CN107294607A - 一种基于pci‑e的usb3.1光纤扩展卡 - Google Patents

Abstract

一种基于PCI‑E的USB3.1光纤扩展卡，可以通过PCI‑E技术转换成多个USB3.1接口，并将多个USB3.1接口的USB3.1电信号转换成光信号采用光纤进行传输，USB3.1光纤扩展卡和一个USB3.1光纤接收端配合使用，两者之间通信的光纤通信可以通过自定义通信规则进行自动协商，在USB3.1光纤接收端的USB3.1 HUB主控芯片四个端口都可以连接USB3.0或USB3.1终端外设，传输距离可以达到300米到400米，本发明所采用技术方案传输的数据是原生的USB3.1数据格式，USB3.1信号使用光纤传输设备在传输过程中是透明的，所有符合USB3.1标准的超高速终端外设都可以正常连接。

Description

一种基于PCI-E的USB3.1光纤扩展卡

技术领域

本发明涉及USB3.1与PCI Express通信领域，特别涉及PCI-E转换USB3.1光纤接口，具体是指一种基于PCI-E的USB3.1光纤扩展卡和USB3.1光纤接收端。

本发明还涉及一种USB3.1光纤扩展卡和USB3.1光纤接收端之间光纤通信的自动协商方法。

本发明还涉及一种对USB3.1光纤扩展卡和USB3.1光纤接收端进行数字诊断及USB3.1终端设备远程控制的方法。

背景技术

PCI Express 2.0的基础技术沿袭了上一代1.0版本的技术，即都采用高速串行总线技术，依靠高频率来获得高性能，因此PCI Express也一度被人们称为“串行PCI”。由于串行传输抗干扰能力很强，容易达到较高的频率，再加上差分信号技术的辅助，PCI Express更容易达到较高的传输频率，其中PCI Express 1.0总线频率为2.5GHz，2.0版进一步提升到了5GHz。PCI Express 2.0保持对现行1.0/1.1规范的兼容，旧的PCI Express扩展卡依然可以在PCI Express 2.0规范的系统中正常运行。同样，PCI Express 2.0扩展设备也可以工作在1.0的体统中，只不过此时设备必须工作在1.0兼容模式下。

2010年完成的PCI-E 3.0标准与PCI-E 2.0相比，PCI-E 3.0的目标是带宽继续翻倍达到10GB/s，要实现这个目标就要提高速度，PCI-E 3.0的信号频率从2.0的5GT/s提高到8GT/s，编码方案也从原来的8b/10b变为更高效的128b/130b，其他规格基本不变，每周期依然传输2位数据，支持多通道并行传输。除了带宽翻倍带来的数据吞吐量大幅提高之外，PCI-E 3.0的信号速度更快，相应地数据传输的延迟也会更低。此外，针对软件模型、功耗管理等方面也有具体优化。

USB3.0对传输速度进行了大幅提升，它基于全双工数据传输协议，理论传输速率高达5Gbps(即625MB/秒)，实际数据传输速率也将高达3.2Gbps (即400MB/秒)，相比USB2.0时代有了将近10倍的提升，而现在最新的USB3.1 Gen2标准又将传输速率提升到了10Gbps，因此数据的传输距离遇到了前所未有的挑战。由于传输速率由以往的USB2.0标准规定的480Mbps提升到了10Gbps，因此使用传统的电缆一般不会超过1米，但是由于采用电缆传输在使用过程中特别容易受到电磁干扰的影响，因此不适合在一些电磁干扰较大的工业生产流水线上使用，以及一些对电磁干扰敏感的设备（如军工设备）上使用；而目前随着工业4.0的兴起，许多USB3.0工业相机的传输距离会超过这个距离，甚至要达到几百米的距离，另外一些企业和单位出于安全考虑，往往需要将计算机主机集中管理，用户只能在远端使用USB3.0存储设备和USB3.0打印机，从而实现计算机主机与使用者的安全隔离，而计算机与终端之间往往也达到了上百米，并且数据在传输过程中不能有电磁泄漏而导致数据安全得不到保障。而我们采用光纤传输USB3.1信号即可以解决电磁干扰的问题，又可以解决传输距离的问题，此外现在虽然有一些可以实现USB3.0信号远距离传输的装置，但它们一般都是将终端设备的USB3.0数据通过USB3.0物理层芯片解析成其它的数据格式再重新编码转换成光纤来传输，另外一端将接收到的光信号转换成电信号，通过USB3.0物理层芯片转换成并行数据送到采集卡进行数据采集，它们都是针对一些特定的设备应用，无法实现其它USB3.0标准终端设备的接入，例如一种用来实现USB3.0工业相机远距离传输的装置是无法用来接入U盘、USB3.0移动硬盘或是打印机等其它USB3.1终端设备，而且现有还没有一种能直接将PCI-E接口直接转换成USB3.1光纤接口的方案。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于PCI-E技术转换成USB3.1光纤接口的USB3.1光纤扩展卡，可以通过PCI-E技术转换成多个USB3.1接口，并将多个USB3.1接口的USB3.1电信号转换成光信号采用光纤进行传输，而且可以通过数字诊断电路实现USB3.1光纤扩展卡和USB3.1光纤接收端进行数字诊断及USB3.1终端设备远程控制，需要说明的是，说明书中USB3.1终端设备指的是符合USB3.1标准的USB3.0\USB3.1设备。

本发明所采用的技术方案 ：一种基于PCI-E的USB3.1光纤扩展卡和USB3.1光纤接收端， USB3.1光纤扩展卡可以通过PCI-E技术转换成多个USB3.1接口，并将多个USB3.1接口的USB3.0电信号转换成光信号采用光纤进行传输，USB3.1光纤扩展卡和一个USB3.1光纤接收端配合使用，两者之间通信的光纤通信可以通过自定义通信规则进行自动协商，USB3.1超高速信号是全双工信号，收和发各是一对独立的差分数据线：SSTX+/-和SSRX+/-，因此可以用光模块转换成光信号后用光纤传输，在USB3.1光纤接收端的USB3.1 HUB主控芯片四个端口都可以连接USB3.1终端设备；可以采用多模光纤、也可以采用单模光纤，可以采用双芯光纤，也可以采用单芯光纤，USB3.1光纤扩展卡和USB3.1光纤接收端都有一个可以热插拔的SFP+光模块，在使用过程中光模块灵活更换，而且光纤的长度可以根据实际需要进行布线。传输距离可以达到300米到400米，本发明所采用技术方案传输的数据是原生的USB3.1数据格式，在USB3.1光纤通信过程中，为了保证兼容性和普遍适用性，不会将USB3.1主控制器、USB3.1 HUB主控芯片和USB3.1终端设备发送的原生USB3.1数据转换成其它格式并重新编解码再进行传输，只是将收到的USB3.1电信号进行电-光-电的转换，光纤传输设备不会在数据流中加入任何附加的数据，因此USB3.1信号使用光纤传输设备在传输过程中是透明的，所有符合USB3.1标准的超高速终端外设都可以正常连接。

与此相应的，本发明另一个要解决的技术问题是提供一种USB3.1光纤扩展卡和USB3.1光纤接收端之间光纤通信的自动协商方法。

与此相应的，本发明还有一个要解决的技术问题是提供一种对USB3.1光纤扩展卡和USB3.1光纤接收端进行数字诊断及USB3.1终端设备远程控制的方法。

以下将详细介绍USB3.1光纤扩展卡的各个组成部分。

按上述方案，所述USB3.1光纤扩展卡，包括PCI-E总线接口、PCI-E to USB3.1主控芯片、USB3.1均衡器单元、Rx_DET模拟负载单元、SFP+光模块单元、MCU控制单元、LED指示电路、管理接口电路、供电单元、FLASH芯片。

所述PCI-E总线接口，用来连接计算机主机的PCI-E总线。

优选地，所述PCI-E to USB3.1主控芯片为ASM1142，通过该芯片可以用PCI-E2.0x2总线接口或者PCI-E3.0x1总线接口扩展出2个USB3.1端口，内部包含一个xHCI控制器和USB3.1 Root HUB。

所述FLASH芯片，用于存储PCI-E to USB3.1主控芯片的配置数据。

所述USB3.1均衡器单元，包含2个均衡器芯片，均衡器芯片可以通过外部电阻设置参数，也可以用MCU通过I2C接口设置、读取参数，均衡器芯片内部主要有缓冲输入电路、均衡电路、放大电路、缓冲输出电路、信号检测电路及I2C接口。均衡器芯片一方面用来将PCI-E to USB3.1主控芯片下行接口的 Tx输出端发送来的电信号经放大均衡送到SFP+光模块的TX输入端，另一方面用来将USB3.1光纤接收端发送过来的电信号经放大均衡送到PCI-Eto USB3.1主控芯片的下行接口 Rx输入端。

