专利名称：通用串行总线设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过USB接口进行通信的USB设备。
背景技术：
最近，广泛采用由USB标准规定的接口。图3A和3B是用于粗略解释在利用USB接口连接各设备时的电连接情况的示意图。在该图中，参考编号31是主机侧设备，32是主机侧接口芯片，33至38是电阻器，35是电缆，36是设备侧设备，37是设备侧接口芯片。USB是一种四芯线串行接口，而主机侧设备31通过四芯线电缆35与设备侧设备36相连。四芯线是电源线(Vbus)、地线(GND)以及两条数据线(D+和D-)。
数据线与主机侧设备31内的主机侧接口芯片32和设备侧设备36内的设备侧接口芯片37相连，并用于在这两个芯片之间传送数据。这两条数据线分别通过电阻器33和34接地。电阻器33和34可以是约15kΩ的电阻器。在设备侧设备36内，当它是全速设备时，数据线D+通过电阻器38连接到电源，如图3A所示。当它是低速设备时，数据线D-通过电阻器38连接到电源，如图3B所示。电阻器38的电阻约为1.5kΩ。
在USB标准中，可以利用电源线和地线将电功率从主机侧设备31提供到设备侧设备36。USB标准中规定的最大功率由5V×500mA确定。因此，对于作为设备侧设备的较低功率消耗设备(例如，计算机鼠标)的连接，不需要外部电源。因此确保了增强的便利性，并且可以提供低成本设备。
利用USB接口连接的设备不仅仅是这种低功耗设备。这些设备包括消耗大电功率的设备以及要求电压不是5V的设备。此外，组装式设备被构造为采用USB接口来连接其各相关部分。由于这些相关部分是定制的，所以电源规范经常与USB接口的标准规范不同。例如，除了5V电源之外，还经常需要3.3V和24V电源。
在USB接口标准规定的标准电源不足以提供设备侧设备消耗的电功率，或者USB接口的电源电压与所需电源电压不一致情况下，单独设置另一个电源。如果除了主机侧设备的电源外，还对设备侧设备安装另一个电源，则设备侧设备的成本会提高许多。然而，通常的惯例是，在诸如打印机或扫描仪的单独销售设备内另外设置电源。象在组装式设备内那样，在一个设备内安装电源会使设备增大，并且因为这样会额外占用该设备有限的内部空间，所以是不可接受的。
对于仅电源电压的不同的情况，解决措施比较容易，例如，在设备侧设备内设置直流-直流变换器，并将5V电压变换为要求电压。该措施不能将足够电功率提供到其所需电功率超过5V×500mA的标准电功率的设备。
下面说明此电源问题的另一个可能解决方案。在此解决方案中，在主机侧设备与设备侧设备之间设置电源线，并且除了USB电源之外，还通过该电源线将所需电功率提供到设备侧设备。该方法与采用专用接口的情况等效，但是却显著降低了采用标准接口，或USB的优势。
因此，仅该USB接口自身没有能力将电功率提供到其所消耗电功率超过标准USB供电能力的设备侧设备以及被定制为具有特定电源规范的设备侧设备。
发明内容
因此，本发明目的是提供一种USB设备，其在成本增加最小的情况下，仅利用通用USB接口，可以将超过USB接口标准规定的5V×500mA的电功率提供到设备侧设备。
可以将本发明概况为在将电功率从通过USB接口与设备侧USB设备(第二设备)相连的主机侧USB设备提供到设备侧USB设备时，该电功率的电源电压不是标准电源电压。在将其电源电压高于标准电源电压的电功率提供到设备侧USB设备时，以相同标准电流值将大量功率提供到设备侧USB设备。因此，即使设备侧USB设备包括消耗大量功率的高负载装置，仍不必采用另一个单独设置的电源。换句话说，仅利用USB接口，可以将电功率提供到设备侧USB设备。如果设备侧USB设备的电源规范要求的电源电压与标准电源电压不同，则该USB设备可以提供具有由该电源规范规定的电源电压的电功率。
在事先选择设备侧设备时，开始时提供其电源电压不同于标准电源电压的电功率。在要将另一种设备侧USB设备连接到主机侧USB设备时，提供一个提供标准电源电压电功率的功能。根据情况选择性地采用这些电功率提供功能。为此，在主机侧USB设备内设置提供多个电源电压的电功率的电源。此外，还设置用于选择这些电源电压之一的选择装置。将选择装置选择的电源电压的电功率提供到设备侧USB设备。
