CN108563595A - 一种远距离传输usb数据的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及信息传输技术领域，尤其涉及一种远距离传输USB数据的系统及方法，包括与PC机连接的第一连接模块和与USB设备连接的第二连接模块，该第一连接模块和第二连接模块均包括FPGA芯片、网络PHY和USB PHY，且该第一连接模块与第二连接模块之间按照TCP/IP协议进行网络数据交互，从而实现USB数据的远距离传输，且该系统具有传输距离远，使用方便的特点。

Description

一种远距离传输USB数据的系统及方法
技术领域
本发明涉及信息传输技术领域，尤其涉及一种远距离传输USB数据的系统及方法。
背景技术
USB总线(Universal Serial Bus，同行串行总线)为广泛使用的高速数据传输接口，且USB技术的优越性越来越明显，支持USB技术的设备也越来越多，但USB设备跟USB主机之间的距离受延长线的限制，必须在指定的长度范围内才可以使用；在某些特殊应用场合，要求USB设备与主机之间的距离为几十米或几百米，而如果延长USB线，就容易造成传输不稳定，导致传输失败，这会给需要远距离使用USB设备的场合带来诸多不便。
为了解决上述问题，目前出现了一些USB远距离传输的方式，有的直接将USB信号放大调试后，利用双绞线传输；有的将电信号转换成为传输损耗较小的光信号在光纤上传输，可将USB信号的传输距离延长到上百米；还有的通过利用MCU(MicroprogrammedControl Unit，微程序控制器)将USB数据获取后，通过网线发送至主机。然而采用光纤或信号放大的方式远距离传输USB信号，需要独立布网络或光纤，这大大提高了成本；而采用MCU将USB文件通过网线方式传输，虽然可以利用TCP/IP协议在已有网线上运行，但主机需要安装特定的驱动或程序才能获取数据，且对USB设备的兼容性较差；这些都是本领域技术人员所不期望见到的。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明实施例公开了一种远距离传输USB数据的系统，应用于PC机(Personal Computer，个人电脑)和USB设备之间进行USB数据的传输，其中，所述系统包括第一连接模块和第二连接模块；
所述第一连接模块包括依次连接的第一USB PHY、第一FPGA芯片和第一网络PHY，且所述第一USB PHY与所述主机连接；
所述第二连接模块包括依次连接的第二网络PHY、第二FPGA芯片和第二USBPHY，且所述第二USB PHY与所述USB设备连接；
所述第二网络PHY通过网络与所述第一网络PHY之间进行数据通信。
上述的远距离传输USB数据的系统，其中，所述第一网络PHY和所述第二网络PHY均为千兆网PHY。
上述的远距离传输USB数据的系统，其中，所述第一FPGA芯片和所述第二FPGA芯片均包括网络收发模块、数据管理模块和ULPI接口模块；
所述网络收发模块通过所述数据管理模块与所述ULPI接口模块连接。
上述的远距离传输USB数据的系统，其中，所述ULPI接口模块包括数据线、控制线和时钟线。
上述的远距离传输USB数据的系统，其中，所述第一连接模块和所述第二连接模块之间按照TCP/IP协议进行数据交互。
上述的远距离传输USB数据的系统，其中，所述USB设备为USB2.0U盘。
本发明还公开了一种远距离传输USB数据的方法，其中，基于上述的远距离传输USB数据的系统，其中，所述方法包括：
步骤S1，所述USB设备通过USB接口连接所述第二USB PHY，所述第二FPGA芯片对所述USB设备进行检测以判断所述USB设备是否为高速设备；
步骤S2，所述第二FPGA芯片将判断结果通过所述第二网络PHY和所述第一网络PHY输出至所述第一FPGA芯片；
步骤S3，所述第一FPGA芯片根据所述判断结果通过所述第一USB PHY完成与所述PC机的握手应答；
步骤S4，对所述USB设备的进行枚举；
步骤S5，进行所述PC机和所述USB设备之间的数据传输。
上述的远距离传输USB数据的方法，其中，所述步骤S1中，所述第二FPGA芯片对所述USB设备进行检测以判断所述USB设备是否为高速设备的步骤具体为：
所述第二FPGA芯片按照USB HOST握手机制与所述USB设备握手，若握手成功，则判断所述USB设备为高速设备，反之，则判断所述USB设备为低速设备。
上述的远距离传输USB数据的方法，其中，所述步骤S4中，对所述USB设备的进行枚举的步骤包括：