所述Rx_DET模拟负载单元，包含2个Rx_DET模拟负载，每个Rx_DET模拟负载用来模拟USB3.1终端设备；根据USB3.0协议，USB3.1接口的Rx输入端必须包含Rx Detect电路，USB3.0物理层在处于U1、U2、U3状态时，为了节省电力而使用LFPS(Low Frequency PeriodSingal)信号作为通信介质，LFPS信号是一种低频率的周期性信号，当USB3.0下行端口没有插入设备时，PCI-E to USB3.1主控制器USB3.1 Root HUB的Tx端会不停的发送Rx Detect方波信号，该方波信号并不是LFPS信号。如果一直没有device插上，根据USB3.0协议，则一直处在Rx Detect状态中；当有Device插上时，USB3.1 Root HUB的 Tx端则会发送LFPS信号；而普通的SFP+光模块的输入接口电路没有USB3.1接口Rx输入端的Rx Detect电路，因此SFP+光模块与USB3.1 Root HUB连接时，USB3.1 Root HUB会一直处在Rx Detect状态中，无法与USB3.0光纤接收机的USB3.1 HUB主控芯片进行通信，导致链接失败无法进行数据传输，而本发明中的Rx_DET模拟负载是用来解决这一问题的关键技术手段。

所述SFP+光模块单元，包含2个SFP+光模块，每个SFP+光模块都连接到对应的USB3.1均衡器，一方面用来将USB3.1均衡器的缓冲输出端发送来的电信号转换成光信号，另一方面用来将USB3.1光纤接收端发送过来的光信号转换成电信号送到USB3.1均衡器缓冲放大输入端；此外，本发明利用SFP+光模块光发送机的发射关断控制Tx_Disable输入脚和光接收机的无光告警信号LOS输出脚组合形成一个低速率双向RS-232传输通道，由双向RS-232传输通道、MCU控制单元、管理接口组成一个数字诊断通道，计算机通过数字诊断通道来实现对USB3.1终端设备的供电电路或是USB3.1终端设备发送控制指令，以及对USB3.1光纤接收端的SFP+光模块进行数字诊断管理。

所述MCU控制单元，采用PCI-E AUX电源独立供电，用来控制USB3.1光纤扩展卡与USB3.1光纤接收端的握手连接及PCI-E to USB3.1主控制器复位；用来控制实现SFP+光模块供电；用来实现SFP+光模块的数字诊断及其控制；用来实现USB3.1终端设备控制指令的发送，结合管理接口实现对USB3.1光纤扩展卡及USB3.1光纤接收端的数字诊断管理。

所述管理接口电路，连接到PCI-E to USB3.1主控制器的一个下行USB2.0端口，实现USB2.0转换成RS-232接口，RS-232接口连接到MCU控制单元的一个RS-232串口，用来实现在计算机主机端对USB3.1光纤扩展卡及USB3.1光纤接收端的数字诊断管理。

所述供电单元，为PCI-E to USB3.1主控制器芯片、MCU控制单元、SFP+光模块、管理接口、LED指示电路、FLASH提供电源。

所述LED指示电路，用于指示的通信状态、SFP+模块状态、故障情况等信息。

以下将详细介绍USB3.1光纤接收端的各个组成部分。

按上述方案，所述USB3.1光纤接收端，包括四个USB3.1下行接口、USB3.1 HUB主控芯片、FLASH芯片、Rx_DET模拟负载、SFP+光模块、MCU控制单元、管理接口电路、LED指示电路、供电单元。

所述USB3.1下行接口，用来连接USB3.1终端设备。

按上述方案，所述USB3.1光纤接收端，包括四个USB3.1下行接口、USB3.1 HUB主控芯片、FLASH芯片、Rx_DET模拟负载、SFP+光模块、MCU控制单元、管理接口电路、LED指示电路、供电单元。

所述USB3.1下行接口，用来连接超高速USB终端设备。

优选地，所述USB3.1 HUB主控芯片为VL820，符合最新的USB3.1 Gen2标准，传输速率可以达到10Gbps，它可以支持USB Type-C端口输出，USB3.1 HUB主控芯片的上行口连接到SFP+光模块，USB3.1 HUB主控芯片，包括SIE（串行接口引擎）、控制、处理转换、中继、路由、AES加解密等部分，用来实现对接入超高速USB终端设备的路由、数据转发、电源管理等功能，USB3.1 HUB主控芯片的四个下行接口用来连接四个标准的超高速USB终端设备，如USB3.0工业打印机、USB3.0相机、USB3.0移动硬盘、USB3.0移动U盘等标准USB3.1外设。

所述FLASH芯片，用于存储USB3.1 HUB芯片的配置数据。

所述Rx_DET模拟负载，用来模拟USB3.1主控制器下行接口Rx输入端的Rx_DET电路；根据USB3.0协议，USB3.1接口的Rx输入端必须包含Rx Detect电路，USB 3.0物理层在处于U1、U2、U3状态时，为了节省电力而使用LFPS(Low Frequency Period Singal)信号作为通信介质，LFPS信号是一种低频率的周期性信号，当USB3.1 HUB主控芯片上行端口没有与USB3.1主控制器连接上时，USB3.1 HUB主控芯片的Tx端会不停的发送Rx Detect方波信号，该方波信号并不是LFPS信号。如果一直没有与USB3.1主控制器连接上，根据USB3.0协议，则一直处在Rx Detect状态中；当USB3.1 HUB主控芯片上行端口与USB3.1主控制器连接上时，USB3.0 HUB芯片的 Tx端则会发送LFPS信号；而普通的SFP+光模块的输入接口电路没有USB3.1接口Rx输入端的Rx Detect电路，因此SFP+光模块与USB3.0 HUB芯片连接时，USB3.1HUB主控芯片会一直处在Rx Detect状态中，无法与USB3.0光纤发送机的USB3.1 HUB主控芯片下行接口进行通信，导致链接失败无法进行数据传输，而本发明中的Rx_DET模拟负载是用来解决这一问题的关键技术手段。

所述SFP+光模块，一方面，将USB3.1光纤扩展卡发送过来的光信号转换成电信号送到USB3.1光纤接收端USB3.1 HUB主控芯片的上行接口 Rx输入端；另一方，将USB3.1光纤接收端上行接口Tx输出端发送过来的电信号转换成光信号送到USB3.1光纤扩展卡SFP+光模块的Rx输入端；此外，本发明利用SFP+光模块光发送机的发射关断控制Tx_Disable输入脚和光接收机的无光告警信号LOS输出脚组合形成一个低速率双向RS-232传输通道，由双向RS-232传输通道、MCU控制单元、管理接口组成一个数字诊断通道，计算机通过数字诊断通道来实现对USB3.1终端设备的供电电路或是USB3.1终端设备发送控制指令，以及对USB3.1光纤接收端的SFP+光模块进行数字诊断管理。

所述MCU控制单元，用来控制USB3.0 HUB与计算机主机的USB3.1主控制器的握手连接及USB3.1主控芯片复位、用来控制供电单元实现USB3.1终端设备的供电控制与故障诊断、用来实现USB3.1终端设备控制指令的发送、用来实现SFP+光模块的数字诊断及其控制，结合管理接口实现对USB3.1光纤扩展卡及USB3.1光纤接收端的数字诊断管理。

所述管理接口电路，连接到USB3.1 HUB主控芯片的一个下行USB2.0端口，实现USB2.0转换成RS-232接口，RS-232接口连接到MCU控制单元的一个RS-232串口，用来实现在计算机主机端对USB3.1光纤扩展卡及USB3.1光纤接收端的数字诊断管理。

所述供电单元，可以为USB3.0 HUB芯片、MCU控制单元、SFP+光模块、管理接口、LED指示电路、FLASH芯片提供电源。

所述LED指示电路，用于指示的通信状态、SFP+模块状态、故障情况等信息。

所述一种USB3.1光纤扩展卡和USB3.1光纤接收端之间光纤通信的自动协商方法，是指通过单片机编程技术和制定相关的通信规则来解决在使用光纤传输USB3.0数据过程中因光纤接口光纤中断、光纤重复插拔、SFP+光模块热插拔、计算机开关机及重启后USB3.1终端设备重新计算机主机建立正确通信链接的方法。

USB3.0光纤通信是一个全双工双向通信，可以使用两芯光纤，或者利用光波分复用原理使用单芯光纤，在光纤连接过程中会出现三种情形，第一种是USB3.1光纤扩展卡SFP+光模块的光发送机和接收机用同时与USB3.1光纤接收端SFP+光模块的光发送机和光接收机建立连接；第二种是USB3.1光纤扩展卡SFP+光模块的光发送机先与USB3.1光纤接收端SFP+光模块的光接收机建立连接，进一步地，USB3.1光纤扩展卡SFP+光模块的光接收机与USB3.1光纤接收端SFP+光模块的光发送机建立连接；第三种是USB3.1光纤扩展卡SFP+光模块的光接收先与USB3.1光纤接收端SFP+光模块的光发送机建立连接，进一步地，USB3.1光纤扩展卡SFP+光模块的光发送机与USB3.1光纤接收端SFP+光模块的光接收机建立连接。

