CN202795350U - Usb端口管理装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种USB端口管理装置，涉及端口管理领域，它包括USB主机端口、第一级USB集线器、级联的中间级USB集线器和终级USB集线器、辅助电源端口、MCU、编码器、USB总线控制器、USB设备插座，终极集线器的每个USB输出端口上接一个USB总线控制器，与同一个终级USB集线器相连的USB总线控制器均连到该终级USB集线器对应的编码器，各编码器均与MCU相连，每个USB总线控制器通过一个USB设备插座连接一个USB从设备。本实用新型通过对USB端口的访问权限进行控制，根据实际需求选择指定的一个或者多个USB设备进行选择性挂载，还能进行高速的数据传输。
Description
技术领域
本实用新型涉及端口管理领域，特别是涉及一种USB端口管理装置。
背景技术
USB(Universal Serial BUS，通用串行总线)设备是目前较为常见的移动存储设备，在日常生活中随处可见各种USB设备，例如：U盘、USB移动硬盘、USB端口的智能手机、USB KEY等。
USB协议中规定，USB端口包含电源线、地线、数据+和数据-，其中数据+和数据-采用差分方式进行数据传递，电源线和地线负责给USB设备供电，其中，数据线属于总线结构，主设备控制总线，从设备可以挂载在总线上。协议规定，允许通过USB HUB进行级联扩展，总线上允许挂载的从设备不超过127个。
经过多年的发展，USB协议经历了1.1、2.0等多个版本，传输速率依次递增。典型的2.0协议，允许全速和高速两种速率，全速模式最大速率为12Mbps，高速模式最大速率为480Mbps。
随着技术的发展，USB存储设备的存储容量也逐渐增大，当大量的USB存储设备同时需要进行转存时，即使在USB2.0的高速模式下，依然需要等待较长的时间才能完成。并且USB设备的厂家众多，对协议的兼容不统一，导致同时挂载多个USB设备时，设备的驱动可能会起冲突，从而导致主机***崩溃。
因此需要对USB端口进行控制，在允许的时候才将指定的一个或者多个设备挂载在主机端口上。对于某些特定应用场合，例如USB主机的共享，需要对挂载在总线上的从机进行权限管理，只允许指定的USB端口与USB主机建立通信，也需要对USB端口进行管理。目前有两种对USB端口进行管理的技术方案，下面分别进行说明。
现有技术方案一是基于USB HUB(USB集线器)的USB端口管理方案，其架构参见图1所示，USB协议允许使用USB HUB进行级联扩展，因此使用USB HUB进行USB端口的扩展管理是最简单的一种，也是最常见的一种，该方案受协议限制，最多只能挂载127个USB设备；同时，一旦USB设备接入该端口，该设备与USB主机端口的通信就建立完成，无法对端口进行管理，不能指定一个或者多个设备进行选择性挂载。
现有技术方案二是基于继电器对USB总线进行物理切换的方案，其架构参见图2所示，该方案技术简单，成本低，可以对USB总线进行物理上的切换，也可以对USB端口进行扩展管理。但这种物理开关方式，并没有对USB数据信号进行恢复和中继，所以其扩展容量受到USB数据信号质量的影响，当扩展端口较多时，USB数据信号的损耗非常严重，导致离主机端口越远的端口，传输速率越低，甚至无法通信。另外，这种方案是通过物理上的开关切换实现USB端口的切换，因此同一个时间只允许一台USB从设备挂载，无法支持指定的多个设备同时挂载。
实用新型内容
本实用新型的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种USB端口管理装置，通过对USB端口的访问权限进行控制，根据实际需求选择指定的一个或者多个USB设备进行选择性挂载，还能进行高速的数据传输。
本实用新型提供的USB端口管理装置，它包括与外部USB主机相连的USB主机端口、与所述USB主机端口相连的第一级USB集线器、与所述第一级USB集线器顺次级联的若干中间级USB集线器和终级USB集线器，它还包括与外部辅助电源相连的辅助电源端口、MCU控制单元、与终级USB集线器等同数量的编码器、与所有终级USB集线器的USB输出端口等同数量的USB总线控制器、以及与USB总线控制器等同数量的USB设备插座，终极集线器的每个USB输出端口上连接一个USB总线控制器，与同一个终级USB集线器相连的USB总线控制器均连接到与该终级USB集线器对应的编码器上，各编码器均与所述MCU控制单元相连，每个USB总线控制器通过一个USB设备插座连接一个外部的USB从设备。
