устройство для передачи данных между компьютером и периферийными устройствами, выполненное в виде универсальной последовательной шины

Формула изобретения

Устройство для передачи данных между компьютером и периферийными устройствами, выполненное в виде универсальной последовательной шины, включающее кабель с сигнальными линиями, шинами питания, микросхему контроллера компьютера, формирующего команды, определяющие работу периферийного устройства, микросхему контроллера устройства, управляющего направлениями потоков передаваемых данных, расположенную в периферийном устройстве, отличающееся тем, что в него включают две микросхемы преобразователей уровней сигналов с выводов микросхем контроллеров, при этом первая из микросхем преобразователей первым и вторым выводами соединена соответственно с первым и вторым выводами микросхемы контроллера компьютера, третий вывод первой микросхемы преобразователя соединен с первым выводом первой сигнальной линии кабеля и через первую схему коррекции переходной характеристики кабеля с входом первой согласованной нагрузки, четвертый вывод первой микросхемы преобразователя соединен с первым выводом второй сигнальной линии кабеля и через вторую схему коррекции переходной характеристики кабеля с первым выводом второй согласованной нагрузки, первый и второй выводы второй микросхемы преобразователя соединены соответственно с первым и вторым выводами контроллера устройства, второй вывод первой сигнальной линии кабеля соединен с третьим выводом второй микросхемы преобразователя и через третью схему коррекции переходной характеристики кабеля с первым выводом третьей согласованной нагрузки, второй вывод второй сигнальной линии кабеля соединен с четвертым выводом второй микросхемы преобразователя и через четвертую схему коррекции переходной характеристики кабеля с первым выводом четвертой согласованной нагрузки, третий вывод микросхемы контроллера компьютера соединен с пятым выводом первой микросхемы преобразователя, первым выводом первого стабилизатора напряжения, первыми выводами первого и второго фильтров, предназначенных для уменьшения шума по питанию, вторыми выводами первой и второй согласованных нагрузок и первым выводом общей шины кабеля, шестой вывод первой микросхемы преобразователя соединен со вторыми выводами первого фильтра, предназначенного для уменьшения шума по питанию, и первого стабилизатора напряжения, четвертый вывод микросхемы контроллера компьютера соединен со вторым выводом второго фильтра, предназначенного для уменьшения шума по питанию, третьим выводом первого стабилизатора напряжения и первым выводом шины питания кабеля, третий вывод микросхемы контроллера устройства соединен с пятым выводом второй микросхемы преобразователя, первым выводом второго стабилизатора напряжения, первым выводом третьего фильтра, предназначенного для уменьшения шума по питанию, первым выводом четвертого фильтра, предназначенного для уменьшения шума по питанию, вторым выводом третьей согласованной нагрузки, вторым выводом четвертой согласованной нагрузки и вторым выводом общей шины кабеля, второй вывод второго стабилизатора напряжения соединен с шестым выводом второй микросхемы преобразователя и вторым выводом третьего фильтра, предназначенного для уменьшения шума по питанию, четвертый вывод микросхемы контроллера устройства соединен со вторым выводом четвертого фильтра, предназначенного для уменьшения шума по питанию, третьим выводом второго стабилизатора напряжения и вторым выводом шины питания кабеля.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к вычислительной технике, а именно к области локальных компьютерных сетей на универсальных последовательных шинах.

Известны последовательные шины передачи данных, предназначенные для периферийных устройств типа «мыши», клавиатуры, принтера, модема и жесткого диска [1].

Известно также устройство для передачи данных между компьютером и периферийными устройствами, выполненное в виде универсальной последовательной шины, включающее кабель с сигнальными линиями, шинами питания и разъемами на концах для соединения периферийных устройств с персональным компьютером, микросхему контроллера, формирующего команды, определяющие работу периферийного устройства, и микросхему, расположенную в периферийном устройстве [2].

Недостатками указанных устройств для связи персонального компьютера с периферийными устройствами являются:

- ограничения по расстоянию передачи пакетов цифровой информации,

- высокая сложность, обусловленная сложностью электрических ретрансляторов сигнала,

- высокая сложность, обусловленная наличием устройств - разветвителей кабелей.

