专利名称：外接设备的供电接口装置及接口供电方法
外接设备的供电接口装置及接口供电方法
技术领域：
本发明涉及一种供电接口装置及设备供电方法。背景技术：
目前大多数工作设备为保证其可靠工作，都使用独立电源单独供电。 工作设备与其它设备连接的接口，只提供信号通路。少数不采用独立电源 而通过接口供电的工作设备，要么设计成为接口常上电模式，采用缓上电
电路进行接口供电保护；要么通过复杂的机械结构实现插入设备的检测和 接口上电控制。其实现方案都较为繁琐，且不可靠。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种能简单快速识别外接设备插拔，即时 导通或关断电源的外接设备的供电接口装置及接口供电方法。
为实现上述目的，本发明提出一种外接设备的供电接口装置，包括基 准电平监控电路、工作电源开关、信号接口插座、工作电源接口插座；所 述信号接口插座包括第一信号引脚，该第一信号引脚与所述基准电平监控
电路输入端耦合；所述工作电源开关控制端与所述基准电平监控电路输出 端连接；所述工作电源开关输入端用于连接工作电源，输出端与所述工作 电源接口插座连接；当所述基准电平监控电路监测到所述第一信号弓I脚发 生电平跳变时，输出控制信号，控制工作电源开关的通断，为工作电源接 口插座上电或断电。
上述的供电接口装置，还包括信号监控电源，分别与所述基准电平监 控电路、工作电源开关、信号接口插座连接。
上述的供电接口装置，所述信号接口插座还包括电源正极引脚、电源 负极引脚；所述电源正极引脚、电源负极引脚与所述信号监控电源耦合。 所述第一信号引脚的长度略短于所述电源正极引脚、电源负极引脚的长度。
上述的供电接口装置，所述信号接口插座还包括第二信号引脚，其与 所述第一信号引脚、电源正极引脚、电源负极引脚构成一标准USB接口插 座。所述基准电平监控电路包括USB控制器，所述工作电源开关、信号接
口插座分别与其电连接。所述信号接口插座、电源插座为一体化结构，结 合为信号电源复合插座。
上述的供电接口装置，所述信号接口插座还包括第二信号引脚，其与 所述第一信号弓I脚分别与所述信号监控电源耦合。
上述的供电接口装置，所述基准电平监控电路包括比较电路，所述比 较电路一输入端用于连接基准电压，另一输入端与所述信号接口插座的第 一信号弓l脚或第二信号弓I脚耦合，所述比较电路输出端与所述工作电源开 关控制端连接。还包括减法电路、隔离驱动电路，所述减法电路一端与所 述信号接口插座电连接，另一端与所述隔离驱动电路电连接。
同时，本发明提出了一种外接设备的接口供电方法，利用上述的供电 接口装置实时监测用于与外接设备相接的信号通路的电平变化，根据该电 平变化，为外接设备接上工作电源或断开工作电源。
上述的接口供电方法，由供电接口装置的信号接口同时引接信号监控
电源；当外接设备插入或拔出接口供电装置的信号接口时，供电接口装置 先行检测到信号通路上的电平变化，再给出工作电源开关的控制信号，为 供电接口装置的供电接口上电或断电。
上述的接口供电方法，所述信号接口、供电接口结合为一复合接口， 其中的信号引脚设为略短于信号监控电源引脚和工作电源引脚；使外接设 备拔出接口供电装置的复合接口时，信号引脚的连接首先断开，产生信号 通路上的电平下跳。
上述的接口供电方法，当外接设备脱离与供电接口装置的连接时，于 供电接口脱离接触之前，信号通路先行脱离接触，供电接口装置检测到信 号通路上的电平变化，给出供电开关的控制信号，为供电接口断电。
上述的接口供电方法，当外接设备与供电接口装置连接时，信号通路 上的电平产生变化，供电接口装置检测到该电平变化，给出工作电源开关 的控制信号，为供电接口上电。
由于采用了以上的方案，通过检测接口信号电平的跳变，实现了外接 工作设备的插入和拔出识别，并由此导通或关断工作电源开关，为供电接 口装置上电或断电，实现了外接供电的外接设备的热插拔，避免了由于插
口直接供电而在大电流情况下发生打火、拉弧现象。 一方面增加了设备寿
命；另外一方面，增加了设备运行的可靠性，更符合医疗设备安全要求。
本发明的方案，外接设备插接供电接口装置后才供电，安全可靠；外 接设备拔出时，在插座完全脱离前，工作电源已可靠关断，杜绝了工作电 源接口脱离时打火和拉弧现象；外接设备拔出后，接口不带电，为可接触 但不带电部件，更满足安全需要。
