大规模USB设备的智能管理系统

本发明涉及移动硬盘管理，具体提供一种大规模USB设备的智能管理系统。

USB，即通用串行总线(Universal Serial Bus)是连接计算机系统与外部设备的一个串口总线标准，也是一种输入输出接口的技术规范，被广泛应用于个人电脑和移动设备等信息通讯产品，并扩展至摄影器材、数字电视(机顶盒)、游戏机等其它相关领域。

USB设备具有即插即用和热插拔等多种功能，使用起来非常方便。然而，在不同的工作人员需要交叉使用多个USB设备中的数据的场合(即，大规模USB设备的使用场合)，就会导致频繁的物理插拔，这不仅会给USB和相关设备造成磨损，也会造成管理混乱和工作效率低下。因此，本领域需要一种新的系统来解决此问题。

本发明旨在解决上述与大规模USB设备的频繁物理插拔和交叉使用相关的问题。为此目的，本发明提供一种大规模USB设备的智能管理系统.该系统包括：至少一个USB设备扩展坞，其上插接有多个USB设备；管理服务器，其与所述USB设备扩展坞连通，用于独立控制所述多个USB设备中的每个USB设备的通断电状态；以及客户端设备，其与所述管理服务器连通，操作人员通过向所述客户端设备输入信息来请求所述管理服务器给特定USB设备通电或断电。

在上述大规模USB设备的智能管理系统的优选实施方式中，所述智能管理系统还包括连接在所述管理服务器与所述USB设备扩展坞之间的主控单元，所述主控单元包括供电模块、数据传输模块和信号转换模块，所述供电模块向所述USB设备扩展坞供电，所述数据传输模块用于对所述管理服务器与所述USB设备扩展坞之间的数据 传输进行中转，所述信号转换模块负责所述管理服务器与所述USB设备扩展坞之间的信号的转换。

在上述大规模USB设备的智能管理系统的优选实施方式中，每个所述USB设备扩展坞包括USB设备插拔控制模块和至少一个USB集线器，所述多个USB设备插接在所述USB集线器上，所述USB设备插拔控制模块连接到所述USB集线器，用于根据所述管理服务器的指令控制所述多个USB设备的通电和断电。

在上述大规模USB设备的智能管理系统的优选实施方式中，所述USB设备插拔控制模块包括：直流电源；专用集成电路，其连接到所述直流电源；以及至少一个控制开关，其连接到所述专用集成电路，用于在所述专用集成电路的控制下开启或闭合，其中每个控制开关都连接到一个USB设备，当所述控制开关开启或闭合时，所述USB设备被断电或通电。

在上述大规模USB设备的智能管理系统的优选实施方式中，所述控制开关是光电耦合继电器；并且/或者所述专用集成电路是FPGA；并且/或者所述USB设备插拔控制模块还包括串行通讯控制芯片，所述串行通讯控制芯片与所述主控单元的信号转换模块和所述FPGA连通，用于控制所述FPGA与所述主控单元的信号转换模块的通讯。

在上述大规模USB设备的智能管理系统的优选实施方式中，所述管理服务器包括数据库管理模块和业务服务模块，所述数据库管理模块用于管理存储在所述管理服务器的数据库中的所述多个USB设备的各种参数，所述业务服务模块响应于操作人员在所述客户端设备上的输入而改变所述多个USB设备的通断电状态并相应地改变所述数据库中的参数信息。

在上述大规模USB设备的智能管理系统的优选实施方式中，所述供电模块是连接到所述USB设备扩展坞的锂电池，所述数据传输模块是至少一个第二USB集线器，所述第二USB集线器通过USB数据线与所述管理服务器和所述USB设备插拔控制模块相连；并且/或者所述信号转换模块是485总线串口服务器，所述485总线串口服务器在上游通过以太网连接到所述管理服务器，并且在下游通过485串行总线连接到所述USB设备扩展坞。

在上述大规模USB设备的智能管理系统的优选实施方式中，所述智能管理系统还包括设置在所述管理服务器与所述客户端设备之间的交换机，所述交换机用于协调所述管理服务器与所述客户端设备之间的数据传输。

在上述大规模USB设备的智能管理系统的优选实施方式中，所述FPGA采用485串行总线与所述主控单元通讯，并且运行ModBus协议；并且/或者每个所述USB设备插拔控制模块包括42个光电耦合继电器，每个光电耦合继电器控制一个USB设备的通电和断电。