Наиболее близким к изобретению является устройство для передачи данных между компьютером и периферийными устройствами [3], выполненное в виде универсальной последовательной шины, включающее кабель с сигнальными линиями, шинами питания и разъемами на концах для соединения периферийных устройств с персональным компьютером, микросхему контроллера компьютера, формирующего команды, определяющие работу периферийного устройства, микросхему контроллера устройства, управляющего направлениями потоков передаваемых данных, расположенную в периферийном устройстве, в котором содержатся, по крайней мере, две микросхемы ретранслятора, первым и вторым внешними электродами соединенные с выходами микросхем контроллеров, а третьим и четвертым внешними электродами соединенные с кабелем, согласующие импедансы кабеля и контроллеров и преобразующие уровни сигналов с выходов микросхем контроллеров, расположенных в персональном компьютере и периферийном устройстве, для обеспечения их передачи по кабелю без отражения сигналов в нем.

Функциональная схема устройства согласно прототипа [3] для передачи данных между персональным компьютером и периферийным устройством иллюстрируется фиг.1 и 2.

Устройство для передачи данных между персональным компьютером 1 периферийными устройствами 2, приведенное на Фиг.1 и выбранное в качестве прототипа, выполнено в виде универсальной последовательной шины, включает кабель с сигнальными линиями 3 и 4, шинами питания (не показаны) и разъемами 5 и 6 на концах для соединения периферийных устройств с персональным компьютером, микросхему контроллера 7 компьютера, формирующего команды, определяющие работу периферийного устройства, микросхему контроллера 8 устройства, управляющего направлениями потоков передаваемых данных, расположенную в периферийном устройстве 2. Устройство дополнительно содержит две идентичные микросхемы 9 и 10, функциональная блок-схема которых приведена на фиг.2. Микросхемы первым 11 и вторым 12 внешними электродами соединены с выходами микросхем контроллеров 7 и 8, а третьим 13 и четвертым 14 внешними электродами - с сигнальными линиями 3 и 4 кабеля. Микросхемы 9 и 10 согласовывают импедансы кабеля и контроллеров и преобразуют уровни сигналов с выходов микросхем контроллеров 7 и 8, расположенных в персональном компьютере 1 и периферийном устройстве 2, для передачи их по кабелю без отражения.

Как показано на фиг.2, каждая дополнительная микросхемы 9 и 10 содержит первый и второй приемники 15 и 16, соединенные дифференциальными входами соответственно с первым 11, вторым 12, третьим 13 и четвертым 14 внешними электродами микросхем 9 и 10, а выходами со входами соответственно первого и второго передатчика 17 и 18, которые дифференциальными выходами подключены к третьему 13 и четвертому 14, первому 11 и второму 12 внешним электродам микросхем 9 и 10. Микросхемы 9 и 10 содержат таймерное устройство 19, подключенное к логическому блоку 20, входы которого подключены к выходам приемников, а выходы - к управляющим входам первого и второго передатчиков 17 и 18, вырабатывающему для передатчиков сигналы разрешения передачи данных на внешние электроды 11, 12, 13, 14 микросхем 9 и 10.

Анализ технического решения, заявленного в прототипе [3], показывает, что оно не полностью устраняет недостатки известных устройств, используемых для связи персонального компьютера с периферийными устройствами.

Так серьезным недостатком устройства, заявленного в прототипе [3], является принципиальное ограничение длины линий связи 3 и 4 в устройстве передачи данных величиной порядка 25 м. Это обусловлено тем, что в прототипе не учтено:

1) наличие у переходной характеристики сигнальной линии кабеля участка весьма медленного нарастания вблизи стационарного значения, которое приводит к существенному влиянию на искажение формы импульсных сигналов в цифровых пакетах информации и, как следствие, к существенному увеличению джиттера (отклонения показательных участков сигнала от их требуемого положения во времени),

2) падение напряжения на шинах питания, что приводит к увеличению джиттера цифровых сигналов,

3) не учтено влияние шумов на величину джиттера при больших длинах сигнальной линии кабеля.

В прототипе не обеспечено согласование в полном объеме волнового сопротивления кабеля с выходом микросхемы - ретранслятора из-за реальных разбросов номиналов резисторов в технологии изготовления интегральных микросхем.

Кроме того, ограничиваются типы кабелей и их параметры. Микросхемы ретрансляторов необходимо разрабатывать под каждое номинальное значение волнового сопротивления кабеля.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является достижение технического результата, заключающегося в увеличении длины используемого кабеля, до значения, ограниченного только протоколом обмена данных (ответа) в последовательной шине в соответствии со спецификацией этой шины, а также в возможности использования различного типа кабелей без необходимости всякий раз разрабатывать дорогостоящие микросхемы - ретрансляторы с функциями двойного назначения - согласования импеданса кабеля и контроллеров и преобразования уровней сигналов с выходов микросхем контроллеров, за счет:

- использования простых универсальных микросхем преобразователей, пригодных для любого типа кабелей, выполняющих одну функцию по преобразованию уровней сигналов с выходов микросхем контроллеров,

- включения в устройство четырех схем коррекции переходной характеристики сигнальных линий кабеля, четырех согласованных нагрузок, двух схем стабилизаторов и четырех фильтров, предназначенных для уменьшения шума по питанию.

