基于复杂可编程逻辑器件实现USB隔离接口的设计

基于复杂可编程逻辑器件实现USB隔离接口的设计

1 引言

2 系统硬件构成及工作原理

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。

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。

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。

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