CN206907017U

CN206907017U - Usb信号延长器、usb信号传输系统

Info

Publication number: CN206907017U
Application number: CN201720729913.6U
Authority: CN
Inventors: 殷文涵; 陈�峰; 付家喜; 边慧; 王振
Original assignee: Shenzhen Lontium Semiconductor Science And Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Lontium Semiconductor Science And Technology Co Ltd
Priority date: 2017-06-21
Filing date: 2017-06-21
Publication date: 2018-01-19
Anticipated expiration: 2027-06-21

Abstract

本申请实施例提供了一种USB信号传输系统。该USB信号传输系统包括相连接的第一USB信号延长器和第二USB信号延长器，第一USB信号延长器能够将USB信号转为类USB信号，第二USB信号延长器能够将类USB信号转换为USB信号。连接在第一USB信号延长器和第二USB信号延长器之间的连接线能够将类USB信号由第一USB信号延长器传输至第二USB信号延长器。由于类USB信号符合USB传输协议标准，且摆幅会更高，防止长距离传输时高频衰减而导致的数据丢失，从而保证USB数据的完整，减少长距离传输导致的数据丢失，降低数据的误码率，增加USB延长距离传输数据的稳定性。因此，该USB传输系统能够延长USB信号传输距离。此外，本申请实施例还提供了一种USB信号延长器。

Description

USB信号延长器、USB信号传输系统

技术领域

本申请涉及数据传输技术领域，尤其涉及一种USB信号延长器及包含该USB信号延长器的USB信号传输系统。

背景技术

随着计算机技术的发展，大量的外部设备(网络摄像头，医疗设备，工业设备，便携式数据采集设备，打印机，扫描仪，U盘，鼠标键盘)都通过USB接口与主控设备(计算机，车载导航，手机平板)相连。

但USB信号在传输过程中，衰减较为严重，根据USB协议规定，USB信号传输的距离较短，例如，USB2.0协议规定线材最大传输距离只有5米。并且USB信号的传输距离也会受到线材质量的制约，一般情况下，传输距离在3米以内，传输效果较好。

因此，USB信号的传输机制限定了USB设备与主控设备之间的距离有限，一般只有几米，因而导致USB设备的使用场景受到了很大的局限。然而，实际使用中，USB设备与主控设备之间的距离远大于几米，甚至达到上百米，为了扩大USB设备的使用范围，有必要提供一种延长USB信号数据传输距离的方案。

实用新型内容

有鉴于此，本申请提供了一种USB信号延长器以及包括该USB信号延长器的USB信号传输系统，以延长USB信号的传输距离。

为了达到上述发明目的，本申请提供了如下技术方案：

一种USB信号延长器，包括：电源、晶振、第一接口、USB信号多端口转发器、USB芯片、微控制单元以及第二接口；

其中，所述电源用于为所述USB信号延长器上的各个器件提供电压；

所述晶振用于为所述USB芯片提供外部参考时钟信号；

所述第一接口用于接收USB设备采集的USB信号，并将所述USB信号传输至所述USB信号多端口转发器；

所述USB信号多端口转发器用于将所述USB信号传输至USB芯片；

所述微控制单元用于向USB芯片发出将USB信号转换为类USB信号的控制指令；

所述USB芯片用于在接收到所述控制指令后，将所述USB信号转换为类USB信号，并将所述类USB信号传输至第二接口；

所述USB信号为符合USB传输协议且符合USB信号电器规范的信号；

所述类USB信号为符合USB传输协议、不符合USB信号电器规范，且与所述USB信号相比，具有较高摆幅的差分信号。

可选地，所述第一接口与所述USB信号多端口转发器之间，所述USB信号多端口转发器与所述USB芯片之间，和/或，所述USB芯片与所述第二接口之间通过所述USB信号延长器上的印刷电路板上的走线连接。

