CN104702340A - 一种光传输端子 - Google Patents

Abstract

本发明使用精简体积的光电转换单元将1394b光传输解决方案的光电转换芯片和其他电气部分封装在一个小型端子中，使得整个解决方案的体积大大减小。端子包括了1394b 9-pin公头，电路板，接口保护电路，阻抗匹配电路，温度传感器，微控制器电路，加热电路，光电转换芯片，透镜，光纤接头等。将上述部分封装在一个金属或者其它材料的外壳中，以保证连接的可靠性，同时使端子的体积尽量精简。本发明还采用了智能控温技术，在低温环境中对光电转换模组进行近距离的主动加热，始终保持模组处于最佳工作环境，从而保证传输的可靠性。

Description

一种光传输端子

技术领域

本发明属于光传输领域，特别涉及firewire(1394b)光传输领域。

背景技术

目前的1394b光传输解决方案均是以两个体积很大的光终端机作为收发机加一条光纤组成的，一般的分体式1394b收发机体积在5X5X5cm以上。这样的方案体积较大，在很多场合由于体积问题不能直接作为铜线的代替品，使用不方便。相比传统的1394b铜线，虽然大大延长了传输距离但是相比较而言，光终端机的体积要大的多。而且光纤和光终端机之间连接的防护性也很难提高，这些因素都给工程实施造成了一定程度上的不便。

同时，目前的光传输解决方案在低于0度的室外环境下很难保证传输的稳定性，这是因为目前的光电转换模块的工作范围一般在0度～70度之间，难以适应严苛环境中的应用。

目前并未给出一种小型化、连接可靠性高、适用温度范围广的光传输解决方案。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有光终端机体积大、应用不便，而提供了一种小型化、一体化的1394b光传输解决方案，改进了1394b光传输解决方案的便利性和易实施性。

本发明的另一目的是克服现有光终端机低温下传输不稳定，而提供了加入加热电路的光传输解决方案从而使其可以适应低温环境应用。

本发明的另一目的是克服现有光传输解决方案中光纤和光终端机之间连接防护性低，而提供了使用压接环和金属壳的传输端子来保证了光纤和光终端机中的光电转换芯片之间的稳固连接。

为了解决以上技术问题，本发明将1394b光传输解决方案的光电转换芯片和其他电气部分封装在一个小型端子中，使得整个解决方案的体积大大减小。端子包括了1394b 9-pin公头，电路板，接口保护电路，阻抗匹配电路，电平转换电路，温度传感器，微控制器，加热电路，光电转换芯片，透镜，光纤接头等。将上述部件封装在一个外壳中，使端子的体积尽量精简，并使用压接环以保证连接的可靠性。外壳可以使用金属或者其它材料。当采用金属外壳时，还可以避免外界电磁干扰对接口电路的影响。

本发明还采用了智能控温技术，在低温环境中对光电转换芯片进行近距离的主动加热，始终保持模组处于最佳工作环境，从而保证传输的可靠性。

本发明提供了一种光传输端子，包括外壳，其特征在于，还包括封装在外壳中的电路板及依次连接的1394b公头、光电转换芯片、透镜和光纤接头，其中，光电转换芯片固定在电路板上；所述光传输端子还包括能对光电转换芯片进行加热的加热电路。

其中，所述电路板上还集成有电源、接口保护电路、阻抗匹配电路、电平转换电路、微控制器、温度传感器和加热电路，其中，电源至少与微控制器、温度传感器、加热电路和光电转换芯片电性连接。

其中，所述光电转换芯片使用COB(chip On board)工艺直接将裸片固定在电路板上，透镜通过高精度定位手段和光电转换芯片耦合，光纤与外壳通过压接环固定连接。

其中，所述高精度定位手段为基于图像识别的自动对准。

其中，所述加热电路使用带迟滞的加热算法。

其中，所述带迟滞的加热算法具体为：微控制器不断检测温度传感器的读值，检测到所述读值低于第一阈值时，即打开加热电路，直到所述读值提升到第三阈值时，停止加热；之后，当检测到所述读值低于第二阈值时，再次打开加热电路，从而使得所述读值保持在第二阈值和第三阈值之间。

