基于CPLD的USB总线的隔离接口实现

　　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。

　　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