在上述技术方案中，所述MCU控制单元与第一级USB集线器相连。
在上述技术方案中，它还包括与外部管理主机相连的管理端口，所述管理端口与MCU控制单元相连。
在上述技术方案中，所述管理端口与USB主机端口集成在同一设备上。
在上述技术方案中，所述管理端口与USB主机端口分别位于两台设备中。
在上述技术方案中，所述USB主机端口通过两根数据线与第一级USB集线器相连。
在上述技术方案中，它还包括两个二极管，所述USB主机端口、辅助电源端口的VCC端口均通过一个二极管与电源VCC相连，USB主机端口、辅助电源端口的GND端口均与地线GND相连。
在上述技术方案中，所述终级USB集线器包括4个USB输出端口。
在上述技术方案中，所述终级USB集线器包括7个USB输出端口。
与现有技术相比，本实用新型的优点如下：
(1)本实用新型使用USB HUB技术进行USB端口的扩展和USB数据信号的恢复和中继，在扩展的每个端口使用高速的USB总线控制器对端口进行权限管理，并使用MCU控制单元和编码器综合控制所有的总线开关的状态，从而实现大容量、高速、控制方式灵活的USB端口管理。
(2)本实用新型能使用一个USB端口同时传送数据信号和控制信号，集成度较高，连接方便，适用于普通大规模USB设备管理。针对多个USB设备挂载在同一USB总线上时，对USB的从设备端口进行管理，可实现根据实际需求选择指定的一个或者多个USB设备进行选择性挂载。
(3)本实用新型能还能使用独立的设备来发送控制信号，适用于保密要求较高或者权限管理较为严格的场景，可根据实际应用场景灵活选择采用哪种方案，实现大容量、高速、控制方式灵活的USB端口管理。
(4)本实用新型通过对USB端口的访问权限进行控制，使指定的一个或者多个USB设备访问主机USB端口，弥补了传统USB HUB的扩展方式所存在的USB设备全部可以访问USB主机端口，无法进行权限管理的缺点；同时还可以进行高速的数据传输，克服了继电器、光耦开关等物理开关传输速率过低的缺陷。
附图说明
图1是现有基于USB HUB的USB端口管理方案的架构示意图。
图2是现有基于继电器对USB总线进行物理切换的架构示意图。
图3是本实用新型实施例1与***部件相连的结构示意图。
图4是本实用新型实施例1的内部结构示意图。
图5是本实用新型实施例2与***部件相连的结构示意图。
图6是本实用新型实施例2的内部结构示意图。
具体实施方式
由于控制USB主机端口和从机端口通信的控制信号，可以由USB主机端口发来，也可以由其他端口发来，根据控制信号发送主体的不同，下面结合附图及2个实施例对本实用新型作进一步的详细描述。
实施例1、由其他端口来发送命令来控制USB主机端口和从机端口的通信
参见图3和图4所示，本实用新型的实施例1提供的USB端口管理装置包括：与外部USB主机相连的USB主机端口、与外部管理主机相连的管理端口、与USB主机端口相连的第一级USB集线器、与第一级USB集线器顺次级联的若干中间级USB集线器和终级USB集线器、与外部辅助电源相连的辅助电源端口、两个二极管、MCU控制单元、与终级USB集线器等同数量的编码器、与所有终级USB集线器的USB输出端口等同数量的USB总线控制器、以及与USB总线控制器等同数量的USB设备插座，USB主机端口通过两根数据线与第一级USB集线器相连，USB主机端口、辅助电源端口的VCC端口均通过一个二极管与电源VCC相连，USB主机端口、辅助电源端口的GND端口均与地线GND相连。
管理端口与MCU控制单元相连，每个终级USB集线器包括4个或7个USB输出端口。终极集线器的每个USB输出端口上连接一个USB总线控制器，与同一个终级USB集线器相连的USB总线控制器均连接到与该终级USB集线器对应的编码器上，各编码器均与MCU控制单元相连，每个USB总线控制器通过一个USB设备插座连接一个外部的USB从设备。