其中，所述第一阈值为光电转换芯片的最低工作温度，所述第二阈值大于所述第一阈值，所述第三阈值大于所述第二阈值。

其中，所述加热电路贴附于承载光电转换芯片的电路板下方。

其中，所述第一阈值为光电转换芯片的最低工作温度和温度余量的和。

本发明还提供了一种由两个如权利要求1-9的光传输端子和光纤组成的1394b光纤。

本发明还提供了一种光传输装置，包括，如权利要求1-9的光传输端子、光纤和1394b转发器。

本发明还提供了一种光传输装置，包括，如权利要求1-9的光传输端子、光纤和1394a设备。

本发明的有益效果主要体现在，跟传统1394b光传输解决方案相比：

1)大大减少了解决方案中终端机的体积；

2)增加了光纤连接的稳固性；

3)降低了系统功耗；

4)增加了方案的适用温度范围。

附图说明

图1是本发明的整体结构图。

图2是本发明使用的1394b 9-pin铜线接口。

图3是本发明中光电转换的原理图

图4是本发明中光传输端子的内部结构图

图5是本发明中光传输端子的功能框图

图6是本发明中的阻抗匹配电路和电平转换电路

图7是本发明中温度补偿原理图

图8是本发明针对1394a的应用方案

图9是本发明针对1394b的应用方案

附图标记说明如下：

1   端子外壳

2   电路板

3   1394b插头

4   光电转换芯片

5   透镜

6   光纤接头

7   光纤对

8   压接环

9   光纤保护层

具体实施方式

以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提供的具体实施方式、结构、特征及其效果，详细说明如下。

图1是本发明的一个具体实施例，将1394b 9-pin公头，电路板，接口保护电路，阻抗匹配电路，电平转换电路，温度传感器，微控制器，加热电路，光电转换芯片，透镜，光纤接头等集成在一个约20mm*60mm*12mm的金属壳体中，可以完成1394b信号的光电转换和对接口电路干扰的隔离功能。

图2是本发明中1394b 9-pin的铜线接口定义，其中包括数字信号线。由于光传输解决方案中的AOC(Active optical cable)是用来替换铜线的，其接头采用和铜线一样规格的接头。表1示出了1394b9-pin接口的引脚与功能定义。

表1：1394b接口功能定义

端口引脚编号	IEEE Std 1394b-2002中规定的引脚名称
		1	TPB*(B差分对负端)
2	TPB(B差分对正端)
		3	TPA*(A差分对负端)
4	TPA(A差分对正端)
		5	TPA(R)(A差分对参考地)
6	Vg(电源地)
		7(未连接)	未连接
8	Vp(电源正极)
		9	TPB(R)(B差分对参考地)
接头外壳	接头外壳

其中TPA/TPA*和TPB/TPB*四个信号是用来传输数字信号的高速通道。1394b AOC(Active opticalcable)(在本发明中，光纤特指被动式光纤线，不含任何电子部分。AOC特指主动式光纤线，包含被动式光纤以及光电转换端子)通过将这两对差分线转换为光传输的方式实现了传输距离的延长。另外的Vg和Vp在光纤线缆中不连接，在端子中Vp与电源输出端相连，Vg接地，这样AOC的线缆只传输光信号。

将光纤和两个附图2中所示的端子组装在一起即为一条完整的1394b AOC，在设备端配合12V外接电源即可直接替代铜线。

图3是本发明中光电转换的原理图。对于表1中列出了1394b 9pin接口的全部引脚，其中真正用于传输数字的只有TPA和TPB两对信号线。其中TPB信号的是作为电信号的输入端，光电转换芯片(即图3的光收发芯片)接收到由9pin接头TPB输入的电信号，光电转换芯片驱动激光器将其转换为光信号，光信号经由光纤传输至对端的光接收器件，光接收器件将接收到的光信号输出给光收发芯片并由光收发芯片将光信号转化为电信号，经由另一个1394b 9pin接头的TPA信号对输出。另外一条通路方向相反，原理完全相同，在此不详细阐述。这样形成了两个对向传输通路，信号可以进行双向传输，形成了1394b信号传输的完整通路。

