱插拔、攜帶方便、標準統一，因而得到了廣泛的應用。 USB用于測試與測量應用的優勢很多，使用 USB接口的設備也與日俱增，例如數碼相機、掃描儀、圖像設備、醫療設備、打印機等等。在工業環境自動化程度較高的現場，醫療設備對人體信息的提取和診斷，大量信息數據的獲取與存儲往往應用快速的 USB接口來實現，而目前的 USB接口對工業干擾非常敏感，在醫療上對人身安全存在隱患，USB的隔離應用是基于 PC平臺的醫療設備和具有很大地電位差的工業應用。本文提出基于 CPLD的 USB隔離技術，實現了 USB總線的可靠安全通信，在工業現場和醫療設備通信接口中發揮著重要作用。

2、系統硬件構成及工作原理

全速（12Mbps） USB連接的光隔離，12Mbps的速度可滿足一般數據傳輸的帶寬要求，設計中使用廉價耦合器，支持足夠的數據傳輸速率。 USB連接器包含四條線：2條用于電源供電（VBUS和 GND），2條用于 USB數據傳輸（D+和 D-）。VBUS提供 5V電源，電流可達 500mA。D+和 D-為雙向信號線，信號傳輸速率為 12Mbps （每位 83ns）。D+和 D-信號電平為 3.3V。圖1所示隔離 USB接口組成框圖，系統主要由 USB收發器 SP5301、光藕電路、主控芯片 CPLD、USB四口 HUB電路 TUSB2046B、電源隔離五部分構成。

圖1四口光耦USB接口組成框圖

隔離系統的工作原理：差分信號是以半雙工的形式實現的，就是說，數據線的任何一部分都可以傳送和接收數據，但是在任意時刻只能進行發送或者只能進行接收，兩者不能同時進行。半雙工實現要求驅動器在不傳送數據時進入高阻抗狀態。基于此原理，利用 CPLD的控制能力，使其處于上下游的接收狀態，一旦檢測到一方有信息包到來，立即進行隔離通路的切換，完成信號隔離通過，且保證信號的完整性。

工作過程：外電源接口上電，通過穩壓電路提供 5V、3V電壓，分別給 CPLD的 I/O口， CPLD核、下游藕合電路、 USB收發器、四口 HUB電路提供電源。CPLD完成復位后，產生控制光耦信號，使上游口上電（由上位機 USB接口提供，節省上位機電源）。 CPLD處于上下游接收狀態，當上游差分信號到達 USB收發器后，收發器將差分信號轉換為 VP、VM、 RESO三個信號，經光電耦合電路后進入 CPLD檢測、處理、切換，再經下游 USB收發器轉換為差分信號，送入四口 HUB電路解析處理。反之亦然。

3、系統的軟件設計與實現

CPLD是整個系統的控制核心，軟件的設計好壞關系到整個系統的穩定性和可靠性。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優點，開發軟件功能強大、靈活易用、升級方便。考慮到 USB信號速度高，要求切換快，便于升級，功耗低，綜合各種因素選用該芯片。CPLD的主要功能是： 1）對 50MHZ的時鐘信號進行分頻，產生系統所需的各種時鐘信號；2）為電源的上電順序提供監測和控制信號； 3）實時判斷信息包并及時為 USB收發器提供轉換控制信號；4）為 TUSB2046B提供復位信號，監測四口 HUB的 Suspend信號并產生復位信號為上游設備； CPLD控制邏輯狀態轉換圖如圖 2所示，系統上電后，CPLD初始化，并為 TUSB2046B產生足夠的復位信號，使其正常穩定工作，然后使自己處于上下游接收狀態，若上游有信息包，則立即轉換下游處于發送狀態，讓包信號完全通過，包結束時，又回到上下游接收狀態。若下游有信息包時，按上述方法上傳。

圖2 CPLD控制狀態轉換圖

設計實現應用 XILINX公司的集成開發環境 ISE6.3，用 VHDL語言進行描述，采用自頂向下的方法進行設計。考慮到系統的對稱性，在此僅畫出下游的控制邏輯關系，圖 3所示為下游監測與控制的邏輯關系框圖，上游沒有 down_suspend監測和復位產生電路，其它完全一致。

圖3 CPLD內部軟件結構框圖

4、 仿真結果

該 USB隔離系統通過 ModelsimXE5.7C進行了波形仿真，仿真波形如圖4所示。從波形上可看出：上下游信息包信號都能完整地通過，所需的控制信號及復位信號滿足理論設計要求，驗證了工作原理的正確性。

5、結論

本設計的主要創新點在于 USB總線的協議的復雜性和快速性為設計實現必須面對許多的挑戰，能在分析協議的基礎上利用 CPLD解決了 USB總線隔離的問題，巧妙的檢測信息包起始、快切換和包結束的難題，克服了傳輸信息包結束慢上拉與過渡，保證系統的完整性。在各種不同傳輸信號中，采用各自不同的處理方式，不影響傳輸線的指標和參數，使系統穩定可靠，該設計在實際的醫療設備對人體測試中達到了預期的效果。實驗結果也證明，在后序的網絡信息安全的具有生物特征識別功能的 USB研究中提供重要的指導意義。

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