目前計算機的USB接口已經(jīng)大量使用，一般每臺計算機都有2到4個USB口。當一臺計算機接多個USB外部設(shè)備時，如果這些外部設(shè)備或者連接電纜中介入了高電壓干擾，就可能會燒壞計算機的USB口甚至主板。本文介紹的就是幾種對USB接口的隔離保護方案。
波仕電子的USB光電隔離技術(shù)
原理見圖1，其中D+、D-為USB信號，“光發(fā)射”是其中一個光電隔離器的LED（發(fā)光二極管），而“光接收”是另外一個光電隔離器的光敏三極管及其信號放大電路。圖1的電路只畫出了全部的一半，另外一半是完全一樣的，只是將“光發(fā)射”對準另外一半電路中的“光接收”（整個為一個光電隔離器）、將“光接收”對準另外一半電路中的“光發(fā)射”（整個為另外一個光電隔離器）。
圖1 為將USB信號（D+、D—）轉(zhuǎn)換為光信號的原理框圖。USB信號檢測電路（1）將D+和D—變換為“或”門輸出DOR1和差分比較器輸出RCV1。一雙可控三態(tài)緩沖器（2）通過控制端EN來控制邏輯“通”與“端”。當EN=“0”時，DOR=DOR1、RCV=RCV1。而當EN=“1”時，DOR和RCV為高阻狀態(tài)。光發(fā)射驅(qū)動電路（3）將DOR和RCV轉(zhuǎn)換為三種光強度（亮、半亮、暗）。光接收電路（4）將接收到的三種光強度（亮、半亮、暗）恢復為D+和D—的三種狀態(tài)。光接收電路（4）的輸出之一H的狀態(tài)變化觸發(fā)單穩(wěn)延時電路（5）。單穩(wěn)延時電路（5）的輸出EN平時（即USB信號處于閑置狀態(tài)時）為“0”，當其輸入H有下降延（即由“1”變?yōu)椤?”）時輸出EN由“0”變?yōu)椤?”并且保持為“1”大約1000us，然后恢復為“0”。另一雙可控三態(tài)緩沖器（2）通過控制端EN來控制來控制邏輯“通”與“斷”，當EN=“1”時，VP=H、VM=L，而當EN=“0”時輸出VP、VM為高阻狀態(tài)。
圖2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)動程序。波仕電子的這種技術(shù)已經(jīng)取得專利，ZL02284234.1。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)品的上位機側(cè)的電纜為A型插頭，直接外插計算機的USB插座。BS-USB產(chǎn)品的下位機側(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BS-USB產(chǎn)品的A型插頭外插計算機的USB口時，BS-USB的A型插座就相當于是一個已經(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)動能力小于原計算機USB口的驅(qū)動能力。BS-USB特別適合具有USB口的醫(yī)療儀器、高電壓數(shù)據(jù)采集設(shè)備等。
當BS-USB只插計算機的USB口而不接外設(shè)（比如U盤、USB/RS-232轉(zhuǎn)換器）時，BS-USB產(chǎn)品是不需要驅(qū)動程序的。只有將外設(shè)插到BS-USB產(chǎn)品上后，計算機才會需要驅(qū)動程序，而這個驅(qū)動程序與外設(shè)直接插計算機的USB口時的驅(qū)動程序是一樣的。
BS-USB僅僅是一個透明的物理隔離，與計算機操作系統(tǒng)無關(guān)。自然，BS-USB支持各種操作系統(tǒng)，WindowsXP/2000/Me/98等都可以。
無線USB隔離方案
采用無線方案的USB口當然實現(xiàn)了絕對電氣隔離，盡管無線方案存在干擾、保密性能差的缺點。通常我們見到或者使用的無線USB發(fā)射器機器配套的外設(shè)（比如藍牙設(shè)備）并不是通用的USB無線隔離方案，因為無線外設(shè)并不能夠外插標準的USB設(shè)備，比如U盤、USB/RS-232轉(zhuǎn)換器等。
在此領(lǐng)域公開宣布有產(chǎn)品的目前只有美國貝爾金（Belkin）公司。貝爾金在2006年國際消費電子展（CES）上首次展出這款無線USB Hub （Belkin Cable-Free USB Hub）。這是第一款用上超寬帶技術(shù)（UltraWideBand technology）的消費產(chǎn)品。但此款產(chǎn)品原先使用的Freescale芯片由于暫時無法和Intel支持的無線USB標準兼容，貝爾金迫不得已只好尋找另外一個UWB（超寬帶縮寫）芯片制造商Wisair。經(jīng)過重新設(shè)計之后，這款USB Hub又最終發(fā)布在2007的CES上了，供大家銷售和評測。評測的結(jié)果表明，此產(chǎn)品的優(yōu)點在于安裝簡易（在WINDOWS XP下），缺點是速度很慢、價格比較貴 (型號F5U301，價格200美圓)。