步骤S41，所述PC机发出读取设备描述符数据包，所述第一FPGA芯片接收到所述读取设备描述符数据包并进行校验，并于校验无误后，向所述PC机发出应答信号；
步骤S42，所述第一FPGA芯片将所述读取设备描述符数据包发送至所述第二FPGA芯片，并等待数据的返回；
步骤S43，所述第二FPGA芯片接收所述读取设备描述符数据包，并将所述读取设备描述符数据包发送至所述USB设备，所述USB设备向所述第二FPGA芯片反馈自身的设备描述符；
步骤S44，所述第二FPGA芯片将所述USB设备的设备描述符反馈至所述第一FPGA芯片；
步骤S45，所述第一FPGA芯片将所述USB设备的设备描述符反馈至所述PC机。
上述的远距离传输USB数据的方法，其中，在进行所述步骤S41-步骤S43的同时，所述PC机多次向所述第一FPGA芯片发送IN令牌。
上述发明具有如下优点或者有益效果：
1、USB数据传输距离远、抗干扰能力更强，直连网线最大传输距离可达到100米，通过交换机中继，其传输距离可以延长到几百米或上千米，数据传输的可靠性较高；
2、兼容性强，支持完整的USB2.0USB1.1协议，支持绝大多数的USB设备。
3、使用方便，即插即用，无需驱动软件，支持多种操作系统，实用性强。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更加明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未可以按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1是本发明实施例中远距离传输USB数据的系统的结构示意图；
图2a是本发明实施例中第一连接模块中FPGA芯片的逻辑结构框图；
图2b是本发明实施例中第二连接模块中FPGA芯片的逻辑结构框图；
图3是本发明实施例中远距离传输USB数据的方法流程框图；
图4是本发明实施例中USB枚举阶段的流程框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的说明，但是不作为本发明的限定。
如图1所示，本实施例涉及一种用于远距离传输USB数据的系统，应用于PC机和USB设备之间进行USB数据的传输，该PC机包括台式机和笔记本电脑等；该系统包括第一连接模块和第二连接模块；两个模块的硬件结构基本相同，关键器件均包括FPGA芯片、网络PHY和USB PHY；具体的，该第一连接模块包括依次连接的第一USB PHY、第一FPGA芯片和第一网络PHY，且第一USB PHY与主机连接；该第二连接模块包括依次连接的第二网络PHY、第二FPGA芯片和第二USB PHY，且第二USB PHY与USB设备连接；第二网络PHY通过网络与第一网络PHY之间进行数据通信。
在本实施例中，上述的远距离传输USB数据的系统还包括网络接口和USB接口，上述第一网络PHY和网络、第二网络PHY和网络均通过网络接口连接；上述USB设备与第二USBPHY、主机与第一USB PHY之间均通过USB接口连接。
由于本发明中的USB PHY和网络PHY均可以采用市场上购买到的USB PHY和网络PHY，在此便不予以赘述。
本实施例中远距离传输USB数据的系统的控制核心为FPGA芯片，如图2a和2b所示，该FPGA芯片的主要包括：网络收发模块、数据管理模块和ULPI(低引脚数接口)接口模块；即上述第一FPGA芯片和第二FPGA芯片均包括网络收发模块、数据管理模块和ULPI接口模块；网络收发模块通过数据管理模块与ULPI接口模块连接。
下面结合附图2a和2b对上述FPGA芯片进行具体的阐述：
网络收发模块的作用为：(1)接收网络数据，按照TCP/IP数据格式要求，对数据包校验、解析，提出完整的USB数据包。(2)发送网络数据，将完整的USB数据包嵌入网络数据包，并按照TCP/IP协议拼接数据包。
ULPI接口模块：ULPI为专用接口，包括数据线、控制线(nxt、dir、stp)和时钟线；且该ULPI接口模块遵循接口时序实现接收/发送USB数据包。
USB握手：第二连接模块USB设备插入时，第二FPGA芯片将启动与USB设备的握手时序，确认USB2.0或USB1.1；第一FPGA芯片模拟USB设备的插入，PC机将启动系列的握手时序，第一FPGA芯片需进行正确的响应。
心跳包管理：第二连接模块外接USB设备，USB协议要求定时有心跳包数据传输，第二FPGA芯片将自动生成心跳数据，该心跳周期需要与PC机端的USB心跳周期保持同步。
USB自动应答：对PC机启动的USB命令自动应答，确保PC机端的命令都有正确的响应。
