CN103106167B - 一种usb设备及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种USB设备及其控制方法，其中USB设备中的属性识别模块只需要与接口模块中的第一数据端口和第二数据端口耦接，而无需检测和比较电源端口VBUS的电压。利用数据端口输入信号得到的判断信号即可判断USB接口的属性，并根据USB接口属性控制数据传输模块和充电模块的相应动作，电路实现和控制逻辑都相对简单，降低整个USB设备的制造成本，提高了产品的集成度。

Description

一种USB设备及其控制方法
技术领域
本发明涉及通讯电子技术领域，尤其涉及一种USB设备及其控制方法。
背景技术
目前，在通讯电子技术领域，采用通用串行总线USB提供串行通信信道成为一种普遍做法。例如，大多数的计算机、笔记本电脑都采用USB接口以连接鼠标、键盘、游戏垫、操纵杆、扫描仪、外部驱动器等***设备。计算机利用USB技术与音乐播放器、移动电话或平板电脑这样的便携设备进行数据交换的同时，还能够对其电池进行充电，此时计算机被认为是USB主机，而其连接的***设备被称之为USB设备。图1a~1c中给出了三种USB主机的内部示意图，USB设备连接至USB主机后，根据内部电路结构的不同对USB接口属性进行判断，以决定USB主机与USB设备之间是否进行数据交换以及调节充电电流的大小。目前USB设备内部的属性识别电路需要耦接接口模块中的多个端口（VBUS端口、数据端口D+、数据端口D-），并需要对VBUS端口的电压进行检测和比较，其判断的过程也比较繁琐，实现电路器件较多、逻辑复杂，造成了实现设备成本升高，同时产品的集成度降低。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种USB设备及其控制方法，以克服现有技术中属性识别电路比较复杂的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
依据本发明一实施例的一种USB设备，包括：接口模块、属性识别模块、数据传输模块和充电模块；其中，
所述接口模块包括电源端口、接地端口、第一数据端口和第二数据端口，用以与USB主机的相应端口连接；
所述属性识别模块与所述第一数据端口、第二数据端口耦接，用以判断USB接口的属性；
所述数据传输模块根据USB接口的属性实现所述USB设备和USB主机之间的数据交换；
所述充电模块与所述电源端口、接地端口耦接，根据USB接口的属性对所述USB设备进行充电。
进一步的，所述属性识别模块包括第一判断电路、第二判断电路和处理单元；
所述第一判断电路与所述第一数据端口耦接，以生成第一判断信号；
所述第二判断电路与所述第二数据端口耦接，以生成第二判断信号；
所述处理单元根据所述第一判断信号和第二判断信号的状态判断USB接口属性。
进一步的，当所述第一判断信号为有效状态，所述第二判断信号为无效状态时，所述处理单元判断USB接口为断开状态，所述数据传输模块和充电模块停止工作；
当所述第一判断信号、第二判断信号均为无效状态时，所述处理单元判断USB接口为标准下行接口，所述数据传输模块实现数据交换功能，所述充电模块以第一电流对所述USB设备充电；
当所述第一判断信号为无效状态，所述第二判断信号为有效状态时，所述处理单元判断USB接口为充电下行接口，所述数据传输模块实现数据交换功能，所述充电模块以第二电流对所述USB设备充电；
当所述第一判断信号、第二判断信号均为有效状态时，所述处理单元判断USB接口为特定充电接口，所述数据传输模块停止工作，所述充电模块以第三电流对所述USB设备充电。
进一步的，所述第一判断电路包括连接在输入电源和第一数据端口之间的上拉电阻和第一比较器，所述第一比较器接收所述上拉电阻和第一数据端口的公共连接点的电压信号，并与第一基准电压比较以得到所述第一判断信号；
所述第二判断电路包括连接在第二数据端口和地之间的下拉电阻和第二比较器，所述第二比较器接收所述下拉电阻与第二数据端口的公共连接点的电压信号，并与第二基准电压比较以得到所述第二判断信号。
进一步的，所述充电模块包括一电流调制电路，用以根据USB接口的属性对所述USB设备的充电电流进行调制。
优选的，所述USB主机包括计算机、笔记本电脑或标准USB充电器。
优选的，所述USB设备包括移动通讯设备、音乐播放器或平板电脑。
依据本发明一实施例的一种USB设备的控制方法，包括以下步骤：
将电源端口、接地端口、第一数据端口和第二数据端口与USB主机的相应端口连接；
根据所述第一数据端口和第二数据端口的输入判断USB接口的属性；
根据USB接口的属性实现所述USB设备和USB主机之间的数据交换；