在以插入方式将设备侧USB设备连接到主机侧USB设备时，或者在主机侧USB设备内，在建立该连接之后，接通电源时，还要看是否需要提供其电源电压不同于标准电源电压的电功率。因此，主机侧USB设备首先提供标准电源电压的电功率。在与主机侧USB设备协商期间，设备侧USB设备请求主机侧USB设备提供另一个电源电压的电功率，例如高电功率。根据与设备侧USB设备的协商结果，主机侧USB设备作为响应，提供其电源电压不同于标准电源电压的电功率。只有在主机侧USB设备连接到需要提供其电源电压不同于标准电源电压的电功率的设备侧USB设备上时，它才提供这种电压的电功率，同时它还将标准电源电压的电功率提供到其它设备侧USB设备。
在检测到完成了与需要其电源电压不同于标准电源电压的电功率的设备侧USB设备的连接时(断开该设备或中断电源)，电源电压恢复标准电源电压。这样，主机侧USB设备可以接受随后要连接到其上的任何类型的设备侧USB设备的连接。
在主机侧USB设备不能答应从需要提供其电源电压不同于标准电源电压的电功率的设备侧USB设备发出的、提供其电源电压不同于标准电源电压的电功率的请求时，协商失败。在这种情况下，不能频繁运行设备侧USB设备。因此，设备侧USB设备通知主机侧USB设备需要外部电源。主机侧USB设备作为响应，利用显示装置把这个情况通知用户。然后，用户可以对不能运行的情况采取措施。
在这种情况下，如果各设备侧USB设备的请求互相一致，则根据基于该请求的指令选择电源电压，并提供所选择电源电压的电功率。如果这些请求不一致，则为了保护设备侧USB设备，将标准电源电压的电功率提供到设备侧USB设备。
图1是示出作为本发明实施例包括主机侧USB设备和设备侧USB设备的系统实例的方框图。
图2是在开始主机侧设备1与设备侧设备2之间的连接时系统运行过程的流程图。
图3A是用于粗略解释在利用USB接口连接各设备时的电连接情况的示意图。
图3B是用于粗略解释在利用USB接口连接各设备时的电连接情况的另一个示意图。
具体实施例方式
图1是示出作为本发明实施例包括主机侧USB设备和设备侧USB设备的系统实例的方框图。在该图中，参考编号1是主机侧设备，2是设备侧设备，3是电缆，11和21是USB接口芯片，12、13和22是电阻器，14和24是CPU，15和25是ROM，16和26是RAM，17和27是PIO，18是电源，19是电压选择器，23是DC-DC变换器，28是低负载部分，29是高负载部分，30是切换部分。利用电缆3并通过USB接口将主机侧设备1与设备侧设备2互连。
主机侧设备1包括USB接口芯片11、电阻器12和13、CPU14、ROM15、RAM16、PIO(外围I/O)17、电源18以及电压选择器19。USB接口芯片11通过数据线D+和D-与设备侧设备2通信。根据USB标准，电阻器12和13被插入数据线D+和D-与地线之间。
在主机侧设备1内，CPU14、ROM15、RAM16以及PIO17构成用于执行各种操作的有效配置。利用这些配置，主机侧设备对通过USB接口芯片11从设备侧设备2接收的数据进行处理，并通过USB接口芯片11将该数据传送到设备侧设备2。此外，它还控制电压选择器19内的电压选择过程，并在需要时，将非标准电源电压的电功率提供到设备侧设备2。
电源18能够提供不同电压的多个电功率。电压选择器19选择电源18提供的电功率的多个电压之一，并通过USB接口的电源线，将选择的一个电压的电功率提供到设备侧设备2。在图1所示的例子中，电源18提供两个电压，即作为标准电源电压的5V电压和比前者高的24V电压。电压选择器19选择其中一个电压。可以任选地构造电压选择器19。在此例中，电压选择器19接收PIO17输出的信号，并驱动包含在其内的开关元件(FET)以选择电压之一。当然，也可以采用其它任何适当的电压选择方法。
设备侧设备2包括USB接口芯片21、电阻器22、DC-DC变换器23、CPU24、ROM25、RAM26、PIO27、高负载部分29以及切换部分30。与主机侧设备1相同，USB接口芯片21通过数据线D+和D-与设备侧设备1通信。电阻器22是上拉电阻器，在设备侧设备2是全速设备时，将该上拉电阻器插入数据线D-与电源之间，在设备侧设备2是低速设备时，将该上拉电阻器插入数据线D+与电源之间。在图1所示的例子中，设备侧设备2是全速设备。
