一种应用于工业信息安全主板的USB失效恢复方法及系统与流程

一种应用于工业信息安全主板的usb失效恢复方法及系统
技术领域
1.本技术涉及usb设备技术领域，尤其是涉及一种应用于工业信息安全主板的usb失效恢复方法及系统。


背景技术：

2.目前，我国制造业由数字化阶段迈向网络化阶段，工业设备和系统以及生产、管理和服务过程通过映射和具象愈发成为网络空间的重要组成部分，工业信息的安全防护越来越重要。
3.其中，usb接口为计算机主板提供了非常丰富扩展，比如usb摄像头、打印机、鼠标、键盘等。usb的应用非常简单，而当usb设备出现失效时，对于目前的计算机而言，通常通过重新拔插一下usb设备来解决，或通过关闭计算机系统进行重启。
4.但是在一些工业应用现场，通过拔插usb设备很难实现，比如：为了安全性，整个计算机都安装在一个大机箱里面，人机交互的界面通过一个屏幕进行触控，这时想通过拔插机箱内部的某个usb设备以使该usb设备恢复通信，则非常不方便。


技术实现要素：

5.为了便于恢复失效的usb设备，本技术提供一种应用于工业信息安全主板的usb失效恢复方法及系统。
6.第一方面，本技术提供一种应用于工业信息安全主板的usb失效恢复方法，采用如下的技术方案：一种应用于工业信息安全主板的usb失效恢复方法，包括以下步骤：上位机周期性读取usb设备的设备信息；判断是否能正常读取usb设备的设备信息；若否，则上位机向mcu发送重启指令；mcu接收重启指令，并对重启指令进行分析；根据分析结果，mcu控制相应的usb设备以断电及断开通信信号的方式进行重启。
7.通过采用上述技术方案，上位机定时读取usb设备的设备信息，当上位机无法读取到usb设备的设备信息，表示该usb设备出现失效，此时，上位机向mcu发送重启指令，mcu对重启指令进行分析，得到那个usb设备失效，然后mcu控制对应的usb设备断电，重新供电时可以完全初始化usb设备，并且usb信号重新连接时，上位机会重新识别usb设备，进而可以自动恢复失效的usb设备，不需要打开机箱以及关闭上位机，更具安全性，也更加方便快捷。通过断电及断开通信信号的方式，可以彻底断开usb设备与上位机，有效避免上位机发送出异常的波形对usb设备造成影响。
8.优选的，所述mcu控制相应的usb设备以断电及断开通信信号的方式进行重启，包括：mcu控制相应位置的负载开关模块断开，断开的时间达到预定时间后，mcu控制该
负载开关模块导通，其中，所述负载开关模块用于控制usb设备供电回路的通断；mcu控制相应位置的模拟开关模块断开，断开的时间达到预定时间后，mcu控制该模拟开关模块导通，其中，所述模拟开关模块用于控制usb设备通信回路的通断。
9.通过采用上述技术方案，mcu控制负载开关模块、模拟开关模块通断，可对相应的usb设备进行重启。
10.优选的，所述根据分析结果，mcu控制相应的usb设备以断电及断开通信信号的方式进行重启之后，还包括：mcu将重启后的usb设备的执行信息反馈给上位机；上位机接收执行信息，并再次读取该usb设备的设备信息；判断是否能正常读取设备信息；若否，则上位机向mcu发送重启指令；mcu根据重启指令再次控制该usb设备进行重启，重复上述步骤。
11.通过采用上述技术方案，usb设备重启后，上位机马上对重启后的usb设备的设备信息进行读取，及时检查usb设备是否重启成功。
12.优选的，所述mcu根据重启指令再次该usb设备进行重启，重复上述步骤之后，还包括：上位机记录usb设备的重启次数；若在预设时间内，usb设备的重启次数大于重启阈值且未读取到设备信息，则上位机发出预警信号，并停止该usb设备的重启操作。
13.通过采用上述技术方案，记录usb设备的重启次数，当重启次数超过重启阈值，表明该usb设备很可能出现损坏，上位机发出预警信号以提醒工作人员对相应的usb设备进行检修，避免对该usb设备一直进行重启，进入死循环。
14.优选的，所述设备信息包括usb控制器、hub、端口序号、vid和pid。