根据USB接口的属性对所述USB设备进行充电。
优选的，进一步包括以下步骤：
根据所述第一数据端口的输入信号生成第一判断信号；
根据所述第二数据端口的输入信号生成第二判断信号；
根据所述第一判断信号和第二判断信号的状态判断USB接口属性。
优选的，当所述第一判断信号为有效状态，所述第二判断信号为无效状态时，判断USB接口为断开状态；
当所述第一判断信号、第二判断信号均为无效状态时，判断USB接口为标准下行接口，所述USB主机与USB设备进行数据交换的同时以第一电流对所述USB设备充电；
当所述第一判断信号为无效状态，所述第二判断信号为有效状态时，判断USB接口为充电下行接口，所述USB主机与USB设备进行数据交换的同时以第二电流对所述USB设备充电；
当所述第一判断信号、第二判断信号均为有效状态时，判断USB接口为特定充电接口，所述USB主机以第三电流对所述USB设备充电。
优选的，进一步包括，接收上拉电阻和第一数据端口的公共连接点的电压信号，并与第一基准电压比较以得到所述第一判断信号；
接收下拉电阻和第二数据端口的公共连接点的电压信号，并与第二基准电压比较以得到所述第二判断信号。
优选的，进一步包括根据USB接口的属性对所述USB设备的充电电流进行调制。
优选的，所述USB主机包括计算机、笔记本电脑或标准USB充电器。
优选的，所述USB设备包括移动通讯设备、音乐播放器或平板电脑。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供的USB设备，其中的属性识别模块只需要与接口模块中的第一数据端口和第二数据端口耦接，而无需检测和比较电源端口VBUS的电压。利用数据端口输入信号得到的判断信号即可判断USB接口的属性，并根据USB接口属性控制数据传输模块和充电模块的相应动作，电路实现和控制逻辑都相对简单，降低整个USB设备的制造成本，提高了产品的集成度。通过下文优选实施例的具体描述，本发明的上述和其他优点更显而易见。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1a~1c所示为USB主机的三种内部示意图；
图2所示为依据本发明的USB设备的第一实施例的结构框图；
图3所示为依据本发明的USB设备的第二实施例的结构框图；
图4所示为依据本发明的USB设备与图1a所示USB主机相连接的结构框图；
图5所示为依据本发明的USB设备与图1b所示USB主机相连接的结构框图；
图6所示为依据本发明的USB设备与图1c所示USB主机相连接的结构框图；
图7所示为依据本发明的USB设备控制方法一实施例的流程图；
图8所示为图7所示流程图中步骤S702的具体流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的几个优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。
实施例一
在利用通用串行总线进行通信的场合，手机、MP3以及iPad等便携设备在***计算机的USB插口后，不仅能够进行数据交换，还能够利用计算机提供的电能对其自身电池进行充电，因此将计算机这样装置称之为USB主机。
参考图2，所示为依据本发明的USB设备200的第一实施例的结构框图，其中的接口模块201包括电源端口VBUS、接地端口GND、第一数据端口D+和第二数据端口D-，用以与USB主机100的相应端口连接。
所述USB设备还包括属性识别模块202、数据传输模块203以及充电模块204。其中所述属性识别模块202与接口模块201的第一数据端口D+、第二数据端口D-耦接，即通过USB主机端口101和102与其内部的电路相连接，根据USB主机的结构判断USB接口的属性，并将判断的结果传输至所述数据传输模块203和充电模块204。
所述数据传输模块203的一端与接口模块201中的第一数据端口D+、第二数据端口D-耦接，另一端连接至存储单元205，根据USB接口的属性，存储单元205中的数据与USB主机中的数据可以进行交换。
所述充电模块204与所述电源端口VBUS、接地端口GND耦接，其输出端连接USB设备的电池206，并根据USB接口属性调节电池206的充电电流的大小。
其中所述USB主机可以为计算机、笔记本电脑或标准USB充电器等，所述USB设备包括移动通讯设备、音乐播放器或iPad平板电脑等。
实施例二
参考图3，所示的USB设备在实施例一的基础上具体介绍了属性识别模块的实现方法，下面详细介绍整个USB设备的控制过程和工作原理。