如果因光纤损坏或是人为将光纤拔出而导致的光纤连接中断，需要重新进行光纤连接时，计算机主机PCI-E to USB3.1主控制器与远端USB3.1光纤接收端的USB3.1 HUB主控芯片需要重新建立连接，此时双方会重新发起低速LFPS信号进行握手连接，从而确定连接状态，但此时如果USB3.1光纤接收端的USB3.1 HUB主控芯片还未退出超高速链接状态，当出现第一种和第三种情况时，USB3.1光纤扩展卡的PCI-E to USB3.1主控制器下行接口收到的不是LFPS数据信号，而是超高速数据包，这样就会导致协商失败，导致计算机端USB3.1光纤扩展卡的PCI-E to USB3.1主控制器端口不能正常运行，从而无法识别USB3.1光纤接收端的USB3.1 HUB主控芯片及外接USB3.1终端设备。

USB3.1光纤扩展卡和USB3.1光纤接收端在通信过程中往往会遇到计算机主机关机、重启、计算机主机关机了很长时间后重新开机，这样就会面临严峻的问题：当计算机主机重新进入操作系统后，经常会出现USB3.1光纤扩展卡和USB3.1光纤接收端与当计算机主机连接失败，计算机主机有可能会提示USB3.0设备合规但是无法链接、或是根本没有链接动作，导致这个问题的原因是在计算机主机退出系统后，USB3.1光纤扩展卡和USB3.1光纤接收端的通信状态并未进入LFPS协商状态，而一直处于正常的超高速链接，当计算机主机重新进入系统后，计算机主机端USB3.1光纤扩展卡的PCI-E to USB3.1主控制器与USB3.1光纤接收端应该是一个低速率通信模式，但实际计算机主机端USB3.1光纤扩展卡的PCI-Eto USB3.1主控制器首先收到的是USB3.1光纤接收端发送过来的超高速数据包，从而导致两者的协商失败，计算机主机无法找到USB3.1光纤接收端的USB3.1 HUB主控芯片及其外接的所有USB3.1终端设备。

为了解决以上问题，我们在此约定一种对USB3.1光纤扩展卡和USB3.1光纤接收端之间光纤通信的自动协商方法：不管任何时候，USB3.1光纤接收端的SFP+光模块的光接收机总是先于USB3.1光纤扩展卡的SFP+光模块的光接收机收到光信号；USB3.1光纤接收端的光接收机在光纤连接中断后, MCU控制单元发输出控制指令使USB3.1 HUB主控芯片上行接口链路断开，USB3.1 HUB主控芯片进入待机状态，并使USB3.1光纤接收端SFP+光模块的光发送机处于发射禁止状态，完全不会发送光信号出来，即使光纤重新连接正常，在USB3.1光纤接收端的USB3.1 HUB主控芯片没有完成链路初始化前也会处于发射禁止状态；光纤断开后USB3.1光纤扩展卡的光接收机收不到光信号，MCU控制单元发输出控制指令使USB3.1光纤扩展卡的均衡器芯片与PCI-E to USB3.1主控制器链路连接中断；当USB3.1光纤接收端的光接收机在光纤重新连接后, MCU控制单元发输出控制指令使USB3.1 HUB主控芯片进入正常工作状态，初始化芯片链路状态，USB3.1 HUB主控芯片上行接口Tx输出端输出LFPS信号，MCU控制单元发输出控制指令使USB3.1光纤接收端SFP+光模块的光发送机处于发射使能状态，正常发送LFPS光信号出来，USB3.1光纤扩展卡的光接收机收到LFPS光信号后，MCU控制单元发输出控制指令使的均衡器芯片与PCI-E to USB3.1主控制器的链路接通，USB3.1光纤扩展卡和USB3.1光纤接收端重新进行LFPS协商，直至通信连接正常；当产生计算机主机关机后USB3.1光纤扩展卡电路可以监控计算机主板供电情况，MCU控制单元发会根据与计算机主机主板供电情况状态输出相应控制指令，关断SFP+光模块的发送，使USB3.1光纤扩展卡和USB3.1光纤接收端的通信链路处于断开状态，USB3.1光纤接收端的USB3.1主控芯片会进入待机状态；当产生计算机主机关机、重启、计算机主机关机后重新开机时USB3.1光纤扩展卡电路可以监控计算机主板供电变化，USB3.1光纤扩展卡的MCU控制单元发会根据与计算机主板供电情况输出相应控制指令，使能USB3.1光纤扩展卡SFP+光模块的发送，使USB3.1光纤扩展卡和USB3.1光纤接收端光纤链路连通，当监控到计算机USB3.1控制器发起LFPS协商后，USB3.1光纤扩展卡MCU控制单元使USB3.1均衡器与PCI-Eto USB3.1主控制器的链路接通，USB3.1光纤扩展卡和USB3.1光纤接收端两者进行LFPS通信协商，直至通信连接正常。

USB3.0标准规定的超高速USB3.1终端设备在通信过程中的数据流都必须编码成超高速数据流进行传输，由于USB3.0标准没有留出一些低速率的IO通道，因此，在USB3.0光纤通信过程中，为了保证兼容性和普遍适用性，光纤传输设备不会对USB3.0重新编解码，只是将收到的USB3.0电信号进行电-光-电的转换，光纤传输设备不会在数据流中加入任何附加的数据，USB3.0信号使用光纤传输设备在传输过程中是透明的。因此，对于诸如远程开关控制、数字诊断信号的发送与结果回传都无法通过USB3.1的硬件电路完成，所以本发明正是基于这种实际应用，提出了一种对USB3.1光纤扩展卡和USB3.1光纤接收端进行数字诊断及USB3.1终端设备远程控制的方法。

所述一种对USB3.1光纤扩展卡和USB3.1光纤接收端进行数字诊断及USB3.1终端设备远程控制的方法，是指利用SFP+光模块光发送机的发射关断控制SFP_Tx_Disable输入脚和光接收机的无光告警信号SFP_LOS输出脚组合形成一个低速率双向RS-232传输通道，由双向RS-232传输通道、MCU控制单元、管理接口组成一个数字诊断通道，计算机通过数字诊断通道来实现对USB3.1终端设备的供电电路或是USB3.1终端设备本身的控制接口发送控制指令，以及对SFP+光模块、终端设备的供电状态进行数字诊断管理。

参照SMALL FORM-FACTOR PLUGGABLE (SFP) TRANSCEIVER MULTISOURCEAGREEMENT (MSA)国际标准， SFP+光模块光发送机的发射关断控制SFP_Tx_Disable输入脚是用来开启和关断SFP+光模块光发送机激光器的发光状态，当该引脚为高电平时，激光器不发光，当该引脚为低电平时，激光器发光，当SFP+光模块正常工作时发射关断控制信号电平要一直保持为低；而SFP+光模块光接收机的无光告警信号SFP_LOS输出脚在没有光信号输入到光接收机的时候，无光告警信号SFP_LOS输出脚输出一个高电平信号，有光信号输入到光接收机的时候，无光告警信号SFP_LOS输出脚输出一个低电平信号，该信号只是用来判断输入光信号的有无，在正常光通信过程中，该信号一直是保持低电平；这两个控制脚本身没有双向数据通信的功能，但是我们可以在发射关断控制SFP_Tx_Disable输入脚输入一个低速率的数字方波信号，如9600bps的串口信号，那么SFP+光模块光发送机会按照该低速率的数字方波信号高低电平的变化产生无光发出和有光发出的状态变化，从而调制出9600bps低速率的光信号，而在对应SFP+光模块光接收机的无光告警信号SFP_LOS输出脚会按照无光输入和有光输入的状态变化，还原出原始的9600bps的串口信号；因此，SFP+光模块光发送机的发射关断控制SFP_Tx_Disable输入脚和光接收机的无光告警信号SFP_LOS输出脚可以组合形成一个低速率双向RS-232传输通道，由双向RS-232传输通道、MCU控制单元、管理接口组成一个数字诊断通道，数字诊断通道在USB3.0链路正常通信的情况下是不工作的，数字诊断通道只有在USB3.1光纤扩展卡和USB3.1光纤接收端初始连接建立之前、USB3.1终端设备发生故障、以及人为进行控制时才会进行工作，而且操作人员在计算机端和USB3.0设备端都可以进行相应管理操作。

当我们在使用USB3.1终端设备过程中偶尔会出现设备死机或是其它无法通过计算机主机端恢复USB3.1终端设备到正常工作状态时，我们可以通过数字诊断通道向管理接口发送特定的指令到USB3.1终端设备本身控制接口或是与USB3.1终端设备连接USB3.0端口的供电电路，对设备进行冷启动，从而恢复正常，我们也可以通过数字诊断通道向管理接口发送特定的指令到USB3.1终端设备本身控制接口获取USB3.1终端设备的故障情况。