实施例1允许使用其他端口(管理端口)来发送命令来进行USB端口的管理，该管理端口可以与USB主机端口集成在同一设备上，也可以分别位于两台设备中。参见图3所示，USB主机通过USB数据线连接到USB端口管理装置的USB主机端口，其作为USB主设备控制USB总线，负责发起数据传输和终止数据传输，并控制传送速率。USB协议规定由USB主机提供从设备的电源，因此USB总线中包含电源线和地线。协议规定每个USB端口的供电仅为500mA，当USB端口管理装置和所有挂载在USB端口的设备总电流小于500mA时，由USB主机负责所有设备的电源供应。
参见图3所示，管理主机通过数据线连接到USB端口管理装置的管理端口，其作为USB端口的管理装置，通过发送控制信号来控制是否允许指定的USB端口挂载。该控制信号可以指定一个USB端口或者多个USB端口同时挂载在USB主机上，但同时挂载在主机上的从设备总数目不应大于127个。当该端口位于USB主机时，该管理主机和USB主机即为同一台主机。
当挂载在USB端口管理装置上的所有设备总功耗大于500mA时，USB主机的端口已经不足以提供该电源，此时需要外置的辅助电源来对提供电源。参见图3所示，辅助电源通过电源线连接到USB端口管理装置的辅助电源端口，为USB端口管理装置和挂载在其上的USB从设备供电。
USB从设备通过USB端口直接插在USB端口管理装置的USB设备插座上，当管理端口发送控制信号允许挂载该从设备时，该从设备对应的数据通道才被打开，开始正常的数据通信。否则，仅仅是物理上连接在USB端口管理装置上，数据通道被关闭。
参见图4所示，USB主机端口提供USB端口管理装置与主机之间的端口，提供电源和数据信号。为了防止辅助电源的电流倒灌入主机，电源通过二极管后向装置的所有器件以及USB从设备供电。数据信号直接接至USB HUB进行端口扩展。USB HUB从主机USB端口接收到USB数据信号后，进行扩展。USB HUB可以使用级联方式进行扩展，扩展的数目根据实际需要进行设置。经过USB HUB级联后输出的USB数据信号经过USB总线控制器后，接至USB设备插座。USB总线控制器对接到USB设备插座的数据信号进行控制，当接收到使能信号时，则建立该数据通道；否则将该数据通道关闭。
辅助电源端口负责提供辅助电源，当装置总电流大于500mA时，通过该端口向装置和USB从设备供电。同样为了防止主机电源的电流倒灌入辅助电源，辅助电源通过二极管后接入装置的电源***。
管理端口提供控制信号的端口，从外部接收到控制信号后，交由MCU控制单元进行解析并执行。MCU控制单元接收到控制信号后，对控制信号进行解析后，转化为编码器可以识别的内部信号，并将该信号传送至编码器。编码器接收到MCU传来的内部信号后，控制自身的引脚进行动作，编码器的引脚接至每个USB总线控制器，传送使能信号。当需要指定的USB设备端口打开时，则传送使能信号至与之对应的USB总线控制器的使能端；否则保持低电平，该USB控制器将该USB通道关闭。
实施例2、由USB主机端口来发送命令控制主机端口和从机端口的通信
参见图5和图6所示，本实用新型的实施例2提供的USB端口管理装置包括：与外部USB主机相连的USB主机端口、与USB主机端口相连的第一级USB集线器、与第一级USB集线器顺次级联的若干中间级USB集线器和终级USB集线器、与外部辅助电源相连的辅助电源端口、两个二极管、MCU(Micro Control Unit，微控制单元)控制单元、与终级USB集线器等同数量的编码器、与所有终级USB集线器的USB输出端口等同数量的USB总线控制器、以及与USB总线控制器等同数量的USB设备插座，USB主机端口通过两根数据线与第一级USB集线器相连，USB主机端口、辅助电源端口的VCC端口均通过一个二极管与电源VCC相连，USB主机端口、辅助电源端口的GND端口均与地线GND相连。
每个终级USB集线器包括4个或7个USB输出端口。终极集线器的每个USB输出端口上连接一个USB总线控制器，与同一个终级USB集线器相连的USB总线控制器均连接到与该终级USB集线器对应的编码器上，各编码器均与所述MCU控制单元相连，MCU控制单元与第一级USB集线器相连。每个USB总线控制器通过一个USB设备插座连接一个外部的USB从设备。