本发明在电路实现上可直接采用USB接口电路，在外接工作设备的插拔 瞬间，实现对接口信号电平跳变的检测，由此导通或关断工作电源开关； 而在工作设备上电工作状态下，又可以利用其信号通道作为外接工作设备 与上位机之间的数据通信通道；使本发明的装置得到高效利用，大大节省 资源与成本。
本发明的电路实现也可以采用分立器件，电路实现简单，成本低廉、 可靠。
本发明的方案，供电接口装置可为外界设备提供一路工作电源和一路 低功耗电源，特别适用于对电源有大电流要求的外接设备。
图l是本发明电路原理框图2是实施例一电路原理框图3是实施例一的具体电路原理图4是实施例一的具体工作流程图5是实施例一中的关键信号电平变换时序图6是实施例二的电路原理框图7是实施例三的具体电路原理图。
具体实施方式
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。 实施例一
图1为本发明的电路原理图，本发明的供电接口装置包括基准电平监 控电路、工作电源开关、信号接口插座、电源插座、5V信号监控电源，信 号接口插座包括第一信号引脚、电源正极引脚、电源负极引脚；电源正极 引脚、电源负极引脚用于连接信号监控电源，第一信号引脚与基准电平监
控电路输入端耦合;工作电源开关控制端与基准电平监控电路输出端连接； 工作电源开关输入端用于连接工作电源，输出端与电源插座连接；当基准 电平监控电路监测到第一信号引脚发生电平跳变时，输出控制信号，控制 开关电源的通断，为电源插座上电或断电。
图2、图3为本方案供电接口装置的一种具体电路实现形式，适用于 具备USB接口的外接设备。电路中，基准电平监控电路直接采用USB控制 器，Jl为一个二合一的信号电源复合插座，由信号接口插座和工作电源接 口插座结合为一体组成。信号接口插座为引脚PIN1 PIN4脚，采用一个标 准的USB—A型插座，第一信号引脚PIN2和第二信号引脚PIN3为设备信号 线(差分线对)插口，电源正极引脚PIN1、电源负极引脚PIN4为信号监 控电源引脚，引接+5V的信号监控电源；引脚PIN6、 PIN7脚为工作电源接 口插座的插口，用于引接+12V工作电源。U1为一USB控制器。USB控制器 Ul和JI的PIN1 PIN4设计遵从USB标准规范。PIN2和PIN3上的差分信 号通过第一下拉电阻R44、第二下拉电阻R45下拉。U4为ESD保护电路， 起静电保护作用，U3为MOSFET开关管，为Jl的管脚1供电。
本例直接利用USB控制器U1内部嵌入的MCU进行差分信号线电平判断。 USB控制器U1、 M0SFET开关管U3、 ESD保护电路U4、第一下拉电阻R44、第二 下拉电阻R45以及信号电源复合插座JI的PIN1 PIN4构成了一个完整的供 电接口装置。
M0SFET开关管U3未使能时，处于高阻状态，输出5V电压，但是电 流小于100mA。加上人体电阻1K，最大产生5mA电流，这样的电压不会 对人体造成电击危险。所以在医疗器械领域，它属于"不带电"部件。因 此，本发明的方案中，当外接设备不插入时，供电接口装置就不会有12V 的供电，即其仍为"不带电"状态，不会对人体造成危险。使能后，处于 低阻状态，可输出5V电压、最大电流500mA。引脚PIN1和PIN4是一直 连接5V信号监控电源，用于检测供电。
外接设备采用一个二合一的、与信号电源复合插座J1完全匹配的接口 插座。与上位机通过USB进行信号传输，设计上同样符合USB规范。外接设 备需要+12V和+5V两路电源，其中，+12V电源有5A的工作需求。
本例的工作流程如图4所示。供电接口装置同时为外接设备提供信号监 控电源并提供信号通路。在信号线上，供电接口装置下拉，外接设备上拉。 其工作过程为，当外接设备插入或拔出，信号线上的电平将发生变化，供 电接口装置检测到这一变化，给出工作电源开关的控制信号，为供电接口 装置提供工作电源或断电。