15.通过采用上述技术方案，可以精确定位到需要重启的usb设备。
16.优选的，所述重启指令包括指令帧头、指令序号、usb控制序号和结束标记。
17.通过采用上述技术方案，可以精确对需要重启的usb设备进行重启。
18.优选的，所述mcu通过串口与上位机进行通讯。
19.通过采用上述技术方案，mcu和上位机之间通讯稳定。
20.第二方面，本技术提供一种应用于工业信息安全主板的usb失效恢复系统，采用如下的技术方案：一种应用于工业信息安全主板的usb失效恢复系统，适用于上述的应用于工业信息安全主板的usb失效恢复方法，包括上位机、mcu、负载开关模块和模拟开关模块，所述上位机分别与mcu、模拟开关模块连接，mcu分别与负载开关模块、模拟开关模块连接，负载开关模块分别与电源、usb设备连接，模拟开关模块与usb设备连接。
21.通过采用上述技术方案，上位机定时读取usb设备的设备信息，当上位机无法读取到usb设备的设备信息，表示该usb设备出现失效，此时，上位机向mcu发送重启指令，mcu对重启指令进行分析，得到那个usb设备失效，然后mcu通过负载开关模块、模拟开关模块控制对应的usb设备进行重启，不需要打开机箱以及关闭上位机，更具安全性，也更加方便快捷。
22.优选的，所述模拟开关模块包括模拟开关u1、第一控制电路和第二控制电路，所述
模拟开关u1与电源、上位机连接，所述第一控制电路的输入端与mcu连接，第一控制电路的输出端与模拟开关u1连接，所述第二控制电路的输入端与mcu连接，第二控制电路的输出端与模拟开关u1连接。
23.通过采用上述技术方案，usb设备通过data 、data-两个通道与上位机进行通信，mcu通过第一控制电路、第二控制电路控制data 、data-通断。
24.优选的，所述负载开关模块包括负载开关u2和第三控制电路，所述负载开关u2与电源、usb设备连接，所述第三控制电路的输入端与mcu连接，第三控制电路的输出端与负载开关u2连接。
25.通过采用上述技术方案，电源通过负载开关u2给usb设备供电，usb设备通过第三控制电路控制负载开关u2的通断，以实现usb设备的通断电。
26.综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：1.通过mcu控制对应的usb设备断电，重新供电时可以完全初始化usb设备，并且usb信号重新连接时，上位机会重新识别usb设备，进而可以自动恢复失效的usb设备，不需要打开机箱以及关闭上位机，方便快捷；2.记录usb设备的重启次数，当重启次数超过重启阈值，上位机发出预警信号以提醒工作人员对相应的usb设备进行检修；3.mcu通过负载开关模块、模拟开关模块控制对应的usb设备进行重启，控制稳定且成本低。
附图说明
27.图1是本技术一实施例中一种应用于工业信息安全主板的usb失效恢复方法的流程图；图2是本技术另一实施例中一种应用于工业信息安全主板的usb失效恢复方法的流程图；图3是本技术实施例中一种应用于工业信息安全主板的usb失效恢复系统的结构框图；图4是本技术实施例中模拟开关模块的电路图；图5是本技术实施例中负载开关模块的电路图。
28.附图标记说明：100、第一限流单元；101、第一偏置单元；102、第一分压单元；200、第二限流单元；201、第二偏置单元；203、第二分压单元；300、第三限流单元；301、第三偏置单元；302、第三分压单元；400、第四限流单元。
具体实施方式
29.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图1-5及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
30.本技术实施例公开一种应用于工业信息安全主板的usb失效恢复方法，参考图1，恢复方法包括以下步骤：
s1：上位机周期性读取usb设备的设备信息。