在设备侧设备2内，CPU24、ROM25、RAM26以及PIO27构成用于执行各种操作的配置。利用这些配置，设备侧设备对通过USB接口芯片21从主机侧设备1接收的数据进行处理，并通过USB接口芯片21将该数据传送到主机侧设备1。此外，为了从主机侧设备1接收待被高负载部分29消耗的电功率，设备侧设备将请求改变提供在电源线上的电压的请求发送到主机侧设备1，并在改变电压时，它执行切换控制。在未根据请求改变电压时，设备侧设备利用包含在其内的显示装置显示“需要外部电源”的消息，或将该消息发送到主机侧设备1。
CPU24、ROM25、RAM26以及PIO27构成低负载部分28。例如，低负载部分28以5V或更低(例如约3.5V)电压工作。在以下的说明中，假定低负载部分28以低于5V的电压工作。USB接口芯片21可以包含在低负载部分28内，然而，在此例中，它以5V电压工作，所以它未包含在低负载部分28内。
为了对低负载部分28提供电功率，DC-DC变换器23将通过USB接口芯片的电源线馈送的电功率的电压变换为低负载部分28的工作电压。例如，在电源线上出现5V电功率电压(标准电源电压)时，DC-DC变换器将5V变换为，例如3.3V。例如，在电源线上出现24V的非标准电源电压时，它将24V变换为，例如3.3V。此时，DC-DC变换器将接收的电源电压变换为，例如用于运行USB接口芯片21的5V电压。例如，根据从PIO27导出的信号，选择这些电压中的任何一个。
高负载部分29含有电机、灯等，并提供设备侧设备2中的各种功能，而且消耗较高的电功率。在此例中，高负载部分以24V电压运行，而且5V×500mA的标准电功率不足以运行高负载部分。
切换部分30使电功率提供到高负载部分29和停止将电源提供到高负载部分。例如，在以USB接口的标准电源电压提供电功率时，切换部分停止将电源提供到高负载部分29以禁止高负载部分29运行。在以使高负载部分29运行的电压提供电功率时，首先，将电功率提供到高负载部分29使高负载部分运行。切换部分30可以由诸如FET的开关元件构成。在这种情况下，开关元件可以响应从PIO27获得的信号切换。
现在，将对作为本发明实施例的、包括主机侧USB设备和设备侧USB设备的系统的运行过程进行说明。图2是示出在开始主机侧设备1和设备侧设备2之间的连接时系统运行过程的流程图。同时对主机侧设备1和设备侧设备2的运行过程进行说明。在初始状态下，在此例中，主机侧设备1的电压选择器19选择了USB接口标准规定的5V电压，并提供5V的电功率(步骤S41)。
设备侧设备2连接到主机侧设备1(步骤S51)。在连接到主机侧设备1后，设备侧设备2可以从主机侧设备1接收5V(标准电源电压)的电功率。利用接收的电功率，USB接口芯片21和低负载部分28T作。例如，DC-DC变换器23将接收的5V电功率变换为3.3V电功率，并将变换后的电功率提供到低负载部分28。标准电源电压不能运行高负载部分29，因此为了停止将电源提供到高负载部分29而切换该切换部分30。顺便提一句，在通过接通一个开关使设备侧设备2开始运行的情况下，如果在将设备侧设备连接到主机侧设备1之前接通该开关，则在它们之间建立连接的同时，设备侧设备开始运行。如果在将它连接到主机侧设备1之后接通该开关，则在接通该开关的时刻开始将它连接到主机侧设备1。
主机侧设备1检测其与设备侧设备2的连接(步骤S42)。可以根据数据线D+或D-的电位变化检测与设备侧设备2的连接。在图1所示的例子中，利用数据线D+通过设备侧设备2内的上拉电阻器22与电源的连接，检测其与全速设备建立的连接。
在此状态下，允许利用常规USB接口进行通信。在步骤S43和S53，在主机侧设备1与设备侧设备2之间进行协商。在协商过程中，因为要运行29，所以设备侧设备2请求主机侧设备1提供大电功率。例如，协商过程可以确定所提供电功率的电压。
主机侧设备1判定是否其可以接受来自设备侧设备2的请求(步骤S44)。如果可以接受，则设备侧设备驱动电压选择器19选择要提供到设备侧设备2的电源电压，并且开始将其电压不同于标准电源电压的电功率提供到设备侧设备(步骤S45)。例如，可以以高电压，例如24V将电功率提供到设备侧设备。