如图5所示。当外部设备插入时，插座的长短针结构，使得PIN1、 PIN2 先于信号PIN2、 PIN3连接，外部设备先获得+5V的信号监控电源。由于外部 设备的DM或DP信号上拉，PIN2、 PIN3连接后，DM或DP信号电压基准发生变 化。USB控制器U1内部嵌入式MCU将检测到差分信号电平的变化(DM或DP信 号电压基准变化)，USB控制器U1管脚PSW1给出低电平。三极管Q1导通，光 耦U2工作，使得光耦U2的3、 4管脚导通并变为低电平，M0SFET开关管Q2导 通，十12V工作电源为信号电源复合插座J1的工作电源接口插座的PIN6、 PIN7脚上电。这样，外接设备正常工作所需+ 12V电源上电。
当外接设备拔出时，由于PIN1 PIN4为一个标准的USB—A型插座，其特 殊的长短插针设计，使得PIN2、 PIN3首先断开。插头未完全拔出时，信号 线己经出现电平跳变。USB控制器U1内部嵌入式MCU将检测到差分信号电平 的变化，USB控制器U1管脚PSW1给出高电平，三极管Q1关断，光偶U2不工作， 使得光耦U2的管脚4变为高电平，M0SFET开关管Q2截至，信号电源复合插座 J1的PIN6、 PIN7脚上的+ 12V断电。由于处理时间极短，外接设备的插头还 未完全拔出时，供电接口装置上的+ 12V电源已被切断。杜绝了大电流情况 下的打火、拉弧现象。同时也保证了设备拔出后接口不带电，更满足医疗 设备安全需要。
本方案中，供电接口电路为外接设备提供+12V和+5V电源。特别适用于 外界设备对+12V有大电流要求(最大连续电流5A)的应用领域。 实施例二
本例的工作原理与实施例一相同，不同之处在于，其电路采用如图6所 示的分立器件实现，包括比较器、信号电源复合插座、工作电源开关、减 法器、隔离与驱动电路，比较器作为基准电平监控电路，信号电源复合插 座中第二引脚、第三引脚中任意一个引脚连接至比较器"+ "端，比较器 "一"端接4V电压，比较器输出端连接至电源开关的控制极上，以控制+
12V通断。当外接设备插入时，第二引脚、第三引脚基准电平跳变为5V，大 于4V电压，使得比较器输出高电平，电源开关接通，为外接设备供+ 12V电。 第二引脚、第三引脚同时复用为信号线作为数据传输之用，通过减法电路 减去5V基准电平后，经过隔离和驱动电路，送至上位机。
本例的分立器件实现方案中，第一引脚至第四引脚同样为类似USB—A型 插座的长短插针设计，第一引脚、第四引脚保持+5V常供电。使得插入时， 第一引脚、第四引脚先接触，外界设备先有5V供电；拔出时第二引脚、第 三引脚先断开，第二引脚、第三引脚基准电平首先跌落为OV;比较器检测 到电平跳变后，输出高电平，电源开关接通，为外接设备供+12V电。
实施例三
本例的工作原理与实施例一相同，不同之处在于，如图7所示，在其具 体实现电路中，省略了部分电路，且插座J1改为6PIN插座，其中的PIN1和 PIN2通过第一上拉电阻R46、第二上拉电阻R47上拉，连接+5V的信号监控电 源，而外接设备的对应引脚进行下拉，当外接设备接入时，PIN1和PIN2上 的信号发生跳变，USB控制器U1内部嵌入式MCU将检测到差分信号电平的变 化(DM或DP信号电压基准变化)，USB控制器U1管脚PSW1给出低电平。三极 管Q1导通，光耦U2工作，使得光耦U2的3、 4管脚导通并变为低电平，M0SFET 开关管Q2导通，+ 12V工作电源为信号电源复合插座Jl的工作电源接口插座 的PIN4、 PIN5脚上电。这样，外接设备正常工作所需+ 12V电源上电。
本发明的方法及其装置，在本公司某型多参数病人监护仪开发过程中 得到应用中，并在开发样机中实现。实际验证可行、可靠，实现了预期的 发明目的。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说 明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术 领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若 干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。比如，引脚的长 短针设计可以在外接设备的接口插座中实现，而本发明的供电接口电路不 需要长短针设计；供电接口电路的具体实现方式也多种多样。
权利要求