Для достижения названного технического результата в устройстве для передачи данных между компьютером и периферийными устройствами [3], выполненном в виде универсальной последовательной шины, включающем кабель с сигнальными линиями, шинами питания, микросхему контроллера компьютера, формирующего команды, определяющие работу периферийного устройства, микросхему контроллера устройства, управляющего направлениями потоков передаваемых данных, расположенную в периферийном устройстве,

дополнительно включают новые элементы, являющиеся существенными признаками: две микросхемы преобразователей уровней сигналов с выводов микросхем контроллеров, при этом первая из микросхем преобразователей первым и вторым выводами соединена соответственно с первым и вторым выводами микросхемы контроллера компьютера, третий вывод первой микросхемы преобразователя соединен с первым выводом первой сигнальной линии кабеля и через первую схему коррекции переходной характеристики кабеля с входом первой согласованной нагрузки, четвертый вывод первой микросхемы преобразователя соединен с первым выводом второй сигнальной линии кабеля и через вторую схему коррекции переходной характеристики кабеля с первым выводом второй согласованной нагрузки, первый и второй выводы второй микросхемы преобразователя соединены соответственно с первым и вторым выводами контроллера устройства, второй вывод первой сигнальной линии кабеля соединен с третьим выводом второй микросхемы преобразователя и через третью схему коррекции переходной характеристики кабеля с первым выводом третьей согласованной нагрузки, второй вывод второй сигнальной линии кабеля соединен с четвертым выводом второй микросхемы преобразователя и через четвертую схему коррекции переходной характеристики кабеля с первым выводом четвертой согласованной нагрузки, третий вывод микросхемы контроллера компьютера соединен с пятым выводом первой микросхемы преобразователя, первым выводом первого стабилизатора напряжения, первыми выводами первого и второго фильтров, предназначенных для уменьшения шума по питанию, вторыми выводами первой и второй согласованных нагрузок и первым выводом общей шины кабеля, шестой вывод первой микросхемы преобразователя соединен со вторыми выводами первого фильтра, предназначенного для уменьшения шума по питанию, и первого стабилизатора напряжения, четвертый вывод микросхемы контроллера компьютера соединен со вторым выводом второго фильтра, предназначенного для уменьшения шума по питанию, третьим выводом первого стабилизатора напряжения и первым выводом шины питания кабеля, третий вывод микросхемы контроллера устройства соединен с пятым выводом второй микросхемы преобразователя, первым выводом второго стабилизатора напряжения, первым выводом третьего фильтра, предназначенного для уменьшения шума по питанию, первым выводом четвертого фильтра, предназначенного для уменьшения шума по питанию, вторым выводом третьей согласованной нагрузки, вторым выводом четвертой согласованной нагрузки и вторым выводом общей шины кабеля, второй вывод второго стабилизатора напряжения соединен с шестым выводом второй микросхемы преобразователя и вторым выводом третьего фильтра, предназначенного для уменьшения шума по питанию, четвертый вывод микросхемы контроллера устройства соединен со вторым выводом четвертого фильтра, предназначенного для уменьшения шума по питанию, третьим выводом второго стабилизатора напряжения и вторым выводом шины питания кабеля

Настоящее изобретение поясняется чертежами и осциллограммами, приведенными на фиг.3, 4, 5.

На фиг.3 приведена функциональная схема устройства, предлагаемого в изобретении, для передачи данных между персональным компьютером и периферийным устройством, которая содержит компьютер 1, периферийное устройство (ПУ) 2, сигнальные линии (СЛ1, СЛ2) 3, 4 кабеля, микросхему контроллера 7 компьютера, микросхему контроллера 8 периферийного устройства, микросхемы преобразователей (Р1, Р2) 21, 22, схемы 23, 24, 25, 26 коррекции (СК1, CK2, СК3, СК4) переходной характеристики сигнальных линий кабеля, согласованные нагрузки (СН1, СН2, СН3, СН4) 27, 28, 29, 30, стабилизаторы 31, 32 напряжения (СТН1, СТН2), фильтры (Ф1, Ф2, Ф3, Ф4) 33, 34, 35, 36, предназначенные для уменьшения шума по питанию, общую шину (ОШ) 37, шину 38 питания (ШП).

