某一天，我走在剛剛加裝紅綠燈的十字路口。以前這里是一個(gè)人和車都很少的十字路口，汽車都是直接沖過去的。后來人和車都多了，眼前的這個(gè)十字路口也變復(fù)雜了。加裝的不僅僅是直行的紅綠燈，還有左傳的、行人的紅綠燈。看著這些按照紅綠燈行駛的一輛輛汽車，我想我們的未來電子產(chǎn)品也會象這個(gè)路口一樣變復(fù)雜。
相對與傳統(tǒng)的RS-232、RS-485接口，USB是一種新的、比較復(fù)雜的技術(shù)。在工業(yè)通信領(lǐng)域，為了安全可靠，需要對通信接口進(jìn)行光電隔離。既然USB口也是一種通信接口，那就也要求象RS-232、RS-485一樣的實(shí)現(xiàn)光電隔離。USB光電隔離器就是比較復(fù)雜的電子產(chǎn)品之一。由于USB信號的時(shí)序、幅值、方向、速率、規(guī)約都及其復(fù)雜，所以實(shí)現(xiàn)USB信號的光電隔離也是非常復(fù)雜的技術(shù)，這基本上代表了光電隔離領(lǐng)域的最高水準(zhǔn)。
波仕電子的USB光電隔離器
波仕電子早已開發(fā)出了USB光電隔離器這一具有國際領(lǐng)先技術(shù)水準(zhǔn)的產(chǎn)品，并且已經(jīng)獲得專利。發(fā)明專利號：ZL02284234.1。基本原理是將USB（信號D+、D—的三種狀態(tài)轉(zhuǎn)換為光電耦合器的發(fā)光二極管的三種強(qiáng)度全亮、半亮、暗，并且傳輸?shù)焦怆婑詈掀鞯墓饷羧龢O管接收器再通過相應(yīng)電路恢復(fù)D+、D—的三種狀態(tài)。
波仕USB光電隔離器秉承波仕轉(zhuǎn)換器的一貫特色，具有超小型的外形(50*24*70mm)、支持USB2.0全速（12Mbps）速率、隔離 2500V電壓、無須外接電源、無須驅(qū)動(dòng)程序。波仕USB光電隔離器的使用非常簡單，與一根普通的USB延長電纜的使用是一樣的。BS-USB產(chǎn)品的上位機(jī)側(cè)的電纜為A型插頭，直接外插計(jì)算機(jī)的USB插座。BS-USB產(chǎn)品的下位機(jī)側(cè)的電纜為A 型插座，用于外接USB設(shè)備（比如U盤、USB/RS-232轉(zhuǎn)換器）的插頭。也就是說，當(dāng)BS-USB產(chǎn)品的A型插頭外插計(jì)算機(jī)的USB口時(shí)，BS- USB的A型插座就相當(dāng)于是一個(gè)已經(jīng)隔離的USB口。由于BS-USB自帶隔離DC/DC并且自耗一定功率，所以對外驅(qū)動(dòng)能力小于原計(jì)算機(jī)USB口的驅(qū)動(dòng)能力。BS-USB僅僅是一個(gè)透明的物理隔離，是不需要驅(qū)動(dòng)程序的。
實(shí)現(xiàn)USB電氣隔離的技術(shù)難點(diǎn)
當(dāng)初USB的出現(xiàn)是為了統(tǒng)一計(jì)算機(jī)的各種外設(shè)接口，取代PS/2鼠標(biāo)口、鍵盤口、打印口等，特別是取代蘋果的Fieware（火線）甚至IEEE-1394 口。為了在與后者的競爭中取得優(yōu)勢，USB的引腳數(shù)就不可能多于后者的4個(gè)。而地線、電源線就占了2個(gè)，信號線就只剩余2個(gè)了。這與傳統(tǒng)的PS/2、RS -232、打印口、以太網(wǎng)都有空余線的做法大不一樣。同時(shí)這樣做的結(jié)果就使得USB的改進(jìn)（除了速度改進(jìn)）余地很小、特別是電氣隔離的改進(jìn)非常困難。 USB口的電氣隔離技術(shù)改進(jìn)的難點(diǎn)就在于缺少USB的方向信號而USB的兩個(gè)信號線D+和D—又是不分方向的。USB信號流的方向是靠D+、D—兩個(gè)信號 的幅值一起來判斷的，而且并不是它們的差值。在USB光電隔離方案難點(diǎn)都在于將USB信號怎樣分開為發(fā)送與接收兩部分。如果USB口本身有一個(gè)能夠表明數(shù)據(jù)是發(fā)送還是接收的信號線，那么USB的電氣隔離就好解決多了。