1.一种外接设备的供电接口装置，其特征是包括基准电平监控电路、工 作电源开关、信号接口插座、工作电源接口插座；所述信号接口插座包 括第一信号引脚，该第一信号引脚与所述基准电平监控电路输入端耦 合；所述工作电源开关控制端与所述基准电平监控电路输出端连接；所 述工作电源开关输入端用于连接工作电源，输出端与所述工作电源接口 插座连接；当所述基准电平监控电路监测到所述第一信号引脚发生电平 跳变时，输出控制信号，控制工作电源开关的通断，为工作电源接口插 座上电或断电。
2. 如权利要求l所述的供电接口装置，其特征是还包括信号监控电源， 分别与所述基准电平监控电路、工作电源开关、信号接口插座连接。
3. 如权利要求2所述的供电接口装置，其特征是所述信号接口插座还包 括电源正极引脚、电源负极引脚；所述电源正极引脚、电源负极引脚与 所述信号监控电源耦合。
4. 如权利要求3所述的供电接口装置，其特征是所述第一信号引脚的长 度略短于所述电源正极引脚、电源负极引脚的长度。
5. 如权利要求1-4中任一项所述的供电接口装置，其特征是所述信号接 口插座还包括第二信号引脚，其与所述第一信号引脚、电源正极引脚、 电源负极引脚构成一标准USB接口插座。
6. 如权利要求1-4中任一项所述的供电接口装置，其特征是所述信号接 口插座、电源插座为一体化结构，结合为信号电源复合插座。
7. 如权利要求l-4中任一项所述的供电接口装置，其特征是所述信号接口插座还包括第二信号引脚，其与所述第一信号引脚分别与所述信号监 控电源耦合。
8. 如权利要求5所述的供电接口装置，其特征是所述基准电平监控电路包括USB控制器，所述工作电源开关、信号接口插座分别与其电连接。
9. 如权利要求1-8中任一项所述的供电接口装置，其特征是所述基准电平监控电路包括比较电路，所述比较电路一输入端用于连接基准电压， 另一输入端与所述信号接口插座的第一信号引脚或第二信号引脚耦合， 所述比较电路输出端与所述工作电源开关控制端连接。(多重引用，实 审时再拆分)。
10. 如权利要求9所述的供电接口装置，其特征是还包括减法电路、隔离 驱动电路，所述减法电路一端与所述信号接口插座电连接，另一端与所 述隔离驱动电路电连接。
11. 一种外接设备的接口供电方法，其特征是利用如权利要求1-10中任 一项所述的供电接口装置实时监测用于与外接设备相接的信号通路的 基准电平变化，根据该电平变化，为外接设备接上工作电源或断开工作 电源。
12. 如权利要求11所述的接口供电方法，其特征是由供电接口装置的信 号接口同时引接信号监控电源；当外接设备插入或拔出接口供电装置的 信号接口时，供电接口装置先行检测到信号通路上的电平变化，再给出 工作电源开关的控制信号，为供电接口装置的供电接口上电或断电。
13. 如权利要求12所述的接口供电方法，其特征是所述信号接口、供电 接口结合为一复合接口 ，其中的信号引脚设为略短于信号监控电源引脚 和工作电源引脚；使外接设备拔出接口供电装置的复合接口时，信号引脚的连接首先断开，产生信号通路上的电平下跳。
14. 如权利要求12所述的接口供电方法，其特征是当外接设备脱离与供电接口装置的连接时，于供电接口脱离接触之前，信号通路先行脱离接 触，供电接口装置检测到信号通路上的电平变化，给出供电开关的控制 信号，为供电接口断电。
15. 如权利要求12所述的接口供电方法，其特征是当外接设备与供电接口装置连接时，信号通路上的电平产生变化，供电接口装置检测到该电 平变化，给出工作电源开关的控制信号，为供电接口上电。
全文摘要
本发明公开了一种外接设备的供电接口装置及接口供电方法，装置包括基准电平监控电路、开关电路、信号接口插座、工作电源接口插座，基准电平监控电路通过检测接口信号基准电平的跳变，实现了外接工作设备的插入和拔出识别，并由此导通或关断工作电源开关，为供电接口装置上电或断电，实现了设备外接供电的热插拔，避免了由于插口直接供电而在大电流情况下发生打火、拉弧现象。一方面增加了设备寿命；另外一方面，增加了设备运行的可靠性，更符合医疗设备安全要求。
文档编号G05B19/04GK101364091SQ20071007557
公开日2009年2月11日 申请日期2007年8月7日 优先权日2007年8月7日
发明者旭 罗 申请人:深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司