在USB3.1光纤扩展卡和USB3.1光纤接收端初始连接建立之前，USB3.1光纤接收端的MCU控制单元通过SFP+光模块的I2C总线读取到光模块的发射光功率、激光器的偏置电流、接收灵敏度、光模块的供电电压、工作温度、故障情况等光模块指标后，通过USB3.1光纤接收端的MCU控制单元的RS-232串口将信号发送到SFP+光模块的SFP_Tx_Disable输入脚，调制输出RS232光信号，而在USB3.1光纤扩展卡数字诊断通道的SFP_LOS输出脚输出RS-232串行数据，RS-232串行数据输送到USB3.1光纤扩展卡的MCU控制单元数字诊断通道的串口信号输入脚LOS_232_RXD，经MCU控制单元处理后送到计算机主机端；此外，我们还可以在计算机主机端通过管理接口的USB2.0 to RS232转换电路将指令转换成RS-232信号，RS-232通过管理接口的RS232_TXD输出引脚发送数字诊断请求指令到USB3.1光纤扩展卡的MCU控制单元的RS-232串口信号输入脚CMI_RS232_RXD，MCU控制单元通过数字诊断通道发送指令到USB3.1光纤接收端的MCU控制单元的串口信号输入脚LOS_232_RXD，收到指令后MCU控制单元将读取到的光模块指标通过数字诊断通道回传到USB3.1光纤扩展卡的MCU控制单元的串口信号输入脚LOS_232_RXD，经MCU控制单元处理后通过RS-232串口信号输出脚CMI_RS232_TXD发送到通过管理接口的输入引脚RS232_RXD，通过USB2.0 to RS232转换后送到计算机主机端；对于USB3.1光纤扩展卡的光模块指标，我们可以在计算机主机端能过管理接口发送数字诊断请求指令到USB3.1光纤扩展卡的MCU控制单元直接获取；通过这两种方法可以实现对SFP+光模块的数字诊断管理；此外当USB3.1光纤接收端的USB3.1终端设备供电产生过流故障时，MCU控制单元会将此故障代码存储起来，直到过流故障解除才会清除所存故障代码，当我们发现设备工作不正常时，可以在计算机主机端过管理接口发送数字诊断请求指令到USB3.1光纤接收端的MCU控制单元获取USB3.1终端设备故障代码。

本发明的有益效果是：提供了一种基于光纤传输支持多种USB3.1终端设备与计算机之间进行远距离传输的USB3.1光纤扩展卡和USB3.1 光纤接收端，传输距离可以达到300米到400米，可以采用多模光纤、也可以采用单模光纤，可以采用双芯光纤，也可以采用单芯光纤；采用可以热插拔的SFP+光模块，SFP+光模块可以在不断电的情况下进行更换，使用和维护都十分的方便，而且光纤的长度可以根据实际需要进行布线；不仅可以实现多种USB3.1终端设备与主机连接，而且可以通过数字诊断电路实现SFP+光模块的状态监控及对USB3.1终端设备进行远程操作，本发明所传输的数据是原生的USB3.0数据格式，不会将USB3.1主控制器、USB3.1 HUB主控芯片和USB3.1终端设备发送的原生USB3.0数据转换成其它格式并重新编解码再进行传输，因此它的传输是透明的，所有符合USB3.0标准的终端外设都可以正常连接，本发明在延长USB3.1传输距离的同时，还具有传输通道无电磁泄漏、抗电磁干扰的优点。

附图说明

图1是本发明的系统应用原理框图。

图2是本发明的USB3.1光纤扩展卡原理框图。

图3是本发明的USB3.1光纤扩展卡PCI-E to USB3.1主控制器芯片原理框图。

图4是本发明的USB3.1光纤扩展卡均衡器1。

图5 是本发明的USB3.1光纤扩展卡均衡器2。

图6 是本发明的USB3.1光纤扩展卡Rx_DET模拟负载单元。

图7是本发明的USB3.1光纤扩展卡SFP+光模块单元。

图8 是本发明的USB3.1光纤扩展卡MCU控制单元。

图9是本发明的USB3.1光纤扩展卡供电单元。

图10是本发明的USB3.1光纤扩展卡管理接口。

图11是本发明的USB3.1光纤接收端原理框图。

图12 是本发明的USB3.1光纤接收端USB3.1 HUB主控芯片原理框图。

图13是本发明的USB3.1光纤接收端Rx_DET模拟负载。

图14是本发明的USB3.1光纤接收端SFP+光模块。

图15是本发明的USB3.1光纤接收端MCU控制单元。

图16是本发明的USB3.1光纤接收端供电单元。

图17是本发明的USB3.1光纤接收端管理接口。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部电路结构。

本发明为一种基于PCI-E的USB3.1光纤扩展卡和USB3.1光纤接收端；系统应用原理框图如图1 所示，USB3.1光纤扩展卡S2一端与计算机主机PCI-E总线S1连接，另一端通过光纤连接到USB3.1光纤接收端S3；USB3.1光纤接收端S3的下行接口通过USB3.1电缆可以同时连接到USB3.0移动硬盘、USB3.0摄像头、USB3.0打印机，还可以连接其它标准USB3.1终端；本发明利用USB3.1接口的超速数据差分接口：SSTX+/-和SSRX+/-来实现USB3.1的超高速通信链接，传输距离可以达到300米到400米，本发明所传输的数据是原生的USB3.1数据格式，不会将USB3.1主控制器、USB3.1 HUB主控芯片和USB3.1终端设备发送的原生USB3.1数据转换成其它格式并重新编解码再进行传输，因此它的传输是透明的，所有符合USB3.0\3.1标准的终端外设都可以正常连接。

参照图2-10，详细说明USB3.1光纤扩展卡S2。

如图2所示，USB3.1光纤扩展卡S2，包括PCI-E总线接口1、PCI-E to USB3.1主控芯片2、USB3.1均衡器单元3、Rx_DET模拟负载单元4、SFP+光模块单元5、MCU控制单元6、LED指示电路7、管理接口电路8、供电单元9、FLASH芯片10。

所述PCI-E总线接口，用来连接计算机主机的PCI-E总线。

优选地，所述PCI-E to USB3.1主控芯片为ASM1142，通过该芯片可以用PCI-E总线接口扩展出2个USB3.1端口，内部包含一个xHCI控制器和USB3.1 Root HUB。

PCI-E to USB3.1主控芯片2与其它电路的连接：

（1）FLASH数据总线230外接FLASH芯片10；

（2）PCI-E总线信号：时钟PCI-E_CLK+/-差分输入引脚211、PCI-E数据发送PCI-E_TX1+/-差分输出引脚212、PCI-E数据接收PCI-E_RX1+/-差分输入脚213、PCI-E数据发送PCI-E_TX2+/-差分输出引脚214、PCI-E数据接收PCI-E_RX2+/-差分输入脚215、PCI-E总线复位信号PCI-E_RST输入引脚216、PCI-E总线唤醒信号PCI-E_WAKE输出引脚217、PCI-E总线时钟请求中断信号PCI-E_CREQ输出引脚218均与计算机主板上的PCI-E接口信号总线连接，其中PCI-E_RST输入引脚216还与MCU控制单元的PCI-E_RST输出引脚665相连、PCI-E_WAKE输出引脚217还与MCU控制单元的PCI-E_WAKE输出引脚666相连；

（3）下行接口1的USB3-TX1+/-差分对222连接到USB3.1均衡器芯片31的输入3111，均衡器芯片31的输出信号3121连接到RX_DET模拟负载1的输入引脚41，RX_DET模拟负载1的输出引脚45连接到SFP+光模块51的TX1输入端516；下行接口1的USB3-RX1+/-差分对223连接到USB3.1均衡器芯片31的输出3112，均衡器芯片31的输出信号3122连接到SFP+光模块51的RX1输出端517；

（4）下行接口2的USB3-TX2+/-差分对224连接到USB3.1均衡器芯片32的输入3211，均衡器芯片32的输出信号3221连接到RX_DET模拟负载2的输入引脚42，RX_DET模拟负载2的输出引脚46连接到SFP+光模块52的TX2输入端526；下行接口2的USB3-RX2+/-差分对225连接到USB3.1均衡器芯片32的输出3212，均衡器芯片32的输出信号3222连接到SFP+光模块52的RX2输出端527；

（5）复位信号PRST输入219一方面连接外部复位电路，另一方面连接到MCU控制单元6的PRST输出引脚667，在其它电路说明中有对本部分信号连接有说明的，在此不再详细描述。

所述USB3.1均衡器单元3，包含均衡器芯片31、均衡器芯片32，均衡器芯片可以通过外部电阻设置参数，也可以用MCU通过I2C接口设置、读取参数，均衡器芯片内部主要有缓冲输入电路、均衡电路、放大电路、缓冲输出电路、信号检测电路及I2C接口。均衡器芯片一方面用来将PCI-E to USB3.1主控芯片下行接口的 Tx输出端发送来的电信号经放大均衡送到SFP+光模块的TX输入端，另一方面用来将USB3.1光纤接收端发送过来的电信号经放大均衡送到PCI-E to USB3.1主控芯片的下行接口 Rx输入端。

均衡器芯片31与其它电路的连接：工作使能信号EN输入3132连接到外部电阻，同时连接到MCU控制单元6的EQ1_EN输出脚651；I²C模式使能信号I2C_EN输入3133连接到外部电阻，同时连接到MCU控制单元6的EQ1_I2C_EN输出脚652；I²C总线时钟信号与通道A输出摆幅设置OS_A_SCL引脚3133连接到MCU控制单元6的EQ1_SCL输出脚653，同时连接到外部电阻网络；I²C总线数据信号与通道A去加重DE_A_SDA引脚3133连接到MCU控制单元6的EQ1_SDA输出脚654，同时连接到外部电阻网络；通道A的EQ参数设置EQ_A引脚3136连接到外部电阻网络；通道B输出摆幅设置信号OS_B/A1引脚3137连接到外部电阻网络；通道B去加重设置信号DE_B/A0引脚3138连接到外部电阻网络；通道B的EQ参数设置EQ_B引脚3139连接到外部电阻网络。