在上述大规模USB设备的智能管理系统的优选实施方式中，所述管理服务器是嵌入式工业计算机，所述客户端设备是商用办公计算机；并且/或者所述客户端设备上安装有客户端操作软件，操作人员通过所述客户端操作软件向所述管理服务器发送指令；并且/或者所述管理服务器的数据库管理模块和业务服务模块分别是安装在所述管理服务器内的数据库管理软件和业务服务软件；并且/或者所述USB设备插拔控制模块是USB设备插拔控制电路板。

本领域技术人员容易理解的是，在采用上述系统和方法的情况下，本发明能够获得下列技术效果：(1)不需要进行物理插拔就实现了USB设备从服务器中的插入或拔出，提高了USB设备的使用寿命，尤其是连接器的使用寿命和可靠性；(2)实现了局域网内用户远程控制任意USB设备插入到计算机系统、并在远程获得该USB设备的使用权；(3)实现了局域网内用户远程控制任意USB设备从服务器中拔出、并在远程释放USB设备的使用权；(4)实现了大规模USB设备实时在线智能、科学、统一、集中管理，简化了人工保存、查、借用、登记、归还的管理过程，因此提高了工作效率。

图1是根据本发明的USB智能管理系统的结构图；

图2是根据本发明的业务服务模块的工作流程图；

图3是根据本发明的主控单元的前面板的示意图；

图4是图3所示的主控单元的后面板的示意图；

图5是根据本发明的USB集线器的逻辑结构图；

图6是根据本发明的USB设备插拔控制模块的结构图；

图7是现有技术中的机械继电器的抖动的波形图；

图8是根据本发明的光电耦合继电器的波形图；

图9是光电耦合继电器的一个示例性电路图；

图10是根据本发明的USB设备扩展坞的前面板的示意图；

图11是根据本发明的USB设备扩展坞的后面板的示意图；

图12是根据本发明的USB智能管理系统的信息流图。

下面将结合优选实施方式来描述本发明的技术方案。但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的技术方案显然不限于所述实施方式中的各种细节。在不偏离本发明的原理的前提下，可以对所述实施方式作出各种改变，这些改变不需要付出任何创造性劳动，因此改变后的技术方案也将落入本发明的保护范围之内。

首先参阅图1，本发明的USB智能管理系统包括：USB设备智能管理服务器1、USB设备智能管理主控单元2、多个USB设备扩展坞3、客户端设备4、以及交换机5。USB设备智能管理服务器1中设置有数据库，并且装载有“数据库管理软件”和“USB设备智能管理业务服务软件”(分别对应于权利要求书中的“数据库管理模块”和“业务服务模块”)。USB设备智能管理服务器1接受管理人员的操作，通过“USB设备智能管理业务服务软件”建立USB设备信息，并存储在数据库中，可实现对USB设备的增加、删除、查询和修改。同时还接受来自客户端设备4的操作指令，将客户端设备4的操作指令转换为USB设备扩展坞3能够识别的直接控制指令，控制USB设备扩展坞3从而通过给特定USB设备通电或断电而将该USB设备插入到管理服务器1或从管理服务器1拔出。此外，USB设备智能管理服务器1还能将插入到USB设备智能管理服务器1中的特定USB设备共享给指定的客户端设备4，让客户端设备4远程获得指定USB设备的使用权。

USB设备智能管理主控单元2为每个USB设备扩展坞4提供电源，优选地提供不间断的5V电源。该电源采用锂电池输出，可 有效防止电压波动，避免电源故障损坏USB设备。此外，USB设备智能管理主控单元2还提供以太网向RS-485总线的转换服务器22，将USB设备智能管理服务器1通过以太网总线下发的控制指令以RS-485串口的形式发送到相应的USB设备扩展坞3，通过RS-485总线形式可实现31台USB设备扩展坞级联工作。再者，在图1所示的优选实施方式中，USB设备智能管理主控单元2还包括两个USB集线器21，USB集线器21通过USB数据线连接到管理服务器1和每个USB设备扩展坞3的USB设备插拔控制主板32(下文将详细描述)。

每个USB设备扩展坞3包括一个USB设备插拔控制主板32和多个USB集线器31，通过USB集线器31提供大规模USB设备的插入接口。由USB设备插拔控制主板32接收并执行USB设备智能管理服务器1下发的控制指令，通过直接控制特定USB的电源通断，在不需要物理插拔的情况下即可实现指定USB设备从服务器1的插入或拔出。

客户端软件装载在需要远程使用USB设备的客户端设备4－即操作人员的办公计算机内，操作人员通过客户端软件可查询到在USB设备智能管理服务器1内注册的所有USB设备信息，可查看任意USB设备的工作状态(在服务器中插入或拔出)，向USB设备智能管理服务器1发送插入或拔出任意USB设备的请求，查看请求的执行结果。