设备侧设备2判定电源线Vbus上的电源电压是否发生了变化(步骤S54)。在确认电源电压已经发生变化后，它开始将具有变化电压的电功率提供到有关部分(步骤S55)。具体地说，切换该切换部分30，并开始将电功率提供到高负载部分29。此外，在DC-DC变换器23内，例如，将24V电压变换为待提供到有关部分的电压。这样，在设备侧设备2内，利用所提供的、改变电压(例如24V)的电功率运行有关部分。事实上，通过检测电源线上的电压电平，通过与主机侧设备1进行通信，或者利用任何其它适当方法，可以识别电源电压已经发生了变化。检测电源线上的电压电平的一种实用方法是，加入一个电压检测IC，并且由CPU24通过PIO27读取该电压电平。
这样，就可以将USB接口标准规定的5V电功率，或者其它电压值的电功率从主机侧设备1提供到设备侧设备2。特别是，在提供高压电功率时，可以提供大量电功率，与此同时，还可以降低功率损耗。因此，可以运行利用USB接口的标准电源电压电功率不能运行的部分，例如高负载部分29。在提供高电压功率时，必须考虑电缆3的耐压能力。然后，主机侧设备1和设备侧设备2运行，同时互相之间进行通信。
主机侧设备1监测其与设备侧设备2的连接是否完成(步骤S46)。在例如通过拔出电缆3使主机侧设备与设备侧设备2断开时，主机侧设备1检测到此断开，而电压选择器19将通过电源线提供的电功率电压变更为USB接口的标准电源电压5V。由于不可能预测下一个要连接到主机侧设备的设备侧设备，所以进行此电源电压变更。也就是说，如果电源电压恢复标准电源电压，则该系统能够接受一切可能的设备侧设备的连接。例如，可以利用数据线D+或D-上的电位变化来检测与设备侧设备2的连接完成。在图1所示的例子中，在设备侧设备2内，断开上拉电阻器22，使得数据线D+上的电压改变。利用此电压变化来检测连接完成。
在拔出电缆3并且在电源停止工作时，设备侧设备2停止其运行过程。在重新将它连接到主机侧设备上时，设备侧设备重新以基于USB接口标准电源电压的运行过程开始运行。
在某些情况下，在主机侧设备1与设备侧设备2协商期间，设备侧设备2请求主机侧设备1改变电源电压，但是主机侧设备1不能答应此请求。这种情况的例子有因为某些原因不可能改变电源电压；设备侧设备2指定一个电源电压，但是设备侧设备不能提供指定电压的电功率；另一个USB设备被连接到该系统，而电源电压发生变化会影响其它设备。在这些情况下，主机侧设备1继续提供作为USB接口标准电源电压的5V电压的电功率。另一种方法是，主机侧设备1将不能答应设备侧设备的请求的消息发送到设备侧设备2。
在不改变通过电源线馈送的电功率电压时，或者在从主机侧设备1收到该请求拒绝消息时，设备侧设备2不能运行，因此它将一个需要外部电源来运行设备侧设备的消息发送到主机侧设备1(步骤S56)。如果对设备侧设备2设置某种显示功能，则设备侧设备本身可以显示该消息。实用可行的显示方法有仅点亮LED和在LCD屏幕上显示该消息。
在从设备侧设备2收到此消息时，主机侧设备1利用主机侧设备具有的显示功能显示此消息(步骤S48)。
用户看到显示在主机侧设备1或设备侧设备2上的消息，知道仅将它连接到设备侧设备2不可能使该设备运行，然后采取某种措施，例如使用另一个电源。
以上对在作为设备侧设备被连接到系统的设备是未知的情况下，典型系统的运行过程进行了说明。在组装式设备的特定使用时，待连接的设备侧设备保持不变，并且相同设备保持与设备侧设备2相连。在这种情况下，不需要事先进行协商。因此，在接通电源后的阶段，主机侧设备1立即将不同于标准电源电压的电压电功率提供到设备侧设备，同时设备侧设备可能希望从一开始就提供不同于标准电源电压的电压电功率。在这种情况下，不改变所提供的电源电压。因此，将电功率提供到电源线上的电源18是仅提供一种电压电功率类型的电源，因此，不必使用电压选择器19。