均衡器芯片32与其它电路的连接：工作使能信号EN输入3232连接到外部电阻，同时连接到MCU控制单元6的EQ2_EN输出脚661；I²C模式使能信号I2C_EN输入3233连接到外部电阻，同时连接到MCU控制单元6的EQ2_I2C_EN输出脚662；I²C总线时钟信号与通道A输出摆幅设置OS_A_SCL引脚3233连接到MCU控制单元6的EQ2_SCL输出脚663，同时连接到外部电阻网络；I²C总线数据信号与通道A去加重DE_A_SDA引脚3233连接到MCU控制单元的EQ2_SDA输出脚664，同时连接到外部电阻网络；通道A的EQ参数设置EQ_A引脚3236连接到外部电阻网络；通道B输出摆幅设置信号OS_B/A1引脚3237连接到外部电阻网络；通道B去加重设置信号DE_B/A0引脚3238连接到外部电阻网络；通道B的EQ参数设置EQ_B引脚3239连接到外部电阻网络。

SFP+光模块51引脚与其它电路的连接：I2C总线时钟信号SFP1_SCL引脚511连接到MCU控制单元6的时钟信号SFP1_SCL引脚611，I2C总线数据信号SFP1_SDA引脚512连接到MCU控制单元6的数据信号SFP1_SDA引脚612；SFP+光模块51的发射关断信号SFP1_TxDisable输入引脚513连接到MCU控制单元6的SFP1_TxDisable输出引脚613； SFP+光模块51的发射故障指示SFP1_TxFault输出引脚514连接到MCU控制单元6的SFP1_TxFault输入引脚614； SFP+光模块51的无光告警信号SFP1_LOS输出引脚515连接到MCU控制单元6的SFP1_LOS输入引脚615和LOS1_232_RXD输入引脚617；SFP+光模块51的光模块插拔检测信号MOD_IN输出引脚518连接到MCU控制单元6的SFP1_MOD_IN输入引脚616。SFP+光模块51的光发送电路供电输入SFP1_VCCT引脚519连接到供电单元92的光模块光发送电路供电SFP1_VCCT输出引脚934；SFP+光模块51的光接收电路供电输入SFP1_VCCR引脚520连接到供电单元92的光模块光接收电路供电SFP1_VCCR输出引脚933，在其它电路说明中有对本部分信号连接有说明的，在此不再详细描述。

SFP+光模块52引脚与其它电路的连接：I2C总线时钟信号SFP2_SCL引脚521连接到MCU控制单元6的时钟信号SFP2_SCL引脚621，I2C总线数据信号SFP2_SDA引脚522连接到MCU控制单元6的数据信号SFP2_SDA引脚622；SFP+光模块52的发射关断信号SFP2_TxDisable输入引脚523连接到MCU控制单元6的SFP2_TxDisable输出引脚623； SFP+光模块52的发射故障指示SFP2_TxFault输出引脚524连接到MCU控制单元6的SFP2_TxFault输入引脚624； SFP+光模块52的无光告警信号SFP2_LOS输出引脚525连接到MCU控制单元6的SFP1_LOS输入引脚625和LOS2_232_RXD输入引脚627；SFP+光模块52的光模块插拔检测信号MOD_IN输出引脚528连接到MCU控制单元6的SFP2_MOD_IN输入引脚626。SFP+光模块52的光发送电路供电输入SFP2_VCCT引脚529连接到供电单元92的光模块光发送电路供电SFP2_VCCT输出引脚936；SFP+光模块51的光接收电路供电输入SFP1_VCCR引脚530连接到供电单元92的光模块光接收电路供电SFP1_VCCR输出引脚935，在其它电路说明中有对本部分信号连接有说明的，在此不再详细描述。

MCU控制单元6有一个在线编程和升级接口，ISP_RS232_TXD输出引脚697连接到计算机主机RS-232接口的RXD；ISP_RS232_RXD输出引脚698连接到计算机主机RS-232接口的TXD，下行接口端口1过流信号PW_OVCI1输入脚 605连接到供电模块92的下行端口1过流信号DP_OVCI1输出脚925、下行端口2过流信号PW_OVCI2输出脚606连接到供电模块92的下行端口2过流信号DP_OVCI2输出脚926，在其它电路说明中有对本部分信号连接有说明的，在此不再详细描述。

LED指示电路7连接到MCU控制单元6的LED显示接口609。

管理接口8与其它电路的连接：管理接口8的具有两路USB2.0信号输入，两路信号可以自动切换，一路USB2.0信号USB2.0_A+/-输入端口81连接到外部USB2.0主控制器，另一路USB2.0信号USB2.0_B+/-输入端口82连接到PCI-E to USB3.1主控制器2下行端口1的USB2.0信号USB2-1+/-差分对221，通过USB2.0 to RS-232转换芯片，从而在PC主机上增加一个RS-232管理串口；管理接口8的串口发送数据RS232_TXD引脚85连接到MCU控制单元6的CMI_RS232_RXD输入引脚695；管理接口8的串口接收数据RS232_RXD引脚85连接到MCU控制单元6的CMI_RS232_TXD输入引脚694，在其它电路说明中有对本部分信号连接有说明的，在此不再详细描述。

供电单元9包含供电模块91、供电模块92、供电模块93，每个电源模块都可通过内部电源切换电路实现计算机主板PCI-E接口3.3V常规供电和3.3V AUX供电的切换。

供电模块91与其它电路的连接：ReDriver1供电输出911连接到USB3.1均衡器1的电源VCC输入3131；ReDriver2供电输出912连接到USB3.1均衡器2的电源VCC输入3232。

供电模块92与其它电路的连接：PCI-E to USB3.1主控制器的下行接口端口1电源使能PPON1信号输出脚 226连接到供电模块92的下行端口1电源使能DP_PWEN1信号输入脚921；PCI-E to USB3.1主控制器的下行接口端口2电源使能PPON2信号输出脚 228连接到供电模块92的下行端口2电源使能DP_PWEN2信号输入脚922； PCI-E to USB3.1主控制器的下行接口端口1过流信号OCI1输入脚 227连接到供电模块92的下行端口1过流信号DP_OVCI1输出脚925、PCI-E to USB3.1主控制器的下行端口2过流信号OCI2输出脚229连接到供电模块92的下行端口2过流信号DP_OVCI2输出脚926，在其它电路说明中有对本部分信号连接有说明的，在此不再详细描述。

供电模块93与其它电路的连接：MCU供电输出942连接到MCU控制单元6的电源VCC输入引脚696；MCU供电输出943连接到管理接口8的供电VCC_CMI输入引脚83；PCI-E toUSB3.1主控制器2供电输出944连接到PCI-E to USB3.1主控制器2的供电VCC_PCI-E输入引脚231，在其它电路说明中有对本部分信号连接有说明的，在此不再详细描述。

参照图11-17，详细说明USB3.1光纤接收端2。

如图11所示，USB3.1光纤接收端2，包括一个USB3.1下行接口单元21、USB3.1 HUB主控芯片22、Rx_DET模拟负载23、SFP+光模块24、供电单元25、MCU控制单元26、LED指示电路27、管理接口电路28、FLASH芯片29。

优选地，USB3.1 HUB主控芯片型号为VL820，但也可是其它同类型的USB3.1 HUB芯片。

USB3.1 HUB主控芯片22的引脚与其它电路的连接： FLASH数据总线2212外接FLASH芯片29；超速发送信号U3H_TX+/-差分对2213，连接到RX_DET模拟负载23的高速差分信号输入端231； RX_DET模拟负载23的高速差分信号输出端232连接到SFP+光模块24的TX+/-输入端246；超速接收信号U3H_RX+/-差分对2214连接到SFP+光模块24的RX+/-输出端247；USB3.1上行接口供电电压VBUS监控信号VBUS_DET输入脚2215连接到MCU控制单元的VBUS控制信号VBUS_DET输出脚2634，此信号用于USB3.1光纤接收端与USB3.1光纤发送端的通信控制；复位信号RST_USB输入2216一方面连接外部复位电路，另一方面连接到MCU控制单元26的USB3.1 HUB复位信号RST_USB输出脚2633；下行接口端口1电源使能PPON1信号输出脚 2231连接到供电单元的下行端口1电源使能DP_PWEN1信号输入脚2527；下行接口端口2电源使能PPON2信号输出脚 2233连接到供电单元的下行端口2电源使能DP_PWEN1信号输入脚2528；下行接口端口3电源使能PPON3信号输出脚 2235连接到供电单元的下行端口3电源使能DP_PWEN3信号输入脚2529；下行接口端口4电源使能PPON4信号输出脚 2237连接到供电单元的下行端口4电源使能DP_PWEN4信号输入脚2530；下行接口端口1过流信号OVCI1输入脚 2232连接到供电单元的下行端口1过流信号DP_OVCI1输出脚2531；下行接口端口2过流信号OVCI2输入脚 2234连接到供电单元的下行端口2过流信号DP_OVCI2输出脚2532；下行接口端口3过流信号OVCI3输入脚 2236连接到供电单元的下行端口3过流信号DP_OVCI3输出脚2533；下行接口端口4过流信号OVCI4输入脚 2238连接到供电单元的下行端口4过流信号DP_OVCI1输出脚2534；差分对USB3-TX1+/-信号输出2222和USB3-RX1+/-信号输入2223连接到下行接口1；差分对USB3-TX2+/-信号输出2224和USB3-RX2+/-信号输入2225连接到下行接口2；差分对USB3-TX3+/-信号输出2226和USB3-RX3+/-信号输入2227连接到下行接口3；差分对USB3-TX4+/-信号输出2228和USB3-RX4+/-信号输入2229连接到下行接口4，在其它电路说明中有对本部分信号连接有说明的，在此不再详细描述。