31.具体的，上位机（host）可以采用x86计算机，上位机通过data 、data-通道与usb设备进行通讯，上位机可通过data 、data-通道读取usb设备的设备信息，其中，设备信息包括usb控制器、hub（多端口转发器）、端口序号、vid（供应商id）和pid（产品识别码），根据usb规范的规定，所有的usb设备都有供应商id(vid)和产品识别码(pid)。通过读取usb控制器、hub、端口序号、vid和pid可以精确定位到需要重启的usb设备。
32.周期性可以设置为1分钟，即，上位机隔一分钟读取一次usb设备的设备信息，也可以根据实际情况设置其他的时间。
33.s2：判断是否能正常读取usb设备的设备信息。
34.具体的，上位机遍历所有的usb设备，并读取usb设备的设备信息时，并将读取到的设备信息与相应预存的设备信息进行比较，若相同，则表示能正常读取usb设备的设备信息，该usb设备正常；若不同，则表示不能正常读取usb设备的设备信息，该usb设备失效。
35.s3：若否，则上位机向mcu发送重启指令。
36.具体的，mcu通过串口与上位机进行通讯，当usb设备失效时，上位机发送重启指令给mcu，mcu根据重启指令对相应的usb设备进行重启，其中，重启指令包括指令帧头、指令序号、usb控制序号和结束标记。工作人员也可以通过上位机向mcu发送重启指令，以使相应的usb设备进行重启。
37.s4：mcu接收重启指令，并对重启指令进行分析。
38.例如，指令帧头可以设置为[0x53 0x45 0x4e 0x44 0x5f 0x4f 0x52 0x44 0x45 0x52 0x3a]；指令序号可以包括0x01、0x02和0x03，其中，0x01为“断开端口”，0x02为“连接端口”，0x03为“先断开，再连接端口”；usb控制序号可以包括0x01、0x02、0x03和0x04，其中，0x01为“控制usb端口1”，0x02为“控制usb端口2”，0x03为“控制usb端口3”，0x04为“控制usb端口4”；结束标记可以设置为[0x0d 0x0a]。
[0039]
例如，usb设备a、usb设备b、usb设备c、usb设备d分别连接在usb端口1、usb端口2、usb端口3、usb端口4上，其中，上位机通过串口向mcu发送重启指令：[0x53 0x45 0x4e 0x44 0x5f 0x4f 0x52 0x44 0x45 0x52 0x3a 0x01 0x02 0x0d 0x0a],mcu先识别该重启指令的结束标记，识别到结束标记后对指令帧头进行识别，指令帧头正确后接着对指令序号和usb控制序号，最后得到的指令涵义为：将usb端口2断开，即断开usb设备b。
[0040]
s5：根据分析结果，mcu控制相应的usb设备以断电及断开通信信号的方式进行重启。
[0041]
具体的，mcu对指令帧头、指令序号、usb控制序号和结束标记进行分析，得到失效usb设备的地址信息，根据地址信息控制相应的usb设备进行重启。
[0042]
可选的，在步骤s5中，即根据分析结果，mcu控制相应的usb设备以断电及断开通信信号的方式进行重启，包括：s51：mcu控制相应位置的负载开关模块断开，断开的时间达到预定时间后，mcu控制该负载开关模块导通，其中，所述负载开关模块用于控制usb设备供电回路的通断。
[0043]
s52：mcu控制相应位置的模拟开关模块断开，断开的时间达到预定时间后，mcu控制该模拟开关模块导通，其中，所述模拟开关模块用于控制usb设备通信回路的通断。
[0044]
具体的，负载开关模块、模拟开关模块的数量与usb设备的数量相同，mcu通过不同
的引脚连接不同的负载开关模块、模拟开关模块。
[0045]
mcu得到失效usb设备的地址信息，mcu根据该地址信息控制对应的负载开关模块断开，电源无法给该失效usb设备供电，断开的时间达到预定时间后，mcu控制该负载开关模块导通，电源重新给该失效usb设备进行供电，重新供电时usb设备可以初始化。
[0046]