通过上面的描述，本领域技术人员可以看出，本发明的系统能够获得下列技术效果：不需要物理插拔就能实现USB设备从服务器1中的插入或拔出，提高了USB设备的使用寿命，尤其是连接器的使用寿命和可靠性；能实现局域网内用户远程控制任意USB设备插入到计算机系统、并在远程获得该USB设备的使用权；能实现局域网内用户远程控制任意USB设备从服务器1中拔出、并在远程释放USB设备的使用权；能实现大规模USB设备实时在线智能、科学、统一、集中管理，简化了人工保存、查、借用、登记、归还的管理过程。

在不改变本发明的基本原理的前提下，本发明的USB智能管理系统中的各个部件可以采用各种不同的配置。作为优选实施方式，本发明的USB设备智能管理服务器1基于嵌入式工业计算机来实现，其主要技术配置为：

CPU：Intel酷睿4核处理器；

内存：4G字节；

硬盘：64G字节以上，固态硬盘；

数据库管理软件采用mysql-community-5.6.24.0。

数据库中的针对USB设备管理的主要管理字段包括：

USB设备ID：主键，用于唯一标识某个USB设备；

USB设备名称：描述该USB设备的名称；

USB设备状态：用于存储USB设备在服务器中是插入或拔出状态；

USB设备位置：用于存储USB设备所在的扩展坞编号及其在扩展坞上的具体位置，通过该字段唯一定位一个确定的USB设备,以便直接控制从服务器1中的插入或拔出；

USB设备操作人员：用于记录某USB设备当前状态的执行人员。

USB设备智能管理服务器1除了运行数据库管理软件外，还运行业务服务软件，该业务服务软件的功能包括：向服务器1中录入USB设备信息；修改录入到服务器1中的USB设备信息；查询接入系统的扩展坞3的信息；可向USB设备智能管理服务器1发送指令，控制某具体USB设备通电或断电，使其从服务器1中插入或拔出；接受客户端软件发送的指令，并根据指令内容控制某特定USB设备通电或断电，使其从服务器1中插入或拔出。

接下来参阅图2，该图示出了服务器1中的业务服务软件(即业务服务模块)的工作流程图。

USB设备智能管理主控单元2通过USB集线器21为各USB设备扩展坞3提供不间断的5V电源，该电源采用锂电池输出，可有效防止电压波动，避免电源故障损坏USB设备。USB设备智能管理主控单元2还提供以太网向RS-485总线的转换服务器22，将USB设备智能管理服务器1通过以太网总线下发的控制指令以RS-485串口的形式发送到USB设备扩展坞3，通过RS-485总线形式可实现31台USB设备扩展坞3级联工作。

下面参阅图3和4，作为示例，图3示出了根据本发明的主控单元2的前面板，而图4示出了图3所示的主控单元2的后面板。

接下来结合图5-11描述根据本发明的USB设备扩展坞3。USB设备扩展坞3通过USB集线器31提供大规模USB设备的插入接口，由USB设备插拔控制主板32接收并执行USB设备智能管理服务器1下发的控制指令，通过直接控制特定USB设备的电源通断，在不需要物理插拔的情况下即可实现指定USB设备从服务器1的“插入”或“拔出”。

作为示例，USB集线器31基于FE USB2.1控制芯片，每个USB集线器31内置两片控制芯片，每个芯片可管理4个USB设备，两个芯片级联使用可连接7个USB设备同时工作。具体请参见图5，该图示出了根据本发明的USB集线器31的控制芯片的逻辑结构图。

本领域技术人员熟知的是，FE USB2.1是高度集成、高品质、高性能、低能耗的USB2.0集线器解决方案，主要技术特征包括：7个下行端口全部在高速模式工作时电流为155mA；1个下行端口工作在高速模式下电流为66mA；完全符合通用串行总线规范修订版2.0(USB2.0)；上传端口支持高速度(480MHz信)和全速(12MHZ)模式；下行端口支持高速(480MHz信)，全速(12MHz)和低速(1.5MHz)模式。

USB设备扩展坞3的USB设备插拔控制主板32是本系统的核心控制单元，单块控制主板32提供42路USB设备的电源控制开关，当某个USB设备通电时，其被插入服务器1、断电时从服务器1中拔出。USB设备插拔控制主板32以现场可编程门阵列(FPGA)为核心，采用485串行总线与主控单元2进行通讯，并且运行ModBus协议。每个USB设备插拔控制主板32采用光电耦合继电器40作为控制开关

