CN210745144U - 一种可延长usb通信距离的电路 - Google Patents
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Abstract
一种可延长USB通信距离的电路，包括结构相同的近端USB信号延长器和远端USB信号延长器，所述近端USB信号延长器和远端USB信号延长器通过信号传输线连接，所述近端USB信号延长器包括：中继电路、USB电平转换电路和串行收发电路。本实用新型的优点是：本方案通过通过将USB信号放大并转换为抗噪声特性好且传输距离远的RS485差分电平进行传输，大大提高了USB信号的传输距离，且整个USB信号的调制过程中不破坏USB信号的原始协议和实时性，不需特定软件驱动即插即用，适用于对USB远距离传输要求高的工业通信及其它领域。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种信号传输领域，具体地说是一种可延长USB设备与USB主机之间连接距离的USB延长电路。
背景技术
USB标准规范在制定时要求需要进行USB通信的设备间距离通常不应不大于3米，例如计算机和外部移动存储设备之间的连接，USB规范规定电缆长度应限制在3米以内，以保持信号完整性。但某些场合需求将USB通信拓展到更长的通信距离，例如安装在大型商场中的显示器面板与后台服务器之间的USB连接，工业计算机与配备USB接口的远端传感器之间的连接。遗憾的是，较长的电缆在传输USB信号时，会带来信号完整性问题，例如通道插入损耗、信号衰减、串扰、码间干扰(ISI)等。
面对这样的应用挑战，常见的作法为将USB数据先进行保存再转换为其它通信协议及接口，接收端接收到的数据不再是USB原始数据，而是已经过转换后的数据格式。这种方式及大的降低了USB通信的效率和实时性，同时需要专门的数据转存设备，成本较为高昂。
实用新型内容
为了解决背景技术中存在的问题，本方案通过一种新型的USB信号调理方式和技术，将USB信号放大并提高驱动能力，并将USB信号转换为抗噪声特性好且传输距离远的RS485差分电平进行传输，有效解决了USB信号传输距离近的问题。
一种可延长USB通信距离的电路，包括结构相同的近端USB信号延长器和远端USB信号延长器，所述近端USB信号延长器和远端USB信号延长器通过信号传输线连接，所述近端USB信号延长器包括：
中继电路，与主控设备的USB接口连接，用于将原始USB差分信号进行中继放大；
USB电平转换电路，与中继电路连接，用于将放大的USB差分信号转换为单向传输的TTL输入信号和TTL输出信号；
串行收发电路，分别与中继电路的控制端和USB电平转换电路信号输入输出端连接，用于将USB电平转换电路输出的TTL输出信号转换为RS485差分信号传输至远端USB信号延长器，并将远端USB信号延长器输入的RS485差分信号转换为TTL输入信号传输至USB电平转换电路。
优选的，所述中继电路包括中继芯片D1301，中继芯片D1301的四十脚和四十一脚分别与主控设备的USB接口的DSDN和DSDP引脚连接。
优选的，所述USB电平转换电路包括USB电平转换芯片D1203，所述USB电平转换芯片D1203的十脚和十一脚分别与中继芯片D1301的二十六脚和二十七脚连接，所述USB电平转换芯片D1203的二脚与中继芯片D1301的十五脚连接。
优选的，所述串行收发电路包括第一RS485收发器D1201和第二RS485收发器D1202，所述第一RS485收发器D1201的一脚和四脚分别与USB电平转换芯片D1203的十三脚和五脚连接，第一RS485收发器D1201的二脚、三脚并联，并与USB电平转换芯片D1203的二脚和中继芯片D1301的十五脚连接，所述第二RS485收发器D1202的一脚和四脚分别与USB电平转换芯片D1203的十二脚和四脚连接，第二RS485收发器D1202的二脚、三脚并联，并与USB电平转换芯片D1203的二脚和中继芯片D1301的十五脚连接，所述第一RS485收发器D1201和第二RS485收发器D1202的六脚和七脚分别输出RS485差分信号，并通过信号传输线与远端USB信号延长器连接。
与现有技术相比，本实用新型的优点是：本方案通过通过将USB信号放大并转换为抗噪声特性好且传输距离远的RS485差分电平进行传输，大大提高了USB信号的传输距离，且整个USB信号的调制过程中不破坏USB信号的原始协议和实时性，不需特定软件驱动即插即用，适用于对USB远距离传输要求高的工业通信及其它领域。
附图说明
图1是本实用新型电路原理框图；
图2是本实用新型中继电路原理图；
图3是本实用新型USB电平转换电路和串行收发电路原理图；
图4是中继电路输出的控制信号和串行收发电路输出的差分信号的波形图；
图5是采用本实用新型电路传输文件的实时速率示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种可延长USB通信距离的电路，包括结构相同的近端USB信号延长器和远端USB信号延长器，近端USB信号延长器和远端USB信号延长器通过信号传输线连接，所述近端USB信号延长器包括中继电路1、USB电平转换电路2和串行收发电路3；中继电路1与主控设备100的USB接口连接，用于将原始USB差分信号进行中继放大；USB电平转换电路2与中继电路1连接，用于将放大的USB差分信号转换为单向传输的TTL输入信号和TTL输出信号；串行收发电路3分别与中继电路1的控制端和USB电平转换电路2信号输入输出端连接，用于将USB电平转换电路2输出的TTL输出信号转换为RS485差分信号传输至远端USB信号延长器，并将远端USB信号延长器输入的RS485差分信号转换为TTL输入信号传输至USB电平转换电路2。
如图2-3所示，中继电路1包括中继芯片D1301，中继芯片D1301的型号为TOPSHINETH2000-G，中继芯片D1301的四十脚和四十一脚分别与待延长传输距离的主控设备100的USB接口的D+和D-引脚连接，中继芯片D1301接收主控设备100的USB原始信号DSDN与DSDP，并经放大后输出为USDN与USDP(二十六脚与二十七脚)，USB差分信号在中继芯片D1301内可双向传输。
