通過光纖傳輸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，特別涉及一種通過光纖傳輸USB（通用串行總線）信號的電路。本文的電路將USB（通用串行總線）信號D+、D-的三種狀態轉換為發射激光的三種強度全亮、半亮、暗，并且通過光纖傳輸到對方激光接收器再通過相應電路恢復D+、D-的三種狀態。激光接收器電路的輸出信號之一觸發單穩延時電路來控制D+、D-與激光發射電路、激光接收電路的通與斷。

關鍵詞：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，一般不超過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，從而提供一種通過光纖傳輸USB信號的電路，使USB的通信距離增加到幾十千米。

1實現原理

本方案是一種通過光纖傳輸USB信號的電路，成對使用，通過光的強度的三個等級（全亮、半亮、暗）分別代表USB數據線的三種狀態，當光的強度為最低時（暗）代表USB數據線的閑置狀態。先發送USB信號的一方由于其USB的數據狀態先改變，其狀態的改變通過光纖傳輸到對方電路的接收電路產生一個下降沿（或者上升沿）觸發一個單穩電路，此單穩電路的輸出控制USB信號的“收/發”允許。先發送USB信號的一方由于其USB的數據狀態先改變，其狀態的改變通過光纖傳輸到對方電路的接收電路產生一個下降沿（或者上升沿）觸發一個單穩電路，此單穩電路的延時時間為USB傳輸一幀數據的時間。

2具體實現方法

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”門輸出DOR1和差分比較器輸出RCV1。一雙可控三態緩沖器（2）通過控制端EN來控制邏輯“通”與“端”。當EN=“0”時，DOR=DOR1、RCV=RCV1。而當EN=“1”時，DOR和RCV為高阻狀態。激光發射驅動電路（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。激光接收電路（4）的輸出之一H的狀態變化觸發單穩延時電路（5）。單穩延時電路（5）的輸出EN平時（即USB信號處于閑置狀態時）為“0”，當其輸入H有下降延（即由“1”變為“0”）時輸出EN由“0”變為“1”并且保持為“1”大約1000us，然后恢復為“0”。另一雙可控三態緩沖器（2）通過控制端EN來控制來控制邏輯“通”與“斷”，當EN=“1”時，VP=H、VM=L，而當EN=“0”時輸出VP、VM為高阻狀態。

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（12M），此時D+通過大約1.5KΩ的電阻接+5V電源。平時USB信號處于閑置（Idle）狀態，此時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。IC2、IC4、IC5和IC6為可控三態緩沖器。其中，IC2和IC4是當其控制信號EN為“0”時導通的，而IC5和IC6是當其控制信號EN為“1”時導通的。由于IC2和IC4在不導通時（即EN為“1”時）輸出為高阻狀態,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是單穩觸發電路由輸入端（信號VP）下降沿觸發，輸出EN平時為“0”。當IC7的輸入端出現一個下降沿時，其輸出端將出現一個持續時間大約1000us的“1”狀態，然后恢復為“0”。IC7的輸出信號EN通過控制IC2、IC4、IC5和IC6來控D+、D-的“收/發”狀態。由于EN平時為“0”，所以平時允許接收D+和D-（IC2、IC4導通），而禁止發送信號到D+和D-上（IC5和IC6輸出為高阻態）。

3信號的處理方式

平時閑置狀態（Idle）時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，對方電路的激光接收器并經過對方電路的IC9后的輸出為VP=“1”、VM=“0”。一旦USB開始傳輸數據，則D+和D-的信號邏輯狀態發生變化。全速USB的信號狀態變化為：D+由“1”變成為“0”，D―由“0”變成為“1”。上位機的USB信號狀態先出現變化，此時IC1和IC2的輸出仍然為“1”，IC3和IC4的輸出變成為“0”。激光發射二極管將由“暗”變成為“全亮”。“全亮”的激光通過光纖傳到對方電路的激光接收管。對方電路的VP由“1”變為“0”，VM由“0”變為“1”。對方電路的VP由“1”變為“0”就是說這個VP產生了一個下降沿，從而觸發了對方電路的IC7，使IC7的輸出EN由“0”變為“1”并且保持“1”大約1000us（然后又恢復為“0”）。對方電路的VM由“0”變為“1”從而使對方電路的USB信號由禁止發送（EN=“0”）變為禁止接收（EN=“1”）。此時對方電路的VP和VM可以通過對方電路的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內通過光纖傳到對方電路（即：下位機）的D+和D-線上。在這1000us內可以過光纖傳輸三種D+和D―狀態：①、D+為“1”且D-為“0”（代表閑置狀態以及數據“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）。這三種狀態可以表達USB信號的所有狀態（D+為“1”且D-為“1”的狀態是禁止的）。在大約1000us的時間內，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”，此時下位機的USB數據狀態先變化。下位機的USB數據傳輸到上位機的過程與前面描述的上位機的USB數據傳輸到下位機的過程原理完全一樣。

4實驗與應用

系統設計完成后，根據電路中的時序要求，經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，而且不改變原來的驅動程序。某些USB外設目前還沒有有效的延長方案，比如USB鼠標，那么采用本電路后可以得以成功實現。
目前的圖像遠程光纖傳輸方案往往需要專門的硬件接口及專用圖像處理軟件，而采用本方案的電路后，只需將普通USB攝像頭延長即可實現。