实施例2中，USB主机的数据信号和管理USB主机端口和从机端口通信的控制信号都通过USB主机端口传送至USB端口管理装置，在USB端口管理装置内部将两者分离，并传送至相关单元进行处理。此种方式下，仅使用一台主机即可实现数据的传输和端口的管理。
参见图5所示，USB主机通过USB数据线连接到USB端口管理装置的USB主机端口，数据信号和控制信号都通过USB主机端口进行传送，减少了装置的端口，简化了设备的安装方式，集成度较高。
参见图6所示，USB主机端口同时传送数据信号和控制信号至USB HUB，经过USB HUB端口扩展之后，MCU控制单元作为一个USB从设备接在其中一个端口上，控制信号通过USB HUB后直接传至MCU控制单元，由MCU控制单元进行分析并执行。
此种方式下，MCU通过USB端口对主机USB端口进行通信，已经挂载在USB总线上，占用了其中一个端口，并且需要持续进行访问，因此在其管理的其他USB端口中，允许同时挂载在USB总线上的从设备总数为126个。
显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型包含这些改动和变型在内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (9)
1.一种USB端口管理装置，它包括与外部USB主机相连的USB主机端口、与所述USB主机端口相连的第一级USB集线器、与所述第一级USB集线器顺次级联的若干中间级USB集线器和终级USB集线器，其特征在于：它还包括与外部辅助电源相连的辅助电源端口、MCU控制单元、与终级USB集线器等同数量的编码器、与所有终级USB集线器的USB输出端口等同数量的USB总线控制器、以及与USB总线控制器等同数量的USB设备插座，终极集线器的每个USB输出端口上连接一个USB总线控制器，与同一个终级USB集线器相连的USB总线控制器均连接到与该终级USB集线器对应的编码器上，各编码器均与所述MCU控制单元相连，每个USB总线控制器通过一个USB设备插座连接一个外部的USB从设备。
2.如权利要求1所述的USB端口管理装置，其特征在于：所述MCU控制单元与第一级USB集线器相连。
3.如权利要求1所述的USB端口管理装置，其特征在于：它还包括与外部管理主机相连的管理端口，所述管理端口与MCU控制单元相连。
4.如权利要求3所述的USB端口管理装置，其特征在于：所述管理端口与USB主机端口集成在同一设备上。
5.如权利要求3所述的USB端口管理装置，其特征在于：所述管理端口与USB主机端口分别位于两台设备中。
6.如权利要求1所述的USB端口管理装置，其特征在于：所述USB主机端口通过两根数据线与第一级USB集线器相连。
7.如权利要求1所述的USB端口管理装置，其特征在于：它还包括两个二极管，所述USB主机端口、辅助电源端口的VCC端口均通过一个二极管与电源VCC相连，USB主机端口、辅助电源端口的GND端口均与地线GND相连。
8.如权利要求1至7任一项所述的USB端口管理装置，其特征在于：所述终级USB集线器包括4个USB输出端口。
9.如权利要求1至7任一项所述的USB端口管理装置，其特征在于：所述终级USB集线器包括7个USB输出端口。
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Date of cancellation: 20170517 Granted publication date: 20130313 Pledgee: Guanggu Branch of Wuhan Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Pledgor: WUHAN SHIJI JINQIAO SAFETY TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: 2016420000060 |
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