SFP+光模块24引脚与其它电路的连接：I2C总线时钟信号SFP_SCL引脚241连接到MCU控制单元26的时钟信号SFP_SCL引脚2611，I2C总线数据信号SFP_SDA引脚242连接到MCU控制单元26的数据信号SFP_SDA引脚2612；SFP+光模块24的发射关断信号SFP_TxDisable输入引脚243连接到MCU控制单元26的SFP_TxDisable输出引脚2613； SFP+光模块24的发射故障指示SFP_TxFault输出引脚244连接到MCU控制单元26的SFP_TxFault输入引脚2614；SFP+光模块24的无光告警信号LOS输出引脚245连接到MCU控制单元26的LOS输入引脚2615和LOS_232_RXD输入引脚2616；SFP+光模块24的光模块插拔检测信号MOD_IN输出引脚248连接到MCU控制单元26的MOD_IN输入引脚2617。SFP+光模块24的光发送电路供电输入SFP_VCCT引脚249连接到供电单元25的光模块光发送电路供电SFP_VCCT输出引脚2522；SFP+光模块24的光接收电路供电输入SFP_VCCR引脚240连接到供电单元25的光模块光接收电路供电SFP_VCCR输出引脚2523，在其它电路说明中有对本部分信号连接有说明的，在此不再详细描述。

供电单元25与其它电路的连接：外部供电EXT_5V引脚2515连接外部供电源；由外部电源给整个电路供电；MCU控制单元26供电VCC_MU输出引脚2524连接到MCU控制单元26的电源VCC_MCU输入引脚2621；管理接口28供电VCC_CMI输出引脚2525连接到管理接口28的电源VCC_CMI输入引脚282；供电单元25的电源VCC_HUB输出脚2526连接到USB3.1 HUB主控芯片22的供电VCC_HUB输入脚2211；SFP+光模块24的供电使能信号SFP_PWR_EN输入引脚2521连接到MCU控制单元26的SFP_PWR_EN输出引脚2625；供电单元25的下行端口1的过流信号DP_OVCI1_MCU输出引脚、供电单元25的下行端口2的过流信号DP_OVCI2_MCU输出引脚、供电单元25的下行端口3的过流信号DP_OVCI3_MCU输出引脚、供电单元25的下行端口4的过流信号DP_OVCI4_MCU输出引脚连接到输入引脚MCU控制单元26的DP_OVCI_MU输入引脚2633；供电单元25的下行端口1的远程冷启动控制信号DP_PWEN1_MCU输出引脚2540连接到输入引脚MCU控制单元26的DP_ PWEN1_MU输入引脚2634；供电单元25的下行端口2的远程冷启动控制信号DP_PWEN2_MCU输出引脚2541连接到输入引脚MCU控制单元26的DP_ PWEN2_MU输入引脚2635；供电单元25的下行端口3的远程冷启动控制信号DP_PWEN3_MCU输出引脚2542连接到输入引脚MCU控制单元26的DP_ PWEN3_MU输入引脚2636；供电单元25的下行端口4的远程冷启动控制信号DP_PWEN1_MCU输出引脚2543连接到输入引脚MCU控制单元26的DP_ PWEN4_MU输入引脚2637，在其它电路说明中有对本部分信号连接有说明的，在此不再详细描述。

管理接口28与其它电路的连接：管理接口28的USB2.0信号USB2.0-4+/-输入端口281连接到外部计算机主机的USB2.0端口，通过USB2.0 to RS-232转换芯片，从而在外部计算机主机上增加一个RS-232管理串口；管理接口28的串口发送数据RS232_TXD引脚284连接到MCU控制单元26的CMI_RS232_RXD输入引脚2642；管理接口28的串口接收数据RS232_RXD引脚283连接到MCU控制单元26的CMI_RS232_TXD输入引脚2641，在其它电路说明中有对本部分信号连接有说明的，在此不再详细描述。

MCU控制单元26有一个在线编程和升级接口，ISP_RS232_TXD输出引脚2643连接到计算机主机RS-232接口的RXD；ISP_RS232_RXD输出引脚2644连接到计算机主机RS-232接口的TXD，MCU控制单元26主要功能是通信协商、数字诊断、电源管理，在其它电路说明中有对本部分信号连接有说明的，在此不再详细描述。

下面将详细说明一种对USB3.1光纤扩展卡和USB3.1光纤接收端之间光纤通信的自动协商方法的具体实现方式。

所述一种USB3.1光纤扩展卡和USB3.1光纤接收端之间光纤通信的自动协商方法，是指通过单片机编程技术和制定相关的通信规则来解决在使用光纤传输USB3.0数据过程中因光纤接口光纤中断、光纤重复插拔、SFP+光模块热插拔、计算机开关机及重启后USB3.1终端设备重新计算机主机建立正确通信链接的方法。

USB3.0光纤通信是一个全双工双向通信，可以使用两芯光纤，或者利用光波分复用原理使用单芯光纤，在光纤连接过程中会出现三种情形，第一种是USB3.1光纤扩展卡SFP+光模块的光发送机和接收机用同时与USB3.1光纤接收端SFP+光模块的光发送机和光接收机建立连接；第二种是USB3.1光纤扩展卡SFP+光模块的光发送机先与USB3.1光纤接收端SFP+光模块的光接收机建立连接，进一步地，USB3.1光纤扩展卡SFP+光模块的光接收机与USB3.1光纤接收端SFP+光模块的光发送机建立连接；第三种是USB3.1光纤扩展卡SFP+光模块的光接收先与USB3.1光纤接收端SFP+光模块的光发送机建立连接，进一步地，USB3.1光纤扩展卡SFP+光模块的光发送机与USB3.1光纤接收端SFP+光模块的光接收机建立连接。

如果因光纤损坏或是人为将光纤拔出而导致的光纤连接中断，需要重新进行光纤连接时，计算机主机PCI-E to USB3.1主控制器与远端USB3.1光纤接收端的USB3.1 HUB主控芯片需要重新建立连接，此时双方会重新发起低速LFPS信号进行握手连接，从而确定连接状态，但此时如果USB3.1光纤接收端的USB3.1 HUB主控芯片还未退出超高速链接状态，当出现第一种和第三种情况时，USB3.1光纤扩展卡的PCI-E to USB3.1主控制器下行接口收到的不是LFPS数据信号，而是超高速数据包，这样就会导致协商失败，导致计算机端USB3.1光纤扩展卡的PCI-E to USB3.1主控制器端口不能正常运行，从而无法识别USB3.1光纤接收端的USB3.1 HUB主控芯片及外接USB3.1终端设备。

USB3.1光纤扩展卡和USB3.1光纤接收端在通信过程中往往会遇到计算机主机关机、重启、计算机主机关机了很长时间后重新开机，这样就会面临严峻的问题：当计算机主机重新进入操作系统后，经常会出现USB3.1光纤扩展卡和USB3.1光纤接收端与当计算机主机连接失败，计算机主机有可能会提示USB3.0设备合规但是无法链接、或是根本没有链接动作，导致这个问题的原因是在计算机主机退出系统后，USB3.1光纤扩展卡和USB3.1光纤接收端的通信状态并未进入LFPS协商状态，而一直处于正常的超高速链接，当计算机主机重新进入系统后，计算机主机端USB3.1光纤扩展卡的PCI-E to USB3.1主控制器与USB3.1光纤接收端应该是一个低速率通信模式，但实际计算机主机端USB3.1光纤扩展卡的PCI-Eto USB3.1主控制器首先收到的是USB3.1光纤接收端发送过来的超高速数据包，从而导致两者的协商失败，计算机主机无法找到USB3.1光纤接收端的USB3.1 HUB主控芯片及其外接的所有USB3.1终端设备。