所述USB电平转换电路2包括USB电平转换芯片D1203，USB电平转换芯片D1203的型号为FAIRCHILD USB1T11A，所述USB电平转换芯片D1203的十脚和十一脚分别与中继芯片D1301的二十六脚和二十七脚连接，中继芯片D1301输出的USB差分信号USDN与USDP被送入USB电平转换芯片的差分输入口(十脚和十一脚)，USB差分信号USDN与USDP在USB电平转换芯片内部被转换为单向传输的TTL输入信号(VMO与VMI)和TTL输出信号(VPO与VPI)，当USB数据流为输入方向时，TTL输入信号VMO与VPO被输入USB电平转换芯片的单端输入口(十二脚和十三脚)；当USB数据流为输出方向时，TTL输出信号VMI与VPI由USB电平转换芯片的单端输出口输出(四脚和五脚)。
所述串行收发电路3包括第一RS485收发器D1201和第二RS485收发器D1202，USB电平转换芯片D1203的单端输入口(十二脚和十三脚)分别与第一RS485收发器D1201和第二RS485收发器D1202的单端输出端口(一脚)连接；USB电平转换芯片的单端输出口(四脚和五脚)分别与第一RS485收发器D1201和第二RS485收发器D1202的单端输入端口(四脚)连接；来自中继芯片D1301的USOEN信号(十五脚)与USB电平转换芯片D1203的OE脚(二脚)以及第一RS485收发器D1201和第二RS485收发器D1202的方向控制脚(二脚和三脚)并联，中继芯片D1301的USOEN信号(十五脚)自动且同步控制USB电平转换芯片D1203以及第一RS485收发器D1201和第二RS485收发器D1202的数据收发方向。
在第一RS485收发器D1201和第二RS485收发器D1202内部，USB电平转换芯片D1203转换后的两个TTL输入信号和TTL输出信号被进一步转换为可进行长距离传输的RS485差分信号VM_P_DP，VM_P_DM和VP_P_DP，VP_P_DM，2个RS485收发器分别转换USB差分信号中的正与负信号；对应USB电平转换芯片D1203出来的两路信号。
需要与主控设备100进行长距离通信的对端设备，通过CAT5类以太网线与RJ45连接器相连并在对端设备采用以上描述的相同的电路形式与端口，即可实现本端设备与对端设备的长距离通信。
如图4，上方信号线为用示波器将VM_P_DP与VM_P_DM信号做算数减后得到的波形，可看出USB信号得到了还原且信号幅度得到了大幅提高；下方信号线为中继芯片D1301的USOEN信号，当USB数据流发生方向变化时，此信号将自动变化并同步控制USB电平转换芯片D1203、第一RS485收发器D1201和第二RS485收发器D1202的信号传输方向。
由于采用的RS485收发器的速率限制，本方案适合于USB1.1及以下的对速率要求不太高，但对通信实时性及可靠性高的场合，替换速率更高的收发器芯片理论上可支持USB1.1以上版本。如图5，在对端接入U盘并采用910MB的文件进行传输测试，最高传输速率达到1.38MB每秒，平均传输速率达到1.06MB每秒，测试结果达到USB1.1规范的速率要求。
以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将实用新型的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本实用新型的保护范围。
Claims (4)
1.一种可延长USB通信距离的电路，包括结构相同的近端USB信号延长器和远端USB信号延长器，所述近端USB信号延长器和远端USB信号延长器通过信号传输线连接，其特征在于，所述近端USB信号延长器包括：
中继电路(1)，与主控设备(100)的USB接口连接，用于将原始USB差分信号进行中继放大；
USB电平转换电路(2)，与中继电路(1)连接，用于将放大的USB差分信号转换为单向传输的TTL输入信号和TTL输出信号；
串行收发电路(3)，分别与中继电路(1)的控制端和USB电平转换电路(2)信号输入输出端连接，用于将USB电平转换电路(2)输出的TTL输出信号转换为RS485差分信号传输至远端USB信号延长器，并将远端USB信号延长器输入的RS485差分信号转换为TTL输入信号传输至USB电平转换电路(2)。
2.如权利要求1所述的一种可延长USB通信距离的电路，其特征在于，所述中继电路(1)包括中继芯片D1301，中继芯片D1301的四十脚和四十一脚分别与主控设备(100)的USB接口的DSDN和DSDP引脚连接。
3.如权利要求2所述的一种可延长USB通信距离的电路，其特征在于，所述USB电平转换电路(2)包括USB电平转换芯片D1203，所述USB电平转换芯片D1203的十脚和十一脚分别与中继芯片D1301的二十六脚和二十七脚连接，所述USB电平转换芯片D1203的二脚与中继芯片D1301的十五脚连接。
4.如权利要求3所述的一种可延长USB通信距离的电路，其特征在于，所述串行收发电路(3)包括第一RS485收发器D1201和第二RS485收发器D1202，所述第一RS485收发器D1201的一脚和四脚分别与USB电平转换芯片D1203的十三脚和五脚连接，第一RS485收发器D1201的二脚、三脚并联，并与USB电平转换芯片D1203的二脚和中继芯片D1301的十五脚连接，所述第二RS485收发器D1202的一脚和四脚分别与USB电平转换芯片D1203的十二脚和四脚连接，第二RS485收发器D1202的二脚、三脚并联，并与USB电平转换芯片D1203的二脚和中继芯片D1301的十五脚连接，所述第一RS485收发器D1201和第二RS485收发器D1202的六脚和七脚分别输出RS485差分信号，并通过信号传输线与远端USB信号延长器连接。
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