通過(guò)光纖傳輸U(kuò)SB信號(hào)的電路設(shè)計(jì)及應(yīng)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）信號(hào)的電路。本文的電路將USB（通用串行總線）信號(hào)D+、D-的三種狀態(tài)轉(zhuǎn)換為發(fā)射激光的三種強(qiáng)度全亮、半亮、暗，并且通過(guò)光纖傳輸到對(duì)方激光接收器再通過(guò)相應(yīng)電路恢復(fù)D+、D-的三種狀態(tài)。激光接收器電路的輸出信號(hào)之一觸發(fā)單穩(wěn)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(hào)光纖通信

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

1實(shí)現(xiàn)原理

本方案是一種通過(guò)光纖傳輸U(kuò)SB信號(hào)的電路，成對(duì)使用，通過(guò)光的強(qiáng)度的三個(gè)等級(jí)（全亮、半亮、暗）分別代表USB數(shù)據(jù)線的三種狀態(tài)，當(dāng)光的強(qiáng)度為最低時(shí)（暗）代表USB數(shù)據(jù)線的閑置狀態(tài)。先發(fā)送USB信號(hào)的一方由于其USB的數(shù)據(jù)狀態(tài)先改變，其狀態(tài)的改變通過(guò)光纖傳輸?shù)綄?duì)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(wěn)電路，此單穩(wěn)電路的輸出控制USB信號(hào)的“收/發(fā)”允許。先發(fā)送USB信號(hào)的一方由于其USB的數(shù)據(jù)狀態(tài)先改變，其狀態(tài)的改變通過(guò)光纖傳輸?shù)綄?duì)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(wěn)電路，此單穩(wěn)電路的延時(shí)時(shí)間為USB傳輸一幀數(shù)據(jù)的時(shí)間。

2具體實(shí)現(xiàn)方法

2.1將USB信號(hào)（D+、D―）轉(zhuǎn)換為光纖傳輸信號(hào)

圖1為將USB信號(hào)（D+、D-）轉(zhuǎn)換為光纖傳輸信號(hào)――激光的框圖。USB信號(hào)檢測(cè)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(dāng)EN=“0”時(shí)，DOR=DOR1、RCV=RCV1。而當(dāng)EN=“1”時(shí)，DOR和RCV為高阻狀態(tài)。激光發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路（3）將DOR和RCV轉(zhuǎn)換為三種激光強(qiáng)度（亮、半亮、暗）。激光接收電路（4）將接收到的三種激光強(qiáng)度（亮、半亮、暗）恢復(fù)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(wěn)延時(shí)電路（5）。單穩(wěn)延時(shí)電路（5）的輸出EN平時(shí)（即USB信號(hào)處于閑置狀態(tài)時(shí)）為“0”，當(dāng)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(fù)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(dāng)EN=“1”時(shí)，VP=H、VM=L，而當(dāng)EN=“0”時(shí)輸出VP、VM為高阻狀態(tài)。

2.2將USB信號(hào)轉(zhuǎn)換為便于光纖傳輸?shù)碾娐穲D

圖2為將USB信號(hào)轉(zhuǎn)換為便于光纖傳輸?shù)碾娐穲D。假設(shè)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(hào)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(dāng)其控制信號(hào)EN為“0”時(shí)導(dǎo)通的，而IC5和IC6是當(dāng)其控制信號(hào)EN為“1”時(shí)導(dǎo)通的。由于IC2和IC4在不導(dǎo)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(wěn)觸發(fā)電路由輸入端（信號(hào)VP）下降沿觸發(fā)，輸出EN平時(shí)為“0”。當(dāng)IC7的輸入端出現(xiàn)一個(gè)下降沿時(shí)，其輸出端將出現(xiàn)一個(gè)持續(xù)時(shí)間大約1000us的“1”狀態(tài)，然后恢復(fù)為“0”。IC7的輸出信號(hào)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(dǎo)通），而禁止發(fā)送信號(hào)到D+和D-上（IC5和IC6輸出為高阻態(tài)）。

3信號(hào)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(qiáng)度為“暗”。當(dāng)激光強(qiáng)度為“暗”時(shí)，對(duì)方電路的激光接收器并經(jīng)過(guò)對(duì)方電路的IC9后的輸出為VP=“1”、VM=“0”。一旦USB開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)，則D+和D-的信號(hào)邏輯狀態(tài)發(fā)生變化。全速USB的信號(hào)狀態(tài)變化為：D+由“1”變成為“0”，D―由“0”變成為“1”。上位機(jī)的USB信號(hào)狀態(tài)先出現(xiàn)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”。“全亮”的激光通過(guò)光纖傳到對(duì)方電路的激光接收管。對(duì)方電路的VP由“1”變?yōu)椤?”，VM由“0”變?yōu)椤?”。對(duì)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(duì)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(fù)為“0”）。對(duì)方電路的VM由“0”變?yōu)椤?”從而使對(duì)方電路的USB信號(hào)由禁止發(fā)送（EN=“0”）變?yōu)榻菇邮眨‥N=“1”）。此時(shí)對(duì)方電路的VP和VM可以通過(guò)對(duì)方電路的IC5和IC6傳給對(duì)方電路的D+和D-，從而使上位機(jī)的USB信號(hào)在1000us內(nèi)通過(guò)光纖傳到對(duì)方電路（即：下位機(jī)）的D+和D-線上。在這1000us內(nèi)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(shù)據(jù)“1”）②、D+為“0”且D-為“1”（代表數(shù)據(jù)“0”）③、D+為“0”且D-為“0”（代表數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束標(biāo)志）。這三種狀態(tài)可以表達(dá)USB信號(hào)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(nèi)，恰好上位機(jī)向下位機(jī)傳輸一幀USB數(shù)據(jù)完畢，并且等待下位機(jī)回傳應(yīng)答信號(hào)。1000us結(jié)束后，下位機(jī)的IC7的輸出EN恢復(fù)為“0”，此時(shí)下位機(jī)的USB數(shù)據(jù)狀態(tài)先變化。下位機(jī)的USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)的過(guò)程與前面描述的上位機(jī)的USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)较挛粰C(jī)的過(guò)程原理完全一樣。

4實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，根據(jù)電路中的時(shí)序要求，經(jīng)仿真調(diào)試并且在遠(yuǎn)端可以復(fù)現(xiàn)USB信號(hào)。本電路可以用于各種USB外設(shè)，而且不改變?cè)瓉?lái)的驅(qū)動(dòng)程序。某些USB外設(shè)目前還沒(méi)有有效的延長(zhǎng)方案，比如USB鼠標(biāo)，那么采用本電路后可以得以成功實(shí)現(xiàn)。
目前的圖像遠(yuǎn)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(zhǎng)即可實(shí)現(xiàn)。