USB数据管理模块：该模块为逻辑控制的核心，管理USB的命令以及有效数据，需要实现很多特殊功能(命令欺骗、数据重传等)。
在本发明一个优选的实施例中，上述第一网络PHY和第二网络PHY均为千兆网PHY。
在本发明一个优选的实施例中，上述USB设备为USB2.0U盘。
在本发明一个优选的实施例中，上述第一连接模块和第二连接模块之间按照TCP/IP协议进行数据交互。
下面以USB设备与PC机之间的数据传输流程对本发明用于远距离传输USB数据的系统做进一步的描述：
1、USB设备将数据传输至PC机的流程：
第二连接模块：USB设备通过USB接口连接第二USB PHY，第二USB PHY的ULPI接口将完整的USB数据包输出至第二FPGA芯片，第二FPGA芯片将USB数据包嵌入TCP/IP数据包，之后通过第二网络PHY传输至网络。
第一连接模块：第一网络PHY通过网络接收到有效的TCP/IP数据包，并将之输出至第一FPGA芯片，第一FPGA芯片从中提取出完整的USB数据包，并按照ULPI接口时序，将完整的USB数据包通过USB接口输出至PC机。
2、PC机将数据输出至USB设备的流程：
第一连接模块：PC机通过第一USB PHY将数据传输至第一FPGA芯片，第一FPGA芯片将USB数据包嵌入TCP/IP中，之后通过第一网络PHY将其传输至网络。
第二连接模块：第二网络PHY通过网络接收到有效的TCP/IP数据包，并将之输出至第二FPGA芯片，第二FPGA芯片从中提取出完整的USB数据包，并按照ULPI接口时序，将完整的USB数据包通过第二USB PHY输出至USB设备。
另外，如图3所示，本发明还公开了一种远距离传输USB数据的方法，基于上述的远距离传输USB数据的系统，具体的，该方法包括如下步骤：
步骤S1(阶段1)，USB设备通过USB接口连接第二USB PHY，第二FPGA芯片对USB设备进行检测以判断USB设备是否为高速设备。
具体的，在本发明的实施例中，以USB设备为USB2.0U盘为例，U盘插入(即U盘通过USB接口连接第二USB PHY)，第二FPGA芯片按照USB HOST握手机制，设置第二USB PHY的相关寄存器操作，启动与U盘之间的Chirp K信号及KJ信号系列，若USB2.0握手机制成功，则判断为U盘为USB2.0高速设备，否则为低速设备(即第二FPGA芯对U盘的进行识别)。
步骤S2(阶段2)，第二FPGA芯片将上述判断USB设备为高速设备还是低速设备的判断结果通过第二网络PHY和第一网络PHY输出至第一FPGA芯片(其传输协议为TCP/IP协议)；即第二FPGA芯片完成对U盘的识别后，将识别信息通过TCP/IP协议输出至第一FPGA芯片。
步骤S3(阶段3)，第一FPGA芯片根据上述判断结果通过第一USB PHY完成与PC机的握手应答；具体的，第一FPGA芯片接收到上述判断结果，根据判断结果设置与PC机之间的电平(若U盘为高速设备，则设置第一FPGA芯片与PC机之间的D+高电平)，PC机检测有USB外设插入，启动与U盘的握手，此时，第二FPGA芯片虚拟为USB设备，完成与PC机之间的握手应答，该握手成功后，PC机判断有USB外设插入。
步骤S4，启动后续的枚举机制，即对USB设备的进行枚举。
具体的，如图4所示，上述对USB设备的进行枚举的步骤包括：
步骤S41(时间段1)，PC机发出读取设备描述符(Get_Descriptor)数据包，第一FPGA芯片接收到读取设备描述符数据包并进行校验，并于CRC(Cyclic Redundancy Check，循环冗余校验码)校验无误后，向PC机发出应答信号ACK(告知数据接收OK)。
步骤S42(时间段2)，第一FPGA芯片将读取设备描述符数据包通过TCP/IP协议发送至第二FPGA芯片，并等待数据的返回。
步骤S43(时间段3)，第二FPGA芯片接收第一FPGA芯片通过网络传输的读取设备描述符数据包，并将读取设备描述符数据包通过USB接口发送至USB设备，USB设备向第二FPGA芯片反馈自身的设备描述符。
步骤S44(时间段4)，第二FPGA芯片将USB设备的设备描述符通过TCP/IP协议反馈至第一FPGA芯片。
在进行步骤S41-步骤S43(即时间段1-4)的过程中，在PC机发出读取设备描述符数据包之后，PC机多次向第一FPGA芯片发送IN令牌(请求第一FPGA芯片反馈设备描述符)，但在第一FPGA芯片收到第二FPGA芯片的反馈之前，应答PC NAK(无法送出数据)，因此PC机延迟一段时间后，将再次启动IN令牌直至第二FPGA芯片将USB设备的设备描述符通过TCP/IP协议反馈至第一FPGA芯片。