为了解决以上问题，我们在此约定一种对USB3.1光纤扩展卡和USB3.1光纤接收端之间光纤通信的自动协商方法：不管任何时候，USB3.1光纤接收端的SFP+光模块的光接收机总是先于USB3.1光纤扩展卡的SFP+光模块的光接收机收到光信号；USB3.1光纤接收端的光接收机在光纤连接中断后, MCU控制单元发输出控制指令使USB3.1 HUB主控芯片上行接口链路断开，USB3.1 HUB主控芯片进入待机状态，并使USB3.1光纤接收端SFP+光模块的光发送机处于发射禁止状态，完全不会发送光信号出来，即使光纤重新连接正常，在USB3.1光纤接收端的USB3.1 HUB主控芯片没有完成链路初始化前也会处于发射禁止状态；光纤断开后USB3.1光纤扩展卡的光接收机收不到光信号，MCU控制单元发输出控制指令使USB3.1光纤扩展卡的均衡器芯片与PCI-E to USB3.1主控制器链路连接中断；当USB3.1光纤接收端的光接收机在光纤重新连接后, MCU控制单元发输出控制指令使USB3.1 HUB主控芯片进入正常工作状态，初始化芯片链路状态，USB3.1 HUB主控芯片上行接口Tx输出端输出LFPS信号，MCU控制单元发输出控制指令使USB3.1光纤接收端SFP+光模块的光发送机处于发射使能状态，正常发送LFPS光信号出来，USB3.1光纤扩展卡的光接收机收到LFPS光信号后，MCU控制单元发输出控制指令使的均衡器芯片与PCI-E to USB3.1主控制器的链路接通，USB3.1光纤扩展卡和USB3.1光纤接收端重新进行LFPS协商，直至通信连接正常；当产生计算机主机关机后USB3.1光纤扩展卡电路可以监控计算机主板供电情况，MCU控制单元发会根据与计算机主机主板供电情况状态输出相应控制指令，关断SFP+光模块的发送，使USB3.1光纤扩展卡和USB3.1光纤接收端的通信链路处于断开状态，USB3.1光纤接收端的USB3.1主控芯片会进入待机状态；当产生计算机主机关机、重启、计算机主机关机后重新开机时USB3.1光纤扩展卡电路可以监控计算机主板供电变化，USB3.1光纤扩展卡的MCU控制单元发会根据与计算机主板供电情况输出相应控制指令，使能SFP+光模块的发送，使USB3.1光纤扩展卡和USB3.1光纤接收端光纤链路连通，当监控到计算机USB3.1控制器发起LFPS协商后，USB3.1光纤扩展卡MCU控制单元使USB3.1光纤扩展卡USB3.1均衡器与计算机主机PCI-E to USB3.1主控制器的链路接通，USB3.1光纤扩展卡和USB3.1光纤接收端两者进行LFPS通信协商，直至通信连接正常。

USB3.0标准规定的超高速USB3.1终端设备在通信过程中的数据流都必须编码成超高速数据流进行传输，由于USB3.0标准没有留出一些低速率的IO通道，因此，在USB3.0光纤通信过程中，为了保证兼容性和普遍适用性，光纤传输设备不会对USB3.0重新编解码，只是将收到的USB3.0电信号进行电-光-电的转换，光纤传输设备不会在数据流中加入任何附加的数据，USB3.0信号使用光纤传输设备在传输过程中是透明的。因此，对于诸如远程开关控制、数字诊断信号的发送与结果回传都无法通过USB3.1的硬件电路完成，所以本发明正是基于这种实际应用，提出了一种对USB3.1光纤扩展卡和USB3.1光纤接收端进行数字诊断及USB3.1终端设备远程控制的方法。

下面将详细说明一种对USB3.1光纤扩展卡和USB3.1光纤接收端进行数字诊断及USB3.1终端设备远程控制的方法的具体实现方式。

所述一种对USB3.0发送机1和USB3.0光纤接收机2进行数字诊断及USB3.1终端设备远程控制的方法，是指利用SFP+光模块光发送机的发射关断控制SFP_Tx_Disable输入脚和光接收机的无光告警信号SFP_LOS输出脚组合形成一个低速率双向RS-232传输通道，由双向RS-232传输通道、MCU控制单元、管理接口组成一个数字诊断通道，计算机通过数字诊断通道来实现对USB3.1终端设备的供电电路或是USB3.1终端设备本身的控制接口发送控制指令，以及对SFP+光模块、终端设备的供电状态进行数字诊断管理。

参照SMALL FORM-FACTOR PLUGGABLE (SFP) TRANSCEIVER MULTISOURCEAGREEMENT (MSA)国际标准， SFP+光模块光发送机的发射关断控制SFP_Tx_Disable输入脚是用来开启和关断SFP+光模块光发送机激光器的发光状态，当该引脚为高电平时，激光器不发光，当该引脚为低电平时，激光器发光，当SFP+光模块正常工作时发射关断控制信号电平要一直保持为低；而SFP+光模块光接收机的无光告警信号SFP_LOS输出脚在没有光信号输入到光接收机的时候，无光告警信号SFP_LOS输出脚输出一个高电平信号，有光信号输入到光接收机的时候，无光告警信号SFP_LOS输出脚输出一个低电平信号，该信号只是用来判断输入光信号的有无，在正常光通信过程中，该信号一直是保持低电平；这两个控制脚本身没有双向数据通信的功能，但是我们可以在发射关断控制SFP_Tx_Disable输入脚输入一个低速率的数字方波信号，如9600bps的串口信号，那么SFP+光模块光发送机会按照该低速率的数字方波信号高低电平的变化产生无光发出和有光发出的状态变化，从而调制出9600bps低速率的光信号，而在对应SFP+光模块光接收机的无光告警信号SFP_LOS输出脚会按照无光输入和有光输入的状态变化，还原出原始的9600bps的串口信号；因此，SFP+光模块光发送机的发射关断控制SFP_Tx_Disable输入脚和光接收机的无光告警信号SFP_LOS输出脚可以组合形成一个低速率双向RS-232传输通道，由双向RS-232传输通道、MCU控制单元、管理接口组成一个数字诊断通道，数字诊断通道在USB3.0链路正常通信的情况下是不工作的，数字诊断通道只有在USB3.1光纤扩展卡和USB3.1光纤接收端初始连接建立之前、USB3.1终端设备发生故障、以及人为进行控制时才会进行工作，而且操作人员在计算机端和USB3.0设备端都可以进行相应管理操作。

当我们在使用USB3.1终端设备过程中偶尔会出现设备死机或是其它无法通过计算机主机端恢复USB3.1终端设备到正常工作状态时，我们可以通过数字诊断通道向管理接口发送特定的指令到USB3.1终端设备本身控制接口或是与USB3.1终端设备连接USB3.0端口的供电电路，对设备进行冷启动，从而恢复正常，我们也可以通过数字诊断通道向管理接口发送特定的指令到USB3.1终端设备本身控制接口获取USB3.1终端设备的故障情况。

在此只对USB3.0光纤扩展卡S2的USB3.0光纤端口1进行说明，其它的端口工作原理相同，不再一一进行阐述， 在USB3.1光纤扩展卡和USB3.1光纤接收端初始连接建立之前，USB3.1光纤接收端2的MCU控制单元26通过SFP+光模块24的I2C总线读取到光模块的发射光功率、激光器的偏置电流、接收灵敏度、光模块的供电电压、工作温度、故障情况等光模块指标后，通过USB3.1光纤接收端1的MCU控制单元26的RS-232串口将信号发送到SFP+光模块24的SFP_Tx_Disable输入脚243，调制输出RS232光信号，而在USB3.1光纤扩展卡1数字诊断通道的SFP_LOS输出脚145输出RS-232串行数据，RS-232串行数据输送到USB3.1光纤扩展卡1的MCU控制单元16数字诊断通道的串口信号输入LOS_232_RXD输入脚1638，经MCU控制单元16处理后送到计算机主机端；此外，我们还可以在计算机主机端通过管理接口18的USB2.0 to RS232转换电路将指令转换成RS-232信号，RS-232通过管理接口18的RS232_TXD输出引脚86发送数字诊断请求指令到USB3.1光纤扩展卡1的MCU控制单元16的RS-232串口信号CMI_RS232_RXD输入脚1618，MCU控制单元16通过数字诊断通道发送指令到USB3.1光纤接收端2的MCU控制单元26的串口信号输入LOS_232_RXD输入脚2616，收到指令后MCU控制单元26将读取到的光模块指标通过数字诊断通道回传到USB3.1光纤扩展卡1的MCU控制单元16的串口信号输入LOS_232_RXD输入脚1638，经MCU控制单元16处理后通过RS-232串口信号CMI_RS232_TXD输出脚1617发送到通过管理接口18的RS232_RXD输入引脚85，通过USB2.0to RS232转换后送到计算机主机端；对于USB3.1光纤扩展卡1的光模块指标，我们可以在计算机主机端能过管理接口18发送数字诊断请求指令到USB3.1光纤扩展卡1的MCU控制单元直接获取；通过这两种方法可以实现对SFP+光模块的数字诊断管理；此外当USB3.1光纤接收端2的USB3.1终端设备供电产生过流故障时，MCU控制单元22会将此故障代码存储起来，直到过流故障解除才会清除所存故障代码，当我们发现设备工作不正常时，可以在计算机主机端过管理接口18发送数字诊断请求指令到USB3.1光纤接收端2的MCU控制单元22获取USB3.1终端设备故障代码。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定保护范围。

Claims (10)

1.一种基于PCI-E的USB3.1光纤扩展卡，其特征在于：在实际应用包括一个USB3.1光纤接收端，两者之间通信的光纤通信可以通过自定义通信规则进行自动协商，在USB3.1光纤接收端的USB3.1 HUB主控芯片四个端口都可以连接USB3.1\3.0终端外设，所有符合USB3.1标准的超高速终端外设都可以正常连接，并向下兼容USB3.0标准，而且USB3.0和USB3.1设备可以混合使用；采用可以热插拔的SFP+光模块；USB3.1信号在光纤传输过程中是透明的，；此外本发明还具有一个由特殊构造双向RS-232传输通道、MCU控制单元、管理接口组成一个数字诊断通道，可以实现远程诊断管理和远程控制功能。