mcu根据地址信息控制对应的模拟开关模块断开，上位机与usb设备的通讯断开，断开的时间达到预定时间后，mcu控制该模拟开关模块导通，上位机与usb设备的通讯重新连接，上位机重新对usb设备进行识别。
[0047]
例如，负载开关模块a控制usb设备a供电回路的通断，模拟开关模块a控制usb设备a通信回路的通断，其中，负载开关模块a、模拟开关模块a可以共同连接在mcu的1脚上，负载开关模块a、模拟开关模块a也可以分别连接在mcu的1脚、mcu的2脚上；负载开关模块b控制usb设备b供电回路的通断，模拟开关模块b控制usb设备b通信回路的通断，其中，负载开关模块b、模拟开关模块b可以共同连接在mcu的3脚上，负载开关模块b、模拟开关模块b也可以分别连接在mcu的3脚、mcu的4脚上。
[0048]
在本实施例中，预定时间可以设置为1s，即mcu识别到0x03（指令序号）时，先断开1s，再连接；在其他实施例中，预定时间也可以根据实际情况设置其他的时间。
[0049]
参考图2，可选的，在步骤s5之后，即根据分析结果，mcu控制相应的usb设备以断电及断开通信信号的方式进行重启之后，还包括：s6：mcu将重启后的usb设备的执行信息反馈给上位机。
[0050]
s7：上位机接收执行信息，并再次读取该usb设备的设备信息。
[0051]
s8：判断是否能正常读取设备信息。
[0052]
s9：若否，则上位机向mcu发送重启指令。
[0053]
s10：mcu根据重启指令再次控制该usb设备进行重启，重复上述步骤。
[0054]
例如，在usb设备a、usb设备b和usb设备c中，上位机周期性对usb设备a、usb设备b和usb设备c的设备信息进行读取，其中，usb设备a和usb设备b能正常读取，usb设备c不能正常读取，mcu控制usb设备c进行重启；当usb设备c重启后，mcu将usb设备c的执行信息反馈给上位机，上位机会单独读取usb设备c的设备信息。
[0055]
可选的，在步骤s10之后，即mcu根据重启指令再次控制该usb设备进行重启，重复上述步骤之后，还包括：s11：上位机记录usb设备的重启次数。
[0056]
s12：若在预设时间内，usb设备的重启次数大于重启阈值且未读取到设备信息，则上位机发出预警信号，并停止该usb设备的重启操作。
[0057]
具体的，重启阈值可以设置为2次，预设时间可以设置为1min，例如，usb设备a需要重启，上位机发出重启指令后，开始计算时间，若1min内usb设备a重启了3次，且第三次重启后上位机仍未读取到usb设备a的设备信息，此时，上位机向工作人员的客户端发送预警信号，上位机登记usb设备a的地址信息，上位机向mcu发送带有0x01（指令序号）的重启指令，mcu控制usb设备a断开连接，并且这时上位机不再读取usb设备a的设备信息，直到工作人员完成维修。完成维修后，工作人员通过上位机向mcu发送带有0x02（指令序号）的重启指令，mcu控制usb设备a连接，上位机可重新读取usb设备a的设备信息。
[0058]
参考图3，本技术实施例还公开了一种应用于工业信息安全主板的usb失效恢复系
统，包括上位机、mcu、负载开关模块和模拟开关模块，上位机分别与mcu、模拟开关模块连接，mcu分别与负载开关模块、模拟开关模块连接，负载开关模块与电源连接。usb设备的数量与负载开关模块的数量、模拟开关模块的数量相同，usb设备分别与负载开关模块、模拟开关模块一一对应连接。
[0059]
其中，上位机用于周期性读取usb设备的设备信息，还用于向mcu发送重启指令。mcu用于接收重启指令，并根据重启指令控制负载开关模块、模拟开关模块的通断，以控制usb设备进行重启。
[0060]
参考图4，模拟开关模块包括模拟开关u1、第一控制电路和第二控制电路，模拟开关u1与电源、上位机连接，第一控制电路的输入端与mcu连接，第一控制电路的输出端与模拟开关u1连接，第二控制电路的输入端与mcu连接，第二控制电路的输出端与模拟开关u1连接。
[0061]