所述属性识别模块202具体包括第一判断电路301、第二判断电路302和处理单元303；所述第一判断电路301与所述第一数据端口D+耦接，根据所连接的USB主机的内部结构生成第一判断信号Vde1；同理，所述第二判断电路303与所述第二数据端口D-耦接，以生成第二判断信号Vde2；
所述处理单元303接收所述第一判断信号Vde1和第二判断信号Vde2，并根据两个信号的电平状态对USB接口属性进行判断。
优选的，所述充电模块204包括一电流调制电路，用以根据USB接口属性调节电池充电电流的大小。
以判断信号的有效状态为高电平为例说明具体的判断标准如下：
当所述第一判断信号Vde1为高电平，所述第二判断信号Vde2为低电平时，所述处理单元303判断USB接口为断开状态，即此时USB设备不与USB主机连接，因此所述数据传输模块203和充电模块204停止工作；
当所述第一判断信号Vde1、第二判断信号Vde2均为低电平时，所述处理单元303判断USB接口为标准下行接口（SDP：StandardDownstreamPort），即此时USB主机的插口为标准USB插口，支持数据传输的同时还可以为设备充电，所述数据传输模块203进行存储单元和主机之间的数据交换；来自所述USB主机的电能通过电源端口VBUS、接地端口GND传递至所述充电模块204，并通过其中的电流调制电路将设备电池的充电电流调制为第一电流（其数值最大为0.5A）。
当所述第一判断信号Vde1为低电平，所述第二判断信号Vde2为高电平时，所述处理单元303判断USB接口为充电下行接口（CDP：ChargingDownstreamPort），即USB接口支持数据传输并可以为USB设备快速充电，因此所述电流调制电路控制充电电流为第二电流（其数值最大为1.5A）。
当所述第一判断信号Vde1、第二判断信号Vde2均为高电平时，所述处理单元303判断USB接口为特定充电接口（DCP:DedicatedChargingPort），此时的USB接口不支持数据传输，只能用于设备充电。因此所述数据传输模块203停止工作，所述充电模块以第三电流为所述USB设备充电。在BC标准1.1（BatteryChargingSpecificationRevision1.1）中规定第三电流的数值最大为1.8A；在BC标准1.2（BatteryChargingSpecificationRevision1.2）中规定第三电流的数值范围在0.5A~5A之间。
从以上实施例可以看出依据本发明提供的USB设备，其中属性识别模块只需要与接口模块中的第一数据端口和第二数据端口耦接，而无需检测和比较VBUS端口的电压。利用数据端口的输入信号得到的判断信号即可判断USB接口的属性，并据此控制数据传输模块和充电模块的相应动作，电路实现和控制逻辑都相对简单，降低整个USB设备的制造成本，提高了产品的集成度。
以下结合图1a~1c所示的USB主机的内部结构，详细说明对USB接口属性的判断过程和电路工作原理。
实施例三
图4所示为依据本发明的USB设备与图1a所示USB主机相连接的结构框图；其中所述第一判断电路包括连接在输入电源VCC和第一数据端口D+之间的上拉电阻Rup和第一比较器401，所述第一比较器401的同相输入端接收所述上拉电阻Rup和第一数据端口D+的公共连接点的电压信号，并与反相输入端接收的第一基准电压Vref1比较以输出所述第一判断信号Vde1；
所述第二判断电路包括连接在第二数据端口D-和地之间的下拉电阻Rdown和第二比较器402，所述第二比较器402的同相输入端接收所述下拉电阻Rdown与第二数据端口D-的公共连接点的电压信号，并与反相输入端接收的第二基准电压Vref2比较以输出所述第二判断信号Vde2。
为了使本领域的技术人员更直观清晰的理解电路参数的选取以及不同信号之间的大小、比例关系，在以下内容中，对某些器件、参考电压等给出优选数值以方便说明。现实应用中可以根据实际情况对参数进行不同的修改，而非限制本发明在任何具体参数的电路中。
其中，输入电源VCC优选为+5V电源，第一基准电压Vref1设置为2V，第二基准电压Vref2设置为0.3V，上拉电阻Rup和下拉电阻Rdown均选取150kΩ。
由以上判断电路的结构可以看出，当USB设备不连接USB主机时，所述第一比较器401的同相输入端电压VD+即为5V，而第二比较器402的同相输入端电压VD-为0V，此时所述第一判断信号Vde1为高电平有效状态，所述第二判断信号Vde2为低电平无效状态，所述数据传输模块203和充电模块204均停止工作。
而图4中的USB主机内部数据端口D+和D-与地之间分别连接电阻RDP和RDM。此时所述第一比较器401的同相输入端电压VD+可以由下式表示：
V D + = V CC R DP R DP + R up - - - ( 1 )