图4是本发明中光传输端子的内部结构图。在传统的1394b光传输解决方案中一般使用终端机和LC接头的光纤线组成，其终端机体积较大，LC端子对于外力、尘土的防护性也较低。而本发明中，端子外壳1可以使用金属或者其它材料，并如图4所示的将端子中的部件封装在内。其中，1394b插头3固定在电路板2上。该固定方式是本领域熟知的，故不再详述。

优选的，使用COB(chip On board)工艺直接将裸片形式的光电转换芯片4固定在电路板2上，裸片是指芯片的核心部分，直接使用裸片贴装可以大大减小电路板2的面积，进一步减少传输端子的体积。

透镜5通过高精度定位手段和光电转换芯片4耦合。使用这样的固定方式的体积远远小于传统的独立IC和TOSA/ROSA(光发射次模块/光接收次模块)配合使用的方式。高精度定位手段具体可以为通过图像识别而自动对准。本发明中的光传输端子将光纤接头6完全包裹在其中，使用压接环8以保证连接的可靠性。光纤接头6一侧和透镜5固定，另一侧和光纤对7融合。光纤接头6和透镜5的固定方法可以采用金属弹片固定。压接环8位于光纤保护层9的末端，是一个凸起的圆环，可以用来固定端子外壳和光纤保护层。另外电源、接口保护电路、阻抗匹配电路、电平转换电路、微控制器、加热电路均在电路板上，图4未示出。

优选的，加热电路位于载有光电转换芯片的电路板下方，离光电转换芯片较近，最大限度的提升加热片的加热效果。更优选的方式可以为，加热电路紧贴在光电转换芯片上。

图5是本发明中光传输端子的功能框图。如图5所示，从端子角度来说，外部1394b设备的电信号经过阻抗匹配电路和电平转换电路输入到光电转换芯片的接收端。阻抗匹配电路的作用是保证电信号的传输质量，避免出现信号过冲、振铃等异常情况，减小误码率。电平转换电路的作用是将电信号控制在光电转换芯片的输入范围之内，比如有的1394b信号幅度为差分1000mV，而有的光电转换芯片的电信号输出幅值为400mV，这时就需要电平转换电路将输入信号的幅值减小。输入的电信号还要通过接口保护电路，接口保护电路的作用是防止外部的静电和插拔时的异常电平损坏内部电路。光电转换芯片将输入进来的电信号转换为光信号之后通过光纤传输至远端的另一个端子。远端的端子中的光电转换芯片将接收到的光信号转化为电信号。输出的电信号同样经过阻抗匹配电路、电平转换电路、接口保护电路输出到1394b 9-pin接口上。其中，微控制器控制加热电路以实现智能控温。其中，电源至少与光电转换芯片、加热电路和微控制器电性连接。

图6是本发明中的阻抗匹配电路和电平转换电路。其中，电容的作用为隔离直流信号，目的是使得信号符合光电转换芯片的输入要求。30欧姆电阻和22欧姆电阻起到分压作用，目的是将1394b信号的幅值降低到光电转换芯片要求的范围以内。TPA差分对上的12K欧姆和10K欧姆电阻作用为将信号的共模幅值固定在1.5V，使AOC的输出信号共模电压接近于市面上大多数1394b设备的输出，以提高兼容性。

图7是本发明中温度补偿原理图。光纤在低温下的温度补偿由微控制器、温度传感器和加热电路完成。工作原理如下：微控制器不断检测温度传感器的读值，检测到环境温度过低时，即打开加热电路，将端子的温度提升到适合光电转换器工作的范围，之后停止加热。当再次检测到温度过低时，重复以上过程。一般来说，根据光电转换芯片的特性，1394b光纤在零度(假设光电转换芯片的工作温度为零度以上)以上工作时不会打开加热功能。只有在微控制器检测到不适合光电传感芯片工作的低温环境时才会开启加热功能。