При этом предлагаемое устройство для передачи данных между компьютером 1 и периферийными устройствами 2, выполнено в виде универсальной последовательной шины, включает кабель с сигнальными линиями 3 и 4, шинами питания, микросхему контроллера 7 компьютера, формирующего команды, определяющие работу периферийного устройства, микросхему контроллера 8 устройства, управляющего направлениями потоков передаваемых данных, расположенную в периферийном устройстве. Устройство дополнительно содержит две микросхемы преобразователей 21, 22 уровней сигналов с выводов микросхем контроллеров 7 и 8, при этом первая из микросхем преобразователей 39 первым и вторым выводами соединена соответственно с первым и вторым выводами микросхемы контроллера 7 компьютера, третий вывод первой микросхемы преобразователя 21 соединен с первым выводом первой сигнальной линии 3 кабеля и через первую схему коррекции переходной характеристики кабеля с входом первой согласованной нагрузки 27, четвертый вывод первой микросхемы преобразователя 21 соединен с первым выводом второй сигнальной линии 4 кабеля и через вторую схему 24 коррекции переходной характеристики кабеля с первым выводом второй согласованной нагрузки 28, первый и второй выводы второй микросхемы преобразователя 22 соединены соответственно с первым и вторым выводами контроллера 8 устройства, второй вывод первой сигнальной линии 3 кабеля соединен с третьим выводом второй микросхемы преобразователя 22 и через третью схему 25 коррекции переходной характеристики кабеля с первым выводом третьей согласованной нагрузки 29, второй вывод второй сигнальной линии 4 кабеля соединен с четвертым выводом второй микросхемы преобразователя 22 и через четвертую схему 26 коррекции переходной характеристики кабеля с первым выводом четвертой согласованной нагрузки 30, третий вывод микросхемы контроллера 7 компьютера соединен с пятым выводом первой микросхемы преобразователя 21, первым выводом первого стабилизатора 31 напряжения, первыми выводами первого и второго фильтров 33,34, предназначенных для уменьшения шума по питанию, вторыми выводами первой и второй согласованных нагрузок 27, 28 и первым выводом общей шины 37 кабеля, шестой вывод первой микросхемы преобразователя 21 соединен со вторыми выводами первого фильтра 33, предназначенного для уменьшения шума по питанию, и первого стабилизатора 31 напряжения, четвертый вывод микросхемы контроллера 7 компьютера соединен со вторым выводом второго фильтра 34, предназначенного для уменьшения шума по питанию, третьим выводом первого стабилизатора 31 напряжения и первым выводом шины 38 питания кабеля, третий вывод микросхемы контроллера 8 устройства соединен с пятым выводом второй микросхемы преобразователя 22, первым выводом второго стабилизатора 32 напряжения, первым выводом третьего фильтра 35, предназначенного для уменьшения шума по питанию, первым выводом четвертого фильтра 36, предназначенного для уменьшения шума по питанию, вторым выводом третьей согласованной нагрузки 29, вторым выводом четвертой согласованной нагрузки 30 и вторым выводом общей шины 37 кабеля, второй вывод второго стабилизатора 32 напряжения соединен с шестым выводом второй микросхемы преобразователя 22 и вторым выводом третьего фильтра 35, предназначенного для уменьшения шума по питанию, четвертый вывод микросхемы контроллера 8 устройства соединен со вторым выводом четвертого фильтра 36, предназначенного для уменьшения шума по питанию, третьим выводом второго стабилизатора 32 напряжения и вторым выводом шины 38 питания кабеля.

Устройство согласно настоящему изобретению, работает следующим образом.

В режиме ожидания выходы контроллера 7 компьютера находятся в состояниях логического "0" и логической "1" соответственно. При изменении этого состояния в микросхемах преобразователей 21 и 22 происходит установка направления передачи данных от контроллера 7 персонального компьютера 1 к контроллеру 8 периферийного устройства 2. После этого осуществляется передача пакета цифровых данных с третьего и четвертого выводов микросхемы преобразователя 21 соответственно на первые выводы сигнальных линий 3 и 4 кабеля. При изменении состояния сигнальных линий 3 и 4 происходит установка микросхемы преобразователя 22 в режим приема. Микросхема преобразователя 21 передает данные с использованием импульсных сигналов меньшей амплитуды (˜0.5 В) по сравнению с амплитудой выходного сигнала (˜3.3В) контроллера 7. Уменьшение амплитуды сигнала в микросхеме преобразователя 21 данных, который поступает с выхода контроллера 7, обеспечивает меньшую потребляемую мощность и меньшую генерацию помех в устройстве. Пакет цифровых данных с линий связи 3 и 4 поступает на третий и четвертый выводы микросхемы преобразователя 22 и передается далее на двунаправленные первый и второй выводы контроллера 8.