在本实施例中，模拟开关u1可以采用多路复用开关，以满足usb信号的切换，第一控制电路与模拟开关u1的10脚连接，第二控制电路与模拟开关u1的8脚连接。
[0062]
第一控制电路包括第一限流单元100、第一偏置单元101、第一分压单元102、开关管q1和开关管q2，第一限流单元100的一端与电源连接，第一限流单元100的另一端与第一偏置单元101的一端、开关管q1的第三端、开关管q2的第一端连接，第一偏置单元101的另一端与第一分压单元102的一端、mcu连接，第一分压单元102的另一端与开关管q1的第一端连接，开关管q1的第二端接地，开关管q2的第三端与模拟开关u1的10脚连接，开关管q2的第二端接地。
[0063]
第二控制电路包括第二限流单元200、第二偏置单元201、第二分压单元203、开关管q3，第二限流单元200的一端与电源连接，第二限流单元200的另一端与第二偏置单元201的一端、开关管q3的第三端、模拟开关u1的8脚连接，第二偏置单元201的另一端与第二分压单元203的一端、mcu连接，第二分压单元203的另一端与开关管q3的第一端连接，开关管q3的第二端接地。
[0064]
在本实施例中，限流单元、偏置单元和分压单元可以采用电阻。在本实施例中，开关管可以采用n沟道mos管，n沟道mos管的栅极为开关管的第一端，n沟道mos管的源极为开关管的第二端，n沟道mos管的漏极为开关管的第三端；在其他实施例中，开关管也可以采用三极管。
[0065]
mcu接收到重启指令，mcu输出高电平到开关管q1的第一端，开关管q1导通，开关管q2的第一端由高电平变为低电平，开关管q2截止，模拟开关u1的10脚由低电平变为高电平。mcu输出高电平到开关管q3的第一端，开关管q3导通，模拟开关u1的8脚由高电平变为低电平，模拟开关u1相应控制data 、data-通道断开。
[0066]
断开时间达到预定时间后，mcu输出抵电平到开关管q1的第一端，开关管q1截止，开关管q2的第一端为高电平，开关管q2导通；同时，开关管q3截止，上位机与usb设备重新建立通讯。
[0067]
参考图5，负载开关模块包括负载开关u2和第三控制电路，负载开关u2与电源、usb设备连接，第三控制电路的输入端与mcu连接，第三控制电路的输出端与负载开关u2连接。
[0068]
第三控制电路包括第三限流单元300、第三偏置单元301、第三分压单元302、开关管q4、第四限流单元400和开关管q5，第三限流单元300的一端与电源连接，第三限流单元
300的另一端与第三偏置单元301的一端、开关管q4的第三端、开关管q5的第一端连接，第三偏置单元301的另一端与第三分压单元302的一端、mcu连接，第三分压单元302的另一端与开关管q4的第一端连接，开关管q4的第二端接地，第四限流单元400的一端与电源连接，第四限流单元400的另一端与开关管q5的第三端、负载开关u2连接，开关管q5的第二端接地。
[0069]
mcu接收到重启指令，mcu输出高电平到开关管q4的第一端，开关管q4导通，开关管q5的第一端由高电平变为低电平，开关管q5截止，负载开关u2的4脚由低电平变为高电平，负载开关u2的1脚停止输出，usb设备断电。
[0070]
断开时间达到预定时间后，mcu输出抵电平到开关管q4的第一端，开关管q4截止，开关管q5的第一端为高电平，开关管q5导通，电源重新给usb设备供电。
[0071]
本技术实施例一种应用于工业信息安全主板的usb失效恢复系统的实施原理为：上位机定时读取usb设备的设备信息，当上位机无法读取到usb设备的设备信息时，上位机向mcu发送重启指令，mcu对重启指令进行分析，mcu通过负载开关模块、模拟开关模块控制相应的usb设备进行重启，不需要打开机箱以及关闭上位机，方便快捷。
[0072]
以上均为本技术的较佳实施例，并非依此限制本技术的保护范围，故：凡依本技术的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本技术的保护范围之内。