可选地，所述第二接口为网络接口或者USB接口。

一种USB信号延长器，包括：电源、晶振、第三接口、USB芯片、微控制单元以及第四接口；

所述晶振用于为所述USB芯片提供外部参考时钟信号；

所述第三接口用于接收类USB信号，并将所述类USB信号传输至所述USB芯片；

所述微控制单元用于向USB芯片发出将类USB信号转换为USB信号的控制指令；

所述USB芯片用于在接收到所述控制指令后，将所述类USB信号转换为USB信号，并将所述USB信号传输至第四接口；

可选地，所述第三接口与所述USB芯片之间，和/或，所述USB芯片与所述第四接口之间通过所述信号延长器上的印刷电路板上的走线连接。

可选地，所述第三接口为网络接口或者USB接口。

一种USB信号传输系统，包括：

USB设备、第一USB信号延长器、第二USB信号延长器和主控设备，

其中，所述第一USB信号延长器为权利要求1-3任一项所述的USB信号延长器；

所述第二USB信号延长器为权利要求4-6任一项所述的USB信号延长器；

所述第二接口与所述第三接口的接口类型一致。

可选地，所述USB设备与所述第一USB信号延长器之间的连接线为第一连接线；

所述第一USB信号延长器与所述第二USB信号延长器之间的连接线为第二连接线；

所述第二USB信号延长器与所述主控设备之间的连接线为第三连接线；

其中，所述第一连接线与所述第三连接线均为USB线材，所述第二连接线为网络连接线或者USB线材。

可选地，所述USB设备为USB1.0设备、USB1.1设备、USB2.0设备、USB3.0设备中的一种。

可选地，所述主控设备为电脑主机、车机、嵌入式设备和移动终端中的一种。

相较于现有技术，本申请具有以下有益效果：

通过以上技术方案可知，本申请实施例提供的第一USB信号延长器能够将USB信号转换为类USB信号，提供的第二USB信号延长器能够将类USB信号转换为USB信号。当将这两种USB信号延长器用于USB信号传输系统中时，由USB设备采集到的USB信号经由第一USB信号延长器转换为类USB信号，然后经由第二USB信号延长器将类USB信号转换为USB信号，最后将该USB信号传输至主控设备。由于该类USB信号为符合USB传输协议且摆幅比USB信号更高的信号，因此，该类USB信号能够防止长距离传输时高频衰减导致的数据丢失，如此，通过本申请提供的USB信号传输系统，将USB信号转换为类USB信号，对类USB信号进行长距离传输，在邻近主控设备之前，将类USB信号转换为USB信号的USB信号，延长了USB信号的传输距离，通过该USB信号传输系统能够将USB设备应用在USB设备与主控设备相距较远距离的场景中，如此，扩展了USB设备的应用领域。

附图说明

为了清楚地理解本申请的具体实施方式，下面将描述本申请具体实施方式时用到的附图做一简要说明。显而易见地，这些附图仅是本申请的部分实施例。

图1是USB HUB级联延长方案的USB信号传输系统的结构示意图；

图2是USB转光纤方案的USB信号传输系统对应的结构示意图；

图3是USB转网络方案的USB信号传输系统对应的结构示意图；

图4是本申请实施例提供的USB信号传输系统结构示意图；

图5是本申请实施例提供的第一USB信号延长器的结构示意图；

图6是本申请实施例提供的第二USB信号延长器的结构示意图。

具体实施方式

在介绍申请的具体实施方式之前，首先介绍描述本申请具体实施方式时用到的技术术语。

USB(Universal Serial Bus):通用串行总线；

USB HUB(Universal Serial Bus HUB)：通用串行总线多端口转发器；

SERDES(Serializer and Deserializer)：通用高速差分串行接口；

ASIC(Application Specific Integrated Circuit)：专用芯片；

USB信号为符合USB传输协议且符合USB信号电器规范的信号。在本申请实施例中，USB信号可以为USB1.0、USB1.1、USB2.0和USB3.0中的一种。

类USB信号为符合USB传输协议、不符合USB信号电器规范，且与USB信号相比，具有较高摆幅的差分信号。

目前，为了延长USB信号的传输距离，USB信号延长方案主要有以下几种：

(1)USB HUB级联方案：该方案主要用于30m以内的USB信号延长，该USB HUB级联延长方案的USB信号传输系统的结构示意图如图1所示，其中：

第一连接线11、第二连接线13、第三连接线15和第四连接线17均必须为USB线材，并且要求线材质量高，所以该方案的硬件成本要求高；

第一HUB板12、第二HUB板14、第三HUB板15均为使用了USB HUB芯片的板子，必须要通过标准的USB接口来进行连接；

主控设备18只能为支持打开了USB扩展功能的主控设备；

由于嵌入式设备的主控芯片有一部分不支持USB扩展协议，所以此方案应用在嵌入式设备上的兼容性较差；

在该延长方案中，如果需要延长30m的USB线材，则需要4个HUB芯片，并且每个HUB芯片都需要进行调试；由于HUB芯片输入输出线材不能超过5m，所以使用HUB级联方案的话，HUB板只能放在线材中间，那么从信号的完整性上来说，每次经过连接器或者焊接后，都会破环信号的完整性，所以使用USB HUB级联的方案经常出现传输不稳定，误码率较高，对后端设备的兼容性差的问题。该方案只能使用在要求不高的应用场景。