由BC标准1.1和1.2的规定可知，电阻RDP的阻值在14.25kΩ到24.8kΩ之间，因此VD+的电压值在0.443V到0.709V之间，始终小于所述第一基准电压Vref1，所述第一判断信号Vde1为低电平。由于第二比较器402的同相输入端电压VD-仍为0V，因此输出的第二判断信号Vde2也为低电平，此时USB接口为标准下行接口，所述数据传输模块203进行数据交换，所述充电模块204以第一电流为所述USB设备充电。
实施例四
图5所示为依据本发明的USB设备与图1b所示USB主机相连接的结构框图；其中电阻RDCHG连接在USB主机内部数据端口D+和D-之间，根据BC标准1.1的规定：电阻RDCHG的阻值小于200Ω，远远小于上拉电阻Rup和下拉电阻Rdown的阻值，因此可以近似认为输入电源VCC平均分压在上拉电阻Rup和下拉电阻Rdown上，所述第一比较器401的同相输入端电压VD+和第二比较器402的同相输入端电压VD-均为2.5V，满足逻辑高电平的数值要求，此时所述第一判断信号Vde1和第二判断信号Vde2均为高电平，此时USB接口为特定充电接口，所述数据传输模块203停止工作，所述充电模块204以第三电流为所述USB设备充电。
实施例五
图6所示为依据本发明的USB设备与图1c所示USB主机相连接的结构框图；USB主机的内部结构在图1a所示的基础上加入了与门、非门、比较器601、开关管S1以及箝位电压源VDM-SRC。
BC标准1.2中规定比较器601的反相输入电压VDAT设置在0.25V至0.4V之间，而逻辑高电平的电压值在2V以上，箝位电压源VDM-SRC设置在0.5V至0.7V之间。
因此由式子（1）得到的所述第一比较器401的同相输入端电压VD+的数值范围（0.443V~0.709V）在逻辑高电平以下但高于电压VDAT，因此与门的输出信号为高电平从而控制开关管S1导通，将第二数据端口D-的电压箝位在0.5V至0.7V之间（大于第二基准电压Vref2），因此所述第一判断信号Vde1为低电平，所述第二判断信号Vde2为高电平时，此时USB接口为充电下行状态，所述数据传输模块203进行数据交换，所述充电模块204以第二电流为所述USB设备充电。
以下结合附图对依据本发明的USB设备的控制方法的优选实施例进行详细描述。
实施例六
参考图7，所示为依据本发明的USB设备控制方法的一实施例的流程图。其包括以下步骤:
S701：将电源端口、接地端口、第一数据端口和第二数据端口与USB主机的相应端口连接；
S702：根据所述第一数据端口和第二数据端口的输入判断USB接口的属性；
S703：根据USB接口的属性实现所述USB设备和USB主机之间的数据交换；
S704：根据USB接口的属性对所述USB设备进行充电。
上述USB设备的控制方法进一步包括：根据USB接口的属性对所述USB设备的充电电流进行调制。
其中所述USB主机可以为计算机、笔记本电脑或标准USB充电器等，所述USB设备包括移动通讯设备、音乐播放器或iPad平板电脑等。
图8，所示为图7所示流程图中步骤S702的具体流程图，其中步骤702中对USB接口属性的判断可以进一步包括以下步骤：
S801：根据所述第一数据端口的输入信号生成第一判断信号；
S802：根据所述第二数据端口的输入信号生成第二判断信号；
S803：根据所述第一判断信号和第二判断信号的状态判断USB接口属性。
其中：
S804-1：当所述第一判断信号为有效状态，所述第二判断信号为无效状态时，判断USB接口为断开状态；
S804-2：当所述第一判断信号、第二判断信号均为无效状态时，判断USB接口为标准下行接口，所述USB主机与USB设备进行数据交换的同时以第一电流对所述USB设备充电；
S804-3：当所述第一判断信号为无效状态，所述第二判断信号为有效状态时，判断USB接口为充电下行接口，所述USB主机与USB设备进行数据交换的同时以第二电流对所述USB设备充电；
S804-4：当所述第一判断信号、第二判断信号均为有效状态时，判断USB接口为特定充电接口，所述USB主机以第三电流对所述USB设备充电。
上述步骤可以进一步的包括，
接收上拉电阻和第一数据端口的公共连接点的电压信号，并与第一基准电压比较以得到所述第一判断信号；
接收所述下拉电阻和第二数据端口的公共连接点的电压信号，并与第二基准电压比较以得到所述第二判断信号。
另外，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所提供的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所提供的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种USB设备，其特征在于，包括：接口模块、属性识别模块、数据传输模块和充电模块；其中，
