通過(guò)光纖傳輸USB信號的電路設計及應用

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摘要：本文涉及光纖通信接口電路，特別涉及一種通過(guò)光纖傳輸USB（通用串行總線(xiàn)）信號的電路。本文的電路將USB（通用串行總線(xiàn)）信號D+、D-的三種狀態(tài)轉換為發(fā)射激光的三種強度全亮、半亮、暗，并且通過(guò)光纖傳輸到對方激光接收器再通過(guò)相應電路恢復D+、D-的三種狀態(tài)。激光接收器電路的輸出信號之一觸發(fā)單穩延時(shí)電路來(lái)控制D+、D-與激光發(fā)射電路、激光接收電路的通與斷。

關(guān)鍵詞：光纖傳輸USB信號光纖通信

由于目前計算機的USB信號使用電纜傳輸，所以通信距離難以延長(cháng)，一般不超過(guò)30米。本文的方案克服了現有電纜傳輸USB信號距離短的缺點(diǎn)，從而提供一種通過(guò)光纖傳輸USB信號的電路，使USB的通信距離增加到幾十千米。

1實(shí)現原理

本方案是一種通過(guò)光纖傳輸USB信號的電路，成對使用，通過(guò)光的強度的三個(gè)等級（全亮、半亮、暗）分別代表USB數據線(xiàn)的三種狀態(tài)，當光的強度為最低時(shí)（暗）代表USB數據線(xiàn)的閑置狀態(tài)。先發(fā)送USB信號的一方由于其USB的數據狀態(tài)先改變，其狀態(tài)的改變通過(guò)光纖傳輸到對方電路的接收電路產(chǎn)生一個(gè)下降沿（或者上升沿）觸發(fā)一個(gè)單穩電路，此單穩電路的輸出控制USB信號的“收/發(fā)”允許。先發(fā)送USB信號的一方由于其USB的數據狀態(tài)先改變，其狀態(tài)的改變通過(guò)光纖傳輸到對方電路的接收電路產(chǎn)生一個(gè)下降沿（或者上升沿）觸發(fā)一個(gè)單穩電路，此單穩電路的延時(shí)時(shí)間為USB傳輸一幀數據的時(shí)間。

2具體實(shí)現方法

2.1將USB信號（D+、D―）轉換為光纖傳輸信號

圖1為將USB信號（D+、D-）轉換為光纖傳輸信號――激光的框圖。USB信號檢測電路（1）將D+和D-變換為“或”門(mén)輸出DOR1和差分比較器輸出RCV1。一雙可控三態(tài)緩沖器（2）通過(guò)控制端EN來(lái)控制邏輯“通”與“端”。當EN=“0”時(shí)，DOR=DOR1、RCV=RCV1。而當EN=“1”時(shí)，DOR和RCV為高阻狀態(tài)。激光發(fā)射驅動(dòng)電路（3）將DOR和RCV轉換為三種激光強度（亮、半亮、暗）。激光接收電路（4）將接收到的三種激光強度（亮、半亮、暗）恢復為D+和D-的三種狀態(tài)。激光接收電路（4）的輸出之一H的狀態(tài)變化觸發(fā)單穩延時(shí)電路（5）。單穩延時(shí)電路（5）的輸出EN平時(shí)（即USB信號處于閑置狀態(tài)時(shí)）為“0”，當其輸入H有下降延（即由“1”變?yōu)椤?”）時(shí)輸出EN由“0”變?yōu)椤?”并且保持為“1”大約1000us，然后恢復為“0”。另一雙可控三態(tài)緩沖器（2）通過(guò)控制端EN來(lái)控制來(lái)控制邏輯“通”與“斷”，當EN=“1”時(shí)，VP=H、VM=L，而當EN=“0”時(shí)輸出VP、VM為高阻狀態(tài)。

2.2將USB信號轉換為便于光纖傳輸的電路圖

圖2為將USB信號轉換為便于光纖傳輸的電路圖。假設USB為全速狀態(tài)（12M），此時(shí)D+通過(guò)大約1.5KΩ的電阻接+5V電源。平時(shí)USB信號處于閑置（Idle）狀態(tài)，此時(shí)D+為“1”（高電平，大約3至5V），D-為邏輯“0”（低電平，大約0至1.4V）。IC1為“或”門(mén)。IC2、IC4、IC5和IC6為可控三態(tài)緩沖器。其中，IC2和IC4是當其控制信號EN為“0”時(shí)導通的，而IC5和IC6是當其控制信號EN為“1”時(shí)導通的。由于IC2和IC4在不導通時(shí)（即EN為“1”時(shí)）輸出為高阻狀態(tài),所以