(2)将USB2.0高速协议(480Mbps)标准降低到USB1.1协议标准(12Mbps)，降低数据传输速率进行传输，从而延长传输距离；该方案的传输效率较低，对后端设备的兼容性差，比如接上某些设备会出现无法识别的情况。

(3)USB转光纤方案：将USB信号解包，转换成通用的SERDES信号，并驱动光模块，采用光纤作为传输媒介，因为光纤传输的损耗较低，从而实现长距离传输(数百米，多模光纤；数十公里，单模光纤)。

USB转光纤方案的USB信号传输系统对应的结构示意图如图2所示，其中：

第一连接线21、第三连接线25为USB线材，第二连接线23为光纤；

从USB设备20采集的USB信号通过第一连接线21输入到发射端22；

发射端22将USB信号进行解包，再重新打包为SERDES信号；

第一光模块27是将SERDES信号转为光信号，通过所述第二连接线23发送给第二光模块28；

第二光模块28将光信号转换为SERDES信号；

接收端24是将SERDES信号转为USB信号，通过第三连接线25与主控设备26相连；

此方案采用光纤作为传输媒介，因为光纤传输的损耗较低，从而实现可以实现长距离传输(数百米，多模光纤；数十公里，单模光纤)。但是USB信号转换加上光驱动再用光纤传输的方式成本很高，另外光纤比较脆，导致安装的灵活性也很差。

(4)将USB协议解包转换成网络协议TCP/IP后，通过网络来进行传输，在接收端分析网络协议，再转换成USB协议，该方案的USB信号传输系统对应的结构示意图如图3所示，其中，

第一连接线31和第四连接线37为标准USB线材，第二连接线33和第三连接线35为网线；

发送器32是将主控设备30的控制信号转为网络信号发送；

交换机34是将收到的网络信号进行转发到接收器36；

接收器36是将从交换机34内传送过来的网络信号转换成USB信号；

USB设备38为任意型号的USB设备；

此方案是先将USB信号解包，然后重新打包成网络协议信号，通过网络信号来传输。方案的优势是可以通过网络交换机，支持多个接收端任意切换控制。但是缺点是压缩和解压的过程需要比较长的时间，因此，会有很大的时间延迟，无法用在实时要求高的系统中，比如倒车后视摄像头及游戏的鼠标键盘。而且该方案需要专门的供电设备为USB设备进行供电，增加了设备的成本。

为了克服上述目前技术中存在的误码率高，成本高，延迟高，信号完整性差，对传输线材要求高的问题，本申请提供了一种USB信号传输系统。

本申请提供的USB信号传输系统包括第一USB信号延长器和第二USB信号延长器，其中，第一USB信号延长器的一端与任意的USB设备(包括USB1.0设备、USB1.1设备、USB2.0设备、USB3.0设备)相连，另一端通过连接线与第二USB信号延长器的一端相连，第二USB信号延长器的另一端与主控设备相连。其中，第一USB信号延长器能够将USB信号转为类USB信号，第二USB信号延长器能够将类USB信号转换为USB信号。连接在第一USB信号延长器和第二USB信号延长器之间的连接线既可以是一根长距离的的USB线材也可以是一根长距离的网线，其能够将类USB信号由第一USB信号延长器传输至第二USB信号延长器。由于类USB信号符合USB传输协议标准，但摆幅会更高，防止长距离传输时高频衰减而导致的数据丢失，从而保证USB数据的完整，减少长距离传输导致的数据丢失，降低数据的误码率，增加USB延长距离传输数据的稳定性。

图4是本申请实施例提供的USB信号传输系统结构示意图。如图4所示，该USB信号传输系统包括：

USB设备40、第一USB信号延长器42、第二USB信号延长器44和主控设备46，其中，USB设备40与第一USB信号延长器42之间通过第一连接线41连接，第一USB信号延长器42与第二USB信号延长器44通过第二连接线43连接，第二USB信号延长器44和主控设备46之间通过第三连接线45连接。

其中，USB设备40可以为任意类型的USB设备，其具体可以为USB1.0、USB1.1和USB2.0中的任一类型。其用于在接收到主控设备46发出的采集USB信号的指令后，采集USB信号。

第一连接线41为标准的USB线材，用于将USB设备40采集到的USB信号传输至第一USB信号延长器42。

第一USB信号延长器42用于将USB信号转换为类USB信号，该类USB信号符合USB传输协议、不符合USB信号电器规范，且与所述USB信号相比，具有较高摆幅的差分信号。该类USB信号能够防止防止长距离传输时高频衰减导致的数据丢失，因此，将USB信号转换为类USB信号能够延长USB信号的传输距离。