產(chǎn)品見圖3。Cable Free對U盤和移動硬盤的實際讀取速率大概只有1.5 MByte/sec。
圖3 這款產(chǎn)品實際上是使用了UWB技術(shù)的無線USB擴展器，代替了我們比較常見的 802.11b/g或者藍牙技術(shù)。簡單的表述就是：一個可以接入USB設(shè)備的4口hub，只能連接到WinXP SP2系統(tǒng)的電腦上。貝爾金稱此款hub支持“USB打印機，照相機，掃描儀，以及其他設(shè)備”。但使用手冊上卻提示不支持具有同步端點的“音頻設(shè)備”（USB音頻類）和一些網(wǎng)絡(luò)攝影（USB視頻類）設(shè)備。該無線hub使用Wisair 531 / 502 UWB芯片以及Star STR9104 ARM922-兼容 RISC CPU。配套的USB 發(fā)射器也是使用Wisair 531 / 502芯片和USB控制器。
工業(yè)通信用途的USB隔離方案
在某些工業(yè)通信的場合，需要從USB口轉(zhuǎn)換出RS-232或者RS-485用于串行通信。這時可以通過對USB口轉(zhuǎn)換出的RS-232串口加RS-232光電隔離器，波仕電子的典型產(chǎn)品是USB232和BS232-9（見圖4）的組合。或者采用光電隔離的USB與串口（RS-232/485/422通用）的轉(zhuǎn)換器，波仕的典型產(chǎn)品是USB232GL1（見圖5）。這兩種方案大大簡化了USB口的隔離方法，而且還是無源的。如果兩臺計算機想通過USB口相互傳輸數(shù)據(jù)而且要求隔離，那么最好就采用這種將USB轉(zhuǎn)換成為隔離串口的方案。
圖4
圖5 波仕USB232GL1光電隔離微型USB/串口轉(zhuǎn)換器秉承波仕轉(zhuǎn)換器的一貫特色，具有超小型的外形(80*23*47mm)、RS-232、RS-485、RS-422通用，可以虛擬成為本地COM串口(COM1-COM256)、無須修改已有的串口通信軟件。同時波仕贈送USB-串口影射程序。波仕USB232GL1是世界上最小的、也是使用最簡便的光隔USB/串口轉(zhuǎn)換器、實現(xiàn)了USB與串口的光電隔離。
如果USB口是用于接打印機，那么可以選用USB打印服務(wù)器。這是通過將以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換出用于接打印機的USB口。我們知道，以太網(wǎng)本身是采用變壓器隔離的，這就自然實現(xiàn)了USB的變壓器電氣隔離方案。這種打印服務(wù)器安裝后虛擬出一個打印口，從原理上講也就只能夠接打印機。當然從USB轉(zhuǎn)換出以太網(wǎng)再經(jīng)過以太網(wǎng)到USB的轉(zhuǎn)換也一樣可以實現(xiàn)USB的變壓器隔離，但是原理以及軟件的使用與以太網(wǎng)直接轉(zhuǎn)USB的打印服務(wù)器方案是一樣的，并不是真正意義的USB直接隔離。
實現(xiàn)USB電氣隔離的技術(shù)難點
當初USB的出現(xiàn)是為了統(tǒng)一計算機的各種外設(shè)接口，取代PS/2鼠標口、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。而地線、電源線就占了2個，信號線就只剩余2個了。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。同時這樣做的結(jié)果就使得USB的改進（除了速度改進）余地很小、特別是電氣隔離的改進非常困難。USB口的電氣隔離技術(shù)改進的難點就在于缺少USB的方向信號而USB的兩個信號線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、無線電氣隔離以及以太網(wǎng)隔離的方案中，難點都在于將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標準增加專門的這根方向標志線是不現(xiàn)實的。USB的接頭機械標準就是4根線，是不可能改變的。我們認為USB標準最有可能的改進在于電源線（+5V）。目前的電源線永遠是固定的+5V（或者低電壓版的+3.3V），其實可以在這根線中增加瞬時低電平脈沖信號作為USB信號方向標志。這個瞬時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發(fā)送數(shù)據(jù)的時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。而這樣的瞬時低電平并不明顯影響USB口的對外設(shè)供電能力。我們只能夠指望將來可能的USB3.0版本了。