在現(xiàn)有的USB2.0以及USB1.0版本中都缺少一根表明USB數(shù)據(jù)方向（發(fā)送還是接收）的信號線，而指望USB標(biāo)準(zhǔn)增加專門的這根方向標(biāo)志線是不現(xiàn)實(shí)的。USB的接頭機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)就是4根線，是不可能改變的。我們認(rèn)為USB標(biāo)準(zhǔn)最有可能的改進(jìn)在于電源線（+5V）。目前的電源線永遠(yuǎn)是固定的+5V （或者低電壓版的+3.3V），其實(shí)可以在這根線中增加瞬時(shí)低電平脈沖信號作為USB信號方向標(biāo)志。這個(gè)瞬時(shí)低電平脈沖信號只用于表明發(fā)送一幀數(shù)據(jù)的開 始，并不一定需要在整個(gè)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間段一直保持低電平，而且電平也不需要低到0，只要低到2/3的高電平可以識別即可。而這樣的瞬時(shí)低電平并不明顯影響 USB口的對外設(shè)供電能力。
我們曾經(jīng)指望USB3.0版本增加這根方向標(biāo)志線，很遺憾的是USB3.0對USB2.0是假的兼容，對USB2.0部分沒有任何改動(dòng)。 USB3.0有9根線，其中4根線就是原來的USB2.0部分，其余的5根線是增加的3.0部分。增加的5根USB3.0線與傳統(tǒng)的USB2.0是毫無關(guān)系的，它設(shè)計(jì)的速率是4.8G，是傳統(tǒng)的USB2.0速率（480M）的10倍。USB2.0（480M）之所以可以實(shí)現(xiàn)光電隔離，實(shí)際上是因?yàn)樗嫒葺^低速率的USB1.0（速率為12M）。USB1.0的12M速率的光電隔離已經(jīng)要用到高速光電耦合器了。480M的光電耦合器還沒有出現(xiàn)，更別談USB3.0的4.8G了。不過轉(zhuǎn)換為光纖從理論上是可以實(shí)現(xiàn)480M甚至4.8G的隔離的，那成本以及功耗估計(jì)就難以降低了。
其它的USB光電隔離器
早期的美國BB公司也開發(fā)了一種USB隔離HUB，是從一個(gè)USB口擴(kuò)展出4個(gè)光電隔離的USB口?；驹硎峭ㄟ^USB接口電路先將USB信號分解為數(shù)據(jù)總線和控制總線，進(jìn)行高速光電隔離后再合成為USB信號。采用的是MAXIM的接口電路和agilent的光耦。后來AD公司瞄上了這個(gè)產(chǎn)品市場，想把它集成到一塊芯片里去（當(dāng)然不包括DC/DC電源）。產(chǎn)品還沒有出來，廣告宣傳早已經(jīng)展開了，但是我們非常懷疑這種未來產(chǎn)品將來的性能。因?yàn)锳D公司以前生產(chǎn)過比這簡單的多的將I2C接口光電隔離器集成到一個(gè)芯片里的產(chǎn)品ADUM1250也不過關(guān)，相關(guān)評論http://www.baisi.net/thread-341401-1-1.html。