加热功能优选地使用带迟滞的加热算法：

a)有源光纤线刚接入时默认光电转换芯片处于不工作状态，温度传感器检测到的温度低于第一阈值，则开启加热电路。第一阈值优选为零度。

b)加热到适合光电转换芯片工作的温度T1时，如图7箭头①处，光电转换芯片开启进入工作状态，加热电路继续加热。

c)加热到一个合适的温度T3时，如图7箭头②处，关闭加热电路。

d)如果外界环境温度较低，端子温度会逐渐降低，降低到T2时，如图7箭头③处，重新开启加热，进入步骤b)，如此循环往复。T2温度比T1温度高，从而留出温度余量。

假设光电传感器的工作温度为t1～t2，室温为t，假设室温在t1～t2范围内。一般来说，T1可以设定为适合光电转换芯片工作的最小温度值，即t1；优选的，可以将T1设定为比t1高出一定的温度余量，从而使可靠性更高。T2设定为比T1高，T3设定为比T2高，T3和T2的差值是允许光电转换芯片的温度波动范围。T2和T3的设定需要权衡功耗和鲁棒性。如果T2和T3设定的过高，加热的时间会变长，耗电量会增加，如果T2和T3设定的过低，比如接近t1，在某些情况下并不保证光电传感芯片始终处于合适的工作温度，会影响工作性能甚至于光电转换芯片停止工作。更具体地，在本发明的一个实施例中，t1为O度，T1被设定为t1+10，即10度，T2被设置为20度，T3被设置为25度；本领域技术人员清楚，T1、T2、T3的温度并不必须是这些数值。

图8是本发明针对1394a的应用方案。1394b规范中规定了两种工作模式Beta模式和Data/Strobe模式(简称为DS模式)，在Beta工作模式中，1394b的两对传输线中，一对作为发送，另一对作为接收，在DS模式中，这两对传输线中的任意一根都会作为发送/接收。1394a协议只支持DS模式传输。1394b AOC只能工作在全双工模式，因此1394b AOC只能支持Beta模式的数据传输。而1394a的传输是半双工工作模式，即同一条通信线路上既有发送又有接收。故1394b AOC无法直接支持1394a设备。如果要兼容DS模式的数据传输只需配合1394b repeater/hub即可。1394b repeater/hub均是1394b规范中所规定的标准设备，可以配合本发明中提出的光传输端子以兼容1394a传输应用。1394b repeater/hub作为1394b信号通路和1394a信号通路之间的桥梁。因为1394b repeater/hub是常见的标准产品，此处不进行详细阐述。

图9是是本发明针对1394b的应用方案，其中，1394b主机通过1394b光纤与1394a设备直接相连以传输光信号。

以上所述仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制；凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种光传输端子，包括外壳，其特征在于，还包括封装在外壳中的电路板及依次连接的1394b公头、光电转换芯片、透镜和光纤接头，其中，光电转换芯片固定在电路板上；所述光传输端子还包括能对光电转换芯片进行加热的加热电路。

2.根据权利要求1的光传输端子，其特征在于：所述电路板上还集成有电源、接口保护电路、阻抗匹配电路、电平转换电路、微控制器、温度传感器和加热电路，其中，电源至少与微控制器、温度传感器、加热电路和光电转换芯片电性连接，所述加热电路贴附于承载光电转换芯片的电路板下方。

3.根据权利要求1的光传输端子，所述光电转换芯片使用COB(chip On board)工艺直接将裸片固定在电路板上，透镜通过高精度定位手段和光电转换芯片耦合，光纤与外壳通过压接环固定连接。

4.根据权利要求3的光传输端子，所述高精度定位手段为基于图像识别的自动对准。

5.根据权利要求2的光传输端子，所述加热电路使用带迟滞的加热算法。

6.根据权利要求5的光传输端子，所述带迟滞的加热算法具体为：微控制器不断检测温度传感器的读值，检测到所述读值低于第一阈值时，即打开加热电路，直到所述读值提升到第三阈值时，停止加热；之后，当检测到所述读值低于第二阈值时，再次打开加热电路，从而使得所述读值保持在第二阈值和第三阈值之间。

7.根据权利要求5的光传输端子，所述第一阈值为光电转换芯片的最低工作温度，所述第二阈值大于所述第一阈值，所述第三阈值大于所述第二阈值。

8.根据权利要求8的光传输端子，所述第一阈值为光电转换芯片的最低工作温度和温度余量的和。

9.一种光传输装置，包括，如权利要求1-9的光传输端子、光纤和1394b转发器。

10.一种光传输装置，包括，如权利要求1-9的光传输端子、光纤和1394a设备。