步骤S45(时间段5)，第一FPGA芯片将USB设备的设备描述符反馈至PC机。
通过上述阶段，PC机将实现与U盘之间的数据传输，枚举阶段的所有命令均如此。枚举完成后，在PC端将可以看见U盘，可以对U盘进行任何操作(其效果等同于U盘直接连接PC)。
步骤S5，进行PC机和USB设备之间的数据传输，(例如PC机对U盘进行读/写)，且读/写U盘时的命令传输与枚举阶段一致。
本领域技术人员应该理解，本领域技术人员在结合现有技术以及上述实施例可以实现变化例，在此不做赘述。这样的变化例并不影响本发明的实质内容，在此不予赘述。
以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，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、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种远距离传输USB数据的系统，应用于PC机和USB设备之间进行USB数据的传输，其特征在于，所述系统包括第一连接模块和第二连接模块；
所述第一连接模块包括依次连接的第一USB PHY、第一FPGA芯片和第一网络PHY，且所述第一USB PHY与所述主机连接；
所述第二连接模块包括依次连接的第二网络PHY、第二FPGA芯片和第二USBPHY，且所述第二USB PHY与所述USB设备连接；
所述第二网络PHY通过网络与所述第一网络PHY之间进行数据通信。
2.如权利要求1所述的远距离传输USB数据的系统，其特征在于，所述第一网络PHY和所述第二网络PHY均为千兆网PHY。
3.如权利要求1所述的远距离传输USB数据的系统，其特征在于，所述第一FPGA芯片和所述第二FPGA芯片均包括网络收发模块、数据管理模块和ULPI接口模块；
所述网络收发模块通过所述数据管理模块与所述ULPI接口模块连接。
4.如权利要求1所述的远距离传输USB数据的系统，其特征在于，所述ULPI接口模块包括数据线、控制线和时钟线。
5.如权利要求1所述的远距离传输USB数据的系统，其特征在于，所述第一连接模块和所述第二连接模块之间按照TCP/IP协议进行数据交互。
6.如权利要求1所述的远距离传输USB数据的系统，其特征在于，所述USB设备为USB2.0U盘。
7.一种远距离传输USB数据的方法，其特征在于，基于如权利要求1-6任一项所述的远距离传输USB数据的系统，其特征在于，所述方法包括：
步骤S1，所述USB设备通过USB接口连接所述第二USB PHY，所述第二FPGA芯片对所述USB设备进行检测以判断所述USB设备是否为高速设备；
步骤S2，所述第二FPGA芯片将判断结果通过所述第二网络PHY和所述第一网络PHY输出至所述第一FPGA芯片；
步骤S3，所述第一FPGA芯片根据所述判断结果通过所述第一USB PHY完成与所述PC机的握手应答；
步骤S4，对所述USB设备的进行枚举；
步骤S5，进行所述PC机和所述USB设备之间的数据传输。
8.如权利要求6所述的远距离传输USB数据的方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述第二FPGA芯片对所述USB设备进行检测以判断所述USB设备是否为高速设备的步骤具体为：
所述第二FPGA芯片按照USB HOST握手机制与所述USB设备握手，若握手成功，则判断所述USB设备为高速设备，反之，则判断所述USB设备为低速设备。
9.如权利要求6所述的远距离传输USB数据的方法，其特征在于，所述步骤S4中，对所述USB设备的进行枚举的步骤包括：
步骤S41，所述PC机发出读取设备描述符数据包，所述第一FPGA芯片接收到所述读取设备描述符数据包并进行校验，并于校验无误后，向所述PC机发出应答信号；
步骤S42，所述第一FPGA芯片将所述读取设备描述符数据包发送至所述第二FPGA芯片，并等待数据的返回；
步骤S43，所述第二FPGA芯片接收所述读取设备描述符数据包，并将所述读取设备描述符数据包发送至所述USB设备，所述USB设备向所述第二FPGA芯片反馈自身的设备描述符；
步骤S44，所述第二FPGA芯片将所述USB设备的设备描述符反馈至所述第一FPGA芯片；
步骤S45，所述第一FPGA芯片将所述USB设备的设备描述符反馈至所述PC机。
10.如权利要求9所述的远距离传输USB数据的方法，其特征在于，在进行所述步骤S41-步骤S43的同时，所述PC机多次向所述第一FPGA芯片发送IN令牌。
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