所述接口模块包括电源端口、接地端口、第一数据端口和第二数据端口，用以与USB主机的相应端口连接；
所述属性识别模块与所述第一数据端口、第二数据端口耦接，用以判断USB接口的属性；
所述数据传输模块根据USB接口的属性实现所述USB设备和USB主机之间的数据交换；
所述充电模块与所述电源端口、接地端口耦接，根据USB接口的属性对所述USB设备进行充电；
所述属性识别模块包括第一判断电路、第二判断电路和处理单元；
所述第一判断电路与所述第一数据端口耦接，以生成第一判断信号；
所述第二判断电路与所述第二数据端口耦接，以生成第二判断信号；
所述处理单元根据所述第一判断信号和第二判断信号的状态判断USB接口属性；
当所述第一判断信号为有效状态，所述第二判断信号为无效状态时，所述处理单元判断USB接口为断开状态，所述数据传输模块和充电模块停止工作；
当所述第一判断信号、第二判断信号均为无效状态时，所述处理单元判断USB接口为标准下行接口，所述数据传输模块实现数据交换功能，所述充电模块以第一电流对所述USB设备充电；
当所述第一判断信号为无效状态，所述第二判断信号为有效状态时，所述处理单元判断USB接口为充电下行接口，所述数据传输模块实现数据交换功能，所述充电模块以第二电流对所述USB设备充电；
当所述第一判断信号、第二判断信号均为有效状态时，所述处理单元判断USB接口为特定充电接口，所述数据传输模块停止工作，所述充电模块以第三电流对所述USB设备充电。
2.根据权利要求1所述的USB设备，其特征在于，所述第一判断电路包括连接在输入电源和第一数据端口之间的上拉电阻和第一比较器，所述第一比较器接收所述上拉电阻和第一数据端口的公共连接点的电压信号，并与第一基准电压比较以得到所述第一判断信号；
所述第二判断电路包括连接在第二数据端口和地之间的下拉电阻和第二比较器，所述第二比较器接收所述下拉电阻与第二数据端口的公共连接点的电压信号，并与第二基准电压比较以得到所述第二判断信号。
3.根据权利要求1所述的USB设备，其特征在于，所述充电模块包括一电流调制电路，用以根据USB接口的属性对所述USB设备的充电电流进行调制。
4.根据权利要求1所述的USB设备，其特征在于，所述USB主机包括计算机、笔记本电脑或标准USB充电器。
5.根据权利要求1所述的USB设备，其特征在于，所述USB设备包括移动通讯设备、音乐播放器或平板电脑。
6.一种USB设备的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
将电源端口、接地端口、第一数据端口和第二数据端口与USB主机的相应端口连接；
根据所述第一数据端口和第二数据端口的输入判断USB接口的属性；
根据USB接口的属性实现所述USB设备和USB主机之间的数据交换；
根据USB接口的属性对所述USB设备进行充电；
进一步包括以下步骤：
根据所述第一数据端口的输入信号生成第一判断信号；
根据所述第二数据端口的输入信号生成第二判断信号；
根据所述第一判断信号和第二判断信号的状态判断USB接口属性；
当所述第一判断信号为有效状态，所述第二判断信号为无效状态时，判断USB接口为断开状态；
当所述第一判断信号、第二判断信号均为无效状态时，判断USB接口为标准下行接口，所述USB主机与USB设备进行数据交换的同时以第一电流对所述USB设备充电；
当所述第一判断信号为无效状态，所述第二判断信号为有效状态时，判断USB接口为充电下行接口，所述USB主机与USB设备进行数据交换的同时以第二电流对所述USB设备充电；
当所述第一判断信号、第二判断信号均为有效状态时，判断USB接口为特定充电接口，所述USB主机以第三电流对所述USB设备充电。
7.根据权利要求6所述的USB设备的控制方法，其特征在于，进一步包括，
接收上拉电阻和第一数据端口的公共连接点的电压信号，并与第一基准电压比较以得到所述第一判断信号；
接收下拉电阻和第二数据端口的公共连接点的电压信号，并与第二基准电压比较以得到所述第二判断信号。
8.根据权利要求6所述的USB设备的控制方法，其特征在于，进一步包括根据USB接口的属性对所述USB设备的充电电流进行调制。
9.根据权利要求6所述的USB设备的控制方法，其特征在于，所述USB主机包括计算机、笔记本电脑或标准USB充电器。
10.根据权利要求6所述的USB设备的控制方法，其特征在于，所述USB设备包括移动通讯设备、音乐播放器或平板电脑。
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