对于USB接口，例如通过USB集线器将多个设备侧设备连接到系统。在这种情况下，如果响应一个设备侧设备发出的电压改变请求来改变电源电压，则存在电压变化可能影响其它设备的危险。优选以这样的方式设计包括多个与其相连的设备侧设备的系统，即只有在设备侧设备将电压改变请求发送到主机侧时，才改变电源线上的电源电压。如果仅有一个设备侧设备将改变电源电压的请求发送到另一个设备侧设备，或者不发送该请求，则主机侧设备继续提供标准电源电压的电功率，并且不改变电源电压。如果存在主机侧设备未对其提供电功率的设备侧设备，则主机侧设备判别是否可以将与对其它设备侧设备提供的电功率电压具有相同电压的电功率提供到该设备侧设备。如果USB集线器具有高电平控制机制，则它可以采集多个设备侧设备的信息，并与主机侧设备进行协商，并且如果可能，还可以提供不同于标准电源电压的电压电功率。
显然，根据上述说明，仅利用通用USB接口，甚至可以运行其所需电功率超过USB接口标准中的标准电源规则规定的电功率(5V，500mA)的设备侧设备，或者其所需另一个电功率的电压不同于标准电源电压的设备侧设备。此时，无需外部电源就可以运行设备侧设备，因此，这样就降低了成本。如果将电源电压变更为标准电源电压，则设备侧设备可以同时与各种设备侧设备一起共享使用USB。
权利要求
1.一种通过USB接口与第二设备进行通信、同时通过USB接口内的电源线对第二设备提供电功率的USB设备，该USB设备包括通信单元，与第二设备进行通信；电源，能够输出其电压不同于USB接口标准中规定的标准电源电压的电功率；并且其中该电源通过电源线将该电功率提供到第二设备。
2.根据权利要求1所述的USB设备，该设备进一步包括选择单元；其中电源能够输出多个不同电压的电功率；选择单元选择不同电压中的任何一个；以及电源通过USB接口将具有选择单元所选择的电源电压的电功率提供到第二设备。
3.根据权利要求2所述的USB设备，其中在开始连接到第二设备时，选择单元选择USB接口标准规定的标准电源电压；以及根据基于USB设备与第二设备的协商的指令，在需要时，选择单元选择不同于标准电源电压的电源电压。
4.根据权利要求2所述的USB设备，其中在检测到与第二设备的连接完成时，选择单元选择标准电源电压。
5.根据权利要求2所述的USB设备，其中将USB设备连接到多个第二设备；以及在第二设备的各请求互相一致时，根据基于第二设备的请求的指令，选择单元选择电源电压。
6.一种通过USB接口与主机设备进行通信、同时通过USB接口从主机设备接收电功率的USB设备，该USB设备包括通信单元，通过USB接口与主机设备进行通信；低负载单元，可以利用USB接口标准规定的标准电源电压的电功率运行；以及高负载单元，所消耗的电功率比低负载单元消耗的电功率高；其中将其电源电压比标准电源电压高的电功率从主机设备提供到高负载单元。
7.根据权利要求6所述的USB设备，其中在USB设备与主机设备进行协商期间，USB设备请求主机设备提供高电功率。
8.根据权利要求7所述的USB设备，其中在拒绝提供高电功率的请求时，USB设备通知主机设备需要外部电源。
9.一种用于执行内部通信的装置，该装置包括第一设备；USB接口，具有电源线，该USB接口与第一设备相连；以及第二设备，通过USB接口与第一设备相连；其中第一设备包括通信单元，通过USB接口与第二设备进行通信；电源，能够输出其电压不同于USB接口标准规定的标准电源电压的电功率；以及该电源通过电源线将电功率提供到第二设备。
10.根据权利要求9所述的装置，其中第二设备包括低负载单元，可以利用USB接口标准规定的标准电源电压的电功率运行，以及高负载单元，所消耗的电功率比低负载单元消耗的电功率高；并且该电源将其电源电压比标准电源电压高的电功率提供到高负载单元。
全文摘要
本发明披露了一种通过USB接口与第二设备进行通信、同时通过USB接口内的电源线对第二设备提供电功率的USB设备。该USB设备包括通信单元，与第二设备进行通信；电源，能够输出其电压不同于USB接口标准中规定的标准电源电压的电功率。通过电源线，电源将该电功率提供到第二设备。第二设备包括低负载单元和高负载单元。通过电源线，电源将其电源电压高于标准电源电压的电功率提供到高负载单元。
文档编号G06F3/00GK1444150SQ0215867
公开日2003年9月24日 申请日期2002年12月19日 优先权日2002年3月7日
发明者高桥阳太, 杉田浩, 圆部贤一, 江户川和也, 金子智一, 星野勉 申请人:富士施乐株式会社