第二连接线43用于将类USB信号传输至第二USB信号延长器44，基于类USB信号的上述特征(即为符合USB传输协议、不符合USB信号电器规范的信号)，传输该类USB信号的第二连接线43可以为USB线材，也可以为网线。

主控设备46可以为任何支持USB信号的设备，包括但不限于电脑主机、车机、嵌入式设备和移动终端如手机等。

在本申请提供的USB信号传输系统中，信号的传输过程如下：USB设备40采集到的USB信号通过第一连接线41传输至第一USB信号延长器42，第一USB信号延长器42将接收到的USB信号转换为类USB信号；该类USB信号通过第二连接线43传输至第二USB信号延长器44，第二USB信号延长器44将类USB信号转换为USB信号，该USB信号通过第三连接线45传输至主控设备46。

在本申请实施例提供的USB信号传输系统中，通过第一USB信号延长器42将USB信号转换为类USB信号，由于该类USB信号为符合USB传输协议且摆幅比USB信号更高的信号，因此，该类USB信号能够防止长距离传输时高频衰减导致的数据丢失，如此，通过本申请提供的USB信号传输系统，将USB信号转换为类USB信号，对类USB信号进行长距离传输，在邻近主控设备之前，将类USB信号转换为USB信号的USB信号，延长了USB信号的传输距离，通过该USB信号传输系统能够将USB设备应用在USB设备与主控设备相距较远距离的场景中，如此，扩展了USB设备的应用领域。

为了能够将USB信号转换为类USB信号，本申请还提供了第一USB信号延长器42的具体结构。该具体结构请参见以下实施例。

图5是本申请实施例提供的第一USB信号延长器42的结构示意图。如图5所示，该第一USB信号延长器42包括：

电源421、晶振422、第一接口423、USB信号多端口转发器424、USB芯片425、微控制单元426以及第二接口427。

其中，所述电源421用于为所述第一USB信号延长器42上的各个器件提供电压；作为示例，电源421可以通过外部适配器提供的电源输入，分别为USB信号多端口转发器424、USB芯片425以及微控制单元426提供3.3V的电压。

所述晶振422用于为所述USB芯片425提供外部参考时钟信号。

所述第一接口423用于接收USB设备40采集的USB信号，并将所述USB信号传输至所述USB信号多端口转发器424；在本申请实施例中，第一接口423可以为USB信号多端口转发器424扩展出来的多个USB接口，作为示例，该第一接口423可以通过第一USB信号延长器42上的印刷电路板走线与USB信号多端口转发器424相连接。

所述USB信号多端口转发器424用于将所述USB信号传输至USB芯片425；作为示例，USB信号多端口转发器424可以通过第一USB信号延长器42上的印刷电路板板上的走线与USB芯片425相连接。

所述微控制单元426用于向USB芯片425发出将USB信号转换为类USB信号的控制指令。微控制单元426的英文全称为Microcontroller Unit，英文简写为MCU，又称单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)或者单片机，是把中央处理器(Central ProcessUnit；CPU)的频率与规格做适当缩减，并将内存(memory)、计数器(Timer)、USB、A/D转换、UART、PLC、DMA等周边接口，甚至LCD驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。

所述USB芯片425用于在接收到微控制单元426发出的控制指令后，将所述USB信号转换为类USB信号，并将所述类USB信号传输至第二接口427。

在本申请实施例中，USB芯片425可以为USB ASIC芯片。

第二接口427用于传输类USB信号，由于类USB信号符合USB传输协议、不符合USB信号电器规范，且与所述USB信号相比，具有较高摆幅的差分信号，因此，用于传输类USB信号的第二接口427可以为USB接口，也可以为网络接口。

为了能够将类USB信号转换为USB信号，本申请实施例还提供了第二USB信号延长器44的具体结构。该具体结构请参见以下实施例。

图6是本申请实施例提供的第二USB信号延长器44的结构示意图。如图6所示，该第二USB信号延长器44包括：

电源441、晶振442、第三接口443、USB芯片444、微控制单元445以及第四接口446；

其中，所述电源441用于为所述第二USB信号延长器44上的各个器件提供电压；作为示例，电源441可以通过外部适配器提供的电源输入，分别为USB芯片444以及微控制单元446提供3.3V的电压。

所述晶振442用于为所述USB芯片444提供外部参考时钟信号。

所述第三接口443用于接收类USB信号，并将所述类USB信号传输至所述USB芯片444；作为示例，第三接口443通过第二USB信号延长器44上的印刷线路板上的走线与USB芯片444相连接。作为示例，第三接口443可以为网络接口，也可以为USB接口。