В режиме передачи третий и четвертый выводы микросхем преобразователей 21 и 22 являются источниками импульсного тока, к которым через схемы коррекции переходной характеристики кабеля подключены внешние согласованные нагрузки. Величина согласованных нагрузок выбирается равной волновому сопротивлению используемого кабеля. Поэтому в устройстве обеспечивается надежная передача данных без отражения сигналов в линиях 3 и 4 кабеля. Наличие внешней согласованной нагрузки позволяет согласовать различные типы кабеля с разным волновым сопротивлением. Схема коррекции переходной характеристики кабеля позволяет скорректировать переходную характеристику кабеля на участке медленного нарастания и существенно улучшить форму импульсных сигналов в цифровых пакетах информации. Последовательное соединение схемы коррекции переходной характеристики кабеля и согласованной нагрузки позволяет провести коррекцию переходной характеристики кабеля без уменьшения амплитуды импульсных сигналов. На фиг.4 представлена осциллограмма импульсного сигнала на выходе сигнальной линии без схем коррекции переходной характеристики кабеля. На фиг.5 представлена осциллограмма импульсного сигнала на выходе сигнальной линии со схемами коррекции переходной характеристики кабеля. Анализ осциллограмм показывает существенное улучшение формы импульсного сигнала и наличие крутого фронта и среза импульса при использовании последовательного соединения схемы коррекции переходной характеристики кабеля с согласованной нагрузкой. Сигнальные линии кабеля являются двунаправленными линиями передачи. Поэтому для обеспечения идентичности формы импульсных сигналов при их передаче в разных направлениях, схемы коррекции переходной характеристики кабеля и согласованные нагрузки установлены в начале и в конце сигнальных линий. Поступление импульсных сигналов с крутыми фронтом и срезом на выводы микросхем преобразователей 21 и 22, работающих в режиме приема, позволяет обеспечить форму выходных импульсных сигналов, не зависящую от передаваемой информации, а следовательно, уменьшить джиттер импульсных сигналов в цифровых пакетах информации.

При использовании длинных линий передачи происходит падение напряжения питания на шинах питания, что влияет на величину порога компарирования приемника в микросхемах преобразователей 21 и 22. В результате при пологом фронте и срезе импульсного сигнала это влияет на изменение длительности импульсов в цифровых пакетах информации, а следовательно, увеличивает джиттер импульсных сигналов. Использование стабилизаторов напряжения 31 и 32 позволяет обеспечить постоянное значение напряжения питания при изменении длины кабеля, а следовательно, уменьшить джиттер импульсных сигналов.

При большой длине линий передачи возрастает длительность фронта и среза импульсного сигнала, а наличие шумов по питанию приводит к увеличению шумов на импульсном сигнале и к увеличению джиттера. Подключение фильтров 31, 32, 33, 34, предназначенных для уменьшения шума по питанию, к первому и второму выводу шины питания и к стабилизаторам напряжения 31 и 32 уменьшает шумы по питанию, а следовательно, и джиттер цифровых сигналов.

Это позволяет увеличить длину линий связи 3 и 4 в устройстве передачи данных, согласно настоящему изобретению, до 40 метров, ограниченную только протоколом обмена данных в последовательной шине, а также использовать различные типы кабеля и согласовывать их волновое сопротивление.

Передача пакетов данных от периферийного устройства 2 к персональному компьютеру 1 производится в последовательности, описанной выше.

Проведенные патентные исследования показали, что совокупность признаков предлагаемого изобретения является новой, что оказывает новизну заявляемого устройства.

Кроме того, патентные исследования показали, что в литературе отсутствуют данные, показывающие влияние отличительных признаков заявленного изобретения на достижение технического результата, что подтверждает изобретательский уровень предлагаемого устройства.

Данная совокупность отличительных признаков позволяет достичь названный технический результат.

Устройство для передачи данных, согласно изобретению, может найти широкое применение не только в домашних компьютерных сетях, но и в сетях с разного типа периферийными устройствами, расположенными на значительном расстоянии друг от друга.

Литература

1. M.Dolle, A Dynamic Line-Termination Circiut for Multireceiver Nets, IEEE Journal on Solid-State Circuits, vol. NO. 12, December 1993, pp 1370-1373.

2. Han Shu, Usb Multi-Function Connecting Device, United States Patent 6058441, May 2, 2000.

3. Патент РФ N2275682.