接着参阅图6，该图示出了根据本发明的USB设备插拔控制主板32的结构图。如图6所示，本发明的USB设备插拔控制主板32包括直流电源10、串行通讯控制芯片20、现场可编程门阵列(FPGA)30和光电耦合继电器阵列40。直流电源10连接到现场可编程门阵列(FPGA)30，用于为现场可编程门阵列30供电。应当指出的是，直流电源10可以是任何形式的直流电源，包括但不限于蓄电池或连接到交流电源的A-D转换器。并且，直流电源10与结合图1描述的主控单元2的锂电池电源不是同一个电源，直流电源10为FPGA 30供电，用 于控制回路，而主控单元2的锂电池为USB设备供电，用于操作回路。光电耦合继电器阵列40连接在现场可编程门阵列30的下游，用于在现场可编程门阵列30的控制下开启或闭合。此外，光电耦合继电器阵列40在下游连接到多个USB设备，所述USB设备在光电耦合继电器阵列40开启或闭合时被断电或通电，从而实现到服务器1上的插入和从服务器1上的拔出。在图6所示的实施方式中，本发明的USB设备插拔控制主板32的光电耦合继电器阵列4中包括42个光电耦合继电器，每个光电耦合继电器连接到一个USB设备并控制该USB设备的通电和断电。作为示例，图6中示出了6个USB设备阵列，即con1、con2、con3、con4、con5和con6，每个阵列包括7个独立的USB设备，共计42个。本领域技术人员容易理解的是，所述分组和数量仅仅是示例性的，在不改变本发明的原理的情况下，可以对这些分组和数量等作出各种改变。

接着参阅图6，串行通讯控制芯片20与现场可编程门阵列30互连，用于控制现场可编程门阵列30与主控单元2的通讯。作为示例，现场可编程门阵列30采用RS-485串行总线与主控单元2的转换服务器22通讯，并且运行ModBus协议。当然，本领域技术人员也可以根据需要选用其他总线型式和通讯协议，这些都不背离本发明的原理。

下面参阅图7，该图示出了现有技术中的机械继电器在接通瞬间的抖动的波形图。从图7中可以清楚地看到，当采用机械继电器来实现USB设备的通断电时，在接通的瞬间会发生明显的电压抖动，这会对USB设备造成严重损害，降低其使用寿命。与之相比，图8示出了根据本发明的光电耦合继电器接通时的波形图。如图8所示，当采用光电耦合继电器来实现USB设备的通断电时，接通时的电压抖动现象被彻底消除，因此大幅度提高了USB设备的使用寿命。

此外，图9示出了光电耦合继电器的电路图。关于此点，需要指出的是，图9示出的仅仅是光电耦合继电器的一个示例性电路图。本领域技术人员容易理解的是，在不偏离本发明的原理－即采用光电耦合继电器来控制USB设备的通断电的前提下，可以替代性地采用具有其他电路图的任何合适的光电耦合继电器，这对本领域技术人员来说不需要付出创造性劳动，因此，对电路图的更改或替换不应构成对本发明的保护范围的限制。

接下来参阅图10和11，作为示例，图10示出了根据本发明的一个实施例的USB设备扩展坞3的前面板，而图11示出了图10所示的USB设备扩展坞3的后面板。

最后来看本发明的客户端设备4和客户端软件。优选地，本发明的客户端软件采用LabVIEW平台开发，运行于作为客户端设备4的商用办公计算机内。客户端软件具有以下功能：

系统配置：配置服务器端IP地址和连接端口号，配置服务器IP地址、用户名和密码；

查询USB设备：可查询某一个USB设备扩展坞设备号下所有的USB设备，也可按照用户ID、营业执照名称查询某个唯一USB设备；

切换选中USB设备状态：操作人员可将“拔出”的USB设备“插入”到服务器；对于“插入”到服务器的USB设备，只能由其本人或服务器进行拔出，其他人不能拔出，以防止误操作；新插入或拔出USB设备，不能改变同一组号其他USB设备的状态。

在优选实施方式中，本发明的系统集成6个扩展坞3，每个扩展坞3在前后面板各提供42个USB接口，6个扩展坞3共同提供504个接口。每个USB设备扩展坞3的高度为3U，6个扩展坞3占用18U，加上主控单元高度为3U，服务器主机占用4U，一共需要25U。因此，本发明的系统可选用一台图腾27U标准机柜，将所有设备集成在机柜内。

在实际应用中，本发明的系统可装载3套软件，分别运行于USB设备智能管理服务器1、各USB设备扩展坞3的USB设备插拔控制主板32以及客户端设备4内，软件之间的信息流和控制流如图12所示。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。例如，在本申请中有些功能单元被描述为模块，但是在实践中这些功能单元可以软件或硬件等不同形式存在。