2.如权利要求 1所述的一种基于PCI-E的USB3.1光纤扩展卡，其特征在于：具有一个PCI-E to USB3.1主控芯片，可以有通过PCI-E to USB3.1主控芯片扩展出多个USB3.0接口，每一个接口通过USB3.0均衡器芯片与SFP+光模块连接。

3.如权利要求 1所述的一种基于PCI-E的USB3.1光纤扩展卡，其特征在于：在USB3.1光纤发送端的有一个USB3.1 HUB用来实现信号的调理与通信协商控制，优选地， USB3.1 HUB芯片型号为VL820；在USB3.1光纤接收端的有一个多端口USB3.1 HUB可以同时连接四个超高速超高速USB终端设备，并可以支持USB Type-C端口输出，优选地，USB3.1 HUB芯片型号为VL820，当然也可以是其它相同功能的同类型芯片。

4.如权利要求 1所述的一种基于PCI-E的USB3.1光纤扩展卡，其特征在于：在USB3.1光纤扩展卡和USB3.1光纤接收端都有一个MCU控制单元，可以用来实现对USB3.1光纤扩展卡和USB3.1光纤接收端的数字诊断及USB3.0终端设备远程控制，以及USB3.1光纤扩展卡和USB3.1光纤接收端之间通信的光纤通信自动协商。

5.如权利要求 1所述的一种基于PCI-E的USB3.1光纤扩展卡，其特征在于：在USB3.1光纤扩展卡和USB3.1光纤接收端都有Rx_DET模拟负载，用来模拟USB3.0接口Rx输入端的Rx_DET电路，实现采用普通SFP+光模块实现USB3.0电信号转换成光信号进行光纤通信。

6.如权利要求 1所述的一种基于PCI-E的USB3.1光纤扩展卡，其特征在于：在USB3.1光纤扩展卡和USB3.1光纤接收端都有一个由SFP+光模块的发射关断控制输入脚和无光告警信号输出脚组合形成的低速率双向RS-232传输通道。

7.如权利要求 1所述的一种基于PCI-E的USB3.1光纤扩展卡，其特征在于：有一个由双向RS-232传输通道、MCU控制单元、管理接口组成一个数字诊断通道，在USB3.1光纤扩展卡的管理接口可以根据需要进行自动切换输入的USB2.0信号；USB3.1光纤接收端的管理接口可以连接外部计算机的USB2.0接口。

8.如权利要求 1所述的一种基于PCI-E的USB3.1光纤扩展卡，其特征在于：在USB3.1光纤扩展卡和USB3.1光纤接收端都有一个管理接口，可以在计算机主机上实现对USB3.1光纤扩展卡和USB3.1光纤接收端进行数字诊断及USB3.0终端设备远程控制。

9.一种USB3.1光纤扩展卡和USB3.1光纤接收端之间光纤通信的自动协商方法，其特征在于：不管任何时候，USB3.1光纤接收端的SFP+光模块的光接收机总是先于USB3.1光纤扩展卡的SFP+光模块的光接收机收到光信号；USB3.1光纤接收端的光接收机在光纤连接中断后, MCU控制单元发输出控制指令使USB3.1 HUB主控芯片上行接口链路断开，USB3.1 HUB主控芯片进入待机状态，并使USB3.1光纤接收端SFP+光模块的光发送机处于发射禁止状态，完全不会发送光信号出来，即使光纤重新连接正常，在USB3.1光纤接收端的USB3.1 HUB主控芯片没有完成链路初始化前也会处于发射禁止状态；光纤断开后USB3.1光纤扩展卡的光接收机收不到光信号，MCU控制单元发输出控制指令使USB3.1光纤扩展卡的均衡器芯片与PCI-E to USB3.1主控制器链路连接中断；当USB3.1光纤接收端的光接收机在光纤重新连接后, MCU控制单元发输出控制指令使USB3.1 HUB主控芯片进入正常工作状态，初始化芯片链路状态，USB3.1 HUB主控芯片上行接口Tx输出端输出LFPS信号，MCU控制单元发输出控制指令使USB3.1光纤接收端SFP+光模块的光发送机处于发射使能状态，正常发送LFPS光信号出来，USB3.1光纤扩展卡的光接收机收到LFPS光信号后，MCU控制单元发输出控制指令使的均衡器芯片与PCI-E to USB3.1主控制器的链路接通，USB3.1光纤扩展卡和USB3.1光纤接收端重新进行LFPS协商，直至通信连接正常；当产生计算机主机关机后USB3.1光纤扩展卡电路可以监控计算机主板供电情况，MCU控制单元发会根据与计算机主机主板供电情况状态输出相应控制指令，关断SFP+光模块的发送，使USB3.1光纤扩展卡和USB3.1光纤接收端的通信链路处于断开状态，USB3.1光纤接收端的USB3.1主控芯片会进入待机状态；当产生计算机主机关机、重启、计算机主机关机后重新开机时USB3.1光纤扩展卡电路可以监控计算机主板供电变化，USB3.1光纤扩展卡的MCU控制单元发会根据与计算机主板供电情况输出相应控制指令，使能USB3.1光纤扩展卡SFP+光模块的发送，使USB3.1光纤扩展卡和USB3.1光纤接收端光纤链路连通，当监控到计算机USB3.1控制器发起LFPS协商后，USB3.1光纤扩展卡MCU控制单元使USB3.1均衡器与PCI-E to USB3.1主控制器的链路接通，USB3.1光纤扩展卡和USB3.1光纤接收端两者进行LFPS通信协商，直至通信连接正常。

10.一种对USB3.1光纤扩展卡和USB3.1光纤接收端进行数字诊断及USB3.0终端设备远程控制的方法，其特征在于：计算机主机通过管理接口，利用在USB3.1光纤扩展卡和USB3.1光纤接收端由SFP+光模块的发射关断控制输入脚和无光告警信号输出脚组合形成的低速率双向RS-232传输通道、MCU控制单元、管理接口组合成的数字诊断通道；实现对远端的USB3.0终端设备的供电电路的控制和对USB3.0终端设备本身的控制接口发送控制指令，可以在计算机主机端过管理接口发送数字诊断请求指令到USB3.1光纤接收端的MCU控制单元获取USB3.0终端设备故障代码；以及对USB3.1光纤接收端的SFP+光模块、终端设备的供电状态进行数字诊断管理；数字诊断通道只有在USB3.1光纤扩展卡和USB3.1光纤接收端初始连接建立之前、USB3.0终端设备发生故障、以及人为进行控制时才会进行工作，而且操作人员在计算机端和USB3.0设备端都可以进行相应管理操作；该方法的具体步骤如下：在USB3.1光纤扩展卡和USB3.1光纤接收端初始连接建立之前，USB3.1光纤接收端的MCU控制单元通过SFP+光模块的I2C总线读取到光模块的发射光功率、激光器的偏置电流、接收灵敏度、光模块的供电电压、工作温度、故障情况等光模块指标后，通过USB3.1光纤接收端的MCU控制单元的RS-232串口将信号发送到SFP+光模块的SFP_Tx_Disable输入脚，调制输出RS232光信号，而在USB3.1光纤扩展卡数字诊断通道的SFP_LOS输出脚输出RS-232串行数据，RS-232串行数据输送到USB3.1光纤扩展卡的MCU控制单元数字诊断通道的串口信号输入脚LOS_232_RXD，经MCU控制单元处理后送到计算机主机端；此外，我们还可以在计算机主机端通过管理接口的USB2.0 to RS232转换电路将指令转换成RS-232信号，RS-232通过管理接口的RS232_TXD输出引脚发送数字诊断请求指令到USB3.1光纤扩展卡的MCU控制单元的RS-232串口信号输入脚CMI_RS232_RXD，MCU控制单元通过数字诊断通道发送指令到USB3.1光纤接收端的MCU控制单元的串口信号输入脚LOS_232_RXD，收到指令后MCU控制单元将读取到的光模块指标通过数字诊断通道回传到USB3.1光纤扩展卡的MCU控制单元的串口信号输入脚LOS_232_RXD，经MCU控制单元处理后通过RS-232串口信号输出脚CMI_RS232_TXD发送到通过管理接口的输入引脚RS232_RXD，通过USB2.0 to RS232转换后送到计算机主机端；对于USB3.1光纤扩展卡的光模块指标，我们可以在计算机主机端能过管理接口发送数字诊断请求指令到USB3.1光纤扩展卡的MCU控制单元直接获取；通过这两种方法可以实现对SFP+光模块的数字诊断管理；此外当USB3.1光纤接收端的USB3.0终端设备供电产生过流故障时，MCU控制单元会将此故障代码存储起来，直到过流故障解除才会清除所存故障代码，当我们发现设备工作不正常时，可以在计算机主机端过管理接口发送数字诊断请求指令到USB3.1光纤接收端的MCU控制单元获取USB3.0终端设备故障代码。