圖2在IC2的輸出端加了上拉電阻R1、在IC4的輸出端加了上拉電阻R2。IC3、IC10和IC11是比較器。IC7是單穩觸發(fā)電路由輸入端（信號VP）下降沿觸發(fā)，輸出EN平時(shí)為“0”。當IC7的輸入端出現一個(gè)下降沿時(shí)，其輸出端將出現一個(gè)持續時(shí)間大約1000us的“1”狀態(tài)，然后恢復為“0”。IC7的輸出信號EN通過(guò)控制IC2、IC4、IC5和IC6來(lái)控D+、D-的“收/發(fā)”狀態(tài)。由于EN平時(shí)為“0”，所以平時(shí)允許接收D+和D-（IC2、IC4導通），而禁止發(fā)送信號到D+和D-上（IC5和IC6輸出為高阻態(tài)）。

3信號的處理方式

平時(shí)閑置狀態(tài)（Idle）時(shí)D+為邏輯“1”、D-為邏輯“0”，所以IC1、IC2的輸出為“1”，IC3、IC4的輸出為“1”，輸出激光強度為“暗”。當激光強度為“暗”時(shí)，對方電路的激光接收器并經(jīng)過(guò)對方電路的IC9后的輸出為VP=“1”、VM=“0”。一旦USB開(kāi)始傳輸數據，則D+和D-的信號邏輯狀態(tài)發(fā)生變化。全速USB的信號狀態(tài)變化為：D+由“1”變成為“0”，D―由“0”變成為“1”。上位機的USB信號狀態(tài)先出現變化，此時(shí)IC1和IC2的輸出仍然為“1”，IC3和IC4的輸出變成為“0”。激光發(fā)射二極管將由“暗”變成為“全亮”?！叭痢钡募す馔ㄟ^(guò)光纖傳到對方電路的激光接收管。對方電路的VP由“1”變?yōu)椤?”，VM由“0”變?yōu)椤?”。對方電路的VP由“1”變?yōu)椤?”就是說(shuō)這個(gè)VP產(chǎn)生了一個(gè)下降沿，從而觸發(fā)了對方電路的IC7，使IC7的輸出EN由“0”變?yōu)椤?”并且保持“1”大約1000us（然后又恢復為“0”）。對方電路的VM由“0”變?yōu)椤?”從而使對方電路的USB信號由禁止發(fā)送（EN=“0”）變?yōu)榻菇邮眨‥N=“1”）。此時(shí)對方電路的VP和VM可以通過(guò)對方電路的IC5和IC6傳給對方電路的D+和D-，從而使上位機的USB信號在1000us內通過(guò)光纖傳到對方電路（即：下位機）的D+和D-線(xiàn)上。在這1000us內可以過(guò)光纖傳輸三種D+和D―狀態(tài)：①、D+為“1”且D-為“0”（代表閑置狀態(tài)以及數據“1”）②、D+為“0”且D-為“1”（代表數據“0”）③、D+為“0”且D-為“0”（代表數據傳輸結束標志）。這三種狀態(tài)可以表達USB信號的所有狀態(tài)（D+為“1”且D-為“1”的狀態(tài)是禁止的）。在大約1000us的時(shí)間內，恰好上位機向下位機傳輸一幀USB數據完畢，并且等待下位機回傳應答信號。1000us結束后，下位機的IC7的輸出EN恢復為“0”，此時(shí)下位機的USB數據狀態(tài)先變化。下位機的USB數據傳輸到上位機的過(guò)程與前面描述的上位機的USB數據傳輸到下位機的過(guò)程原理完全一樣。

4實(shí)驗與應用

系統設計完成后，根據電路中的時(shí)序要求，經(jīng)仿真調試并且在遠端可以復現USB信號。本電路可以用于各種USB外設，而且不改變原來(lái)的驅動(dòng)程序。某些USB外設目前還沒(méi)有有效的延長(cháng)方案，比如USB鼠標，那么采用本電路后可以得以成功實(shí)現。
目前的圖像遠程光纖傳輸方案往往需要專(zhuān)門(mén)的硬件接口及專(zhuān)用圖像處理軟件，而采用本方案的電路后，只需將普通USB攝像頭延長(cháng)即可實(shí)現。