所述微控制单元445用于向USB芯片444发出将类USB信号转换为USB信号的控制指令。微控制单元445的英文全称为Microcontroller Unit，英文简写为MCU，又称单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)或者单片机，是把中央处理器(Central ProcessUnit；CPU)的频率与规格做适当缩减，并将内存(memory)、计数器(Timer)、USB、A/D转换、UART、PLC、DMA等周边接口，甚至LCD驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。

所述USB芯片444用于在接收到所述控制指令后，将所述类USB信号转换为USB信号，并将所述USB信号传输至第四接口446；作为示例，第四接口446通过第二USB信号延长器44上的印刷线路板上的走线与USB芯片444相连接。

第四接口446与USB信号传输系统中的主控设备46连接，从而将USB信号传输至主控设备46上。

需要说明，在上述USB信号传输系统中，第一USB信号延长器42上的第二接口427和USB信号延长器43上的第三接口443的接口类型要一致。具体地说，当第二接口427为网络接口时，第三接口443也为网络接口，当第二接口427为USB接口时，第三接口443也为USB接口。

以上为本申请实施例提供的USB信号传输系统。在该USB信号传输系统中，通过第一USB信号延长器42将USB信号转换为类USB信号，此类USB信号完全符合USB2.0协议传输协议，不修改任何设备采集到的数据，并且可以使用一条完整的线材来完成传输过程，保证了信号传输的完整性，提高了应用的稳定性。

此外，用于传输类USB信号的数据传输线缆可以为USB线材，也可以为网线，因此，该USB信号传输系统降低了对数据传输媒介的线缆的要求，有利于降低硬件成本。

当采用网线传输类USB信号时，需要转换协议，只是通过网线当作媒介来传输类USB信号，最长可以达到100m的延长距离。

利用本申请提供的USB信号传输系统，所需的功耗及成本较低，而且传输稳定性较高。

另外，本申请提供的USB信号传输系统中，在传输USB信号时，不会对USB信号的协议标准进行转换，因此，在传输USB2.0信号时，能够按照USB2.0高速协议(480Mbps)将USB2.0信号由USB设备传输到主控设备上去，因此，相较于现有技术，本申请实施例提供的USB信号传输系统能够在低功耗、低成本的前提下，实现对USB信号尤其是高速USB2.0信号的稳定的长距离传输。

基于以上比较分析，本申请实施例提供的USB信号传输系统能够同时达到传输距离长、硬件成本低、方便使用、传输速度高以及功耗低和传输稳定的效果。

以上为本申请的具体实施方式。

Claims

1.一种USB信号延长器，其特征在于，包括：电源、晶振、第一接口、USB信号多端口转发器、USB芯片、微控制单元以及第二接口；

所述晶振用于为所述USB芯片提供外部参考时钟信号；

所述USB信号多端口转发器用于将所述USB信号传输至USB芯片；

2.根据权利要求1所述的USB信号延长器，其特征在于，所述第一接口与所述USB信号多端口转发器之间，所述USB信号多端口转发器与所述USB芯片之间，和/或，所述USB芯片与所述第二接口之间通过所述USB信号延长器上的印刷电路板上的走线连接。

3.根据权利要求1或2所述的USB信号延长器，其特征在于，所述第二接口为网络接口或者USB接口。

4.一种USB信号延长器，其特征在于，包括：电源、晶振、第三接口、USB芯片、微控制单元以及第四接口；

所述晶振用于为所述USB芯片提供外部参考时钟信号；

5.根据权利要求4所述的USB信号延长器，其特征在于，所述第三接口与所述USB芯片之间，和/或，所述USB芯片与所述第四接口之间通过所述信号延长器上的印刷电路板上的走线连接。

6.根据权利要求4或5所述的USB信号延长器，其特征在于，所述第三接口为网络接口或者USB接口。

7.一种USB信号传输系统，其特征在于，包括：

所述第二接口与所述第三接口的接口类型一致。

8.根据权利要求7所述的USB信号传输系统，其特征在于，所述USB设备与所述第一USB信号延长器之间的连接线为第一连接线；

9.根据权利要求7或8所述的USB信号传输系统，其特征在于，所述USB设备为USB1.0设备、USB1.1设备、USB2.0设备、USB3.0设备中的一种。

10.根据权利要求7或8所述的USB信号传输系统，其特征在于，所述主控设备为电脑主机、车机、嵌入式设备和移动终端中的一种。