CN2585498Y - 一种通过光纤传输usb信号的电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光纤通信接口电路，特别涉及一种通过光纤传输USB信号的电路。本实用新型将USB信号D+、D－的三种状态转换为发射激光的三种强度全亮、半亮、暗，并且通过光纤传输到对方激光接收器再通过相应电路恢复D+、D－的三种状态。激光接收器电路的输出信号之一触发单稳延时电路来控制D+、D－与激光发射电路、激光接收电路的通与断。通过USB信号幅度的变化控制USB信号的“收/发允许”来解决将双向传输的USB信号分开为发送和接收两部分，从而为将USB电信号转换为光信号提供了条件。通过一个单稳延时电路来控制USB信号的“收/发允许”状态的自动恢复。本实用新型用光纤传输USB信号，可以使USB的通信距离增加到几十千米。

Description

一种通过光纤传输USB信号的电路

                        技术领域

本实用新型涉及光纤通信接口电路，特别涉及一种通过光纤传输USB(通用串行总线)信号的电路。

                       背景技术

目前计算机的USB信号由于使用电缆传输，所以通信距离难以延长，一般不超过30米。目前的视频信号(比如监视器)的远传虽然是通过光纤的，但是其原理是把视频信号转换成为数字信号后通过光纤传输，然后再将数字信号转换为视频信号，再通过视频采集卡转换为计算机显示的图形，此方法复杂且成本高。

                       发明内容

本实用新型的目的为了克服现有电缆传输USB信号距离短和通过视频采集卡转换为计算机显示的图形方法复杂且成本高的缺点，而提供一种通过光纤传输USB信号的电路，该实用新型是用光纤通信，可以使USB的通信距离增加到几十千米。

本实用新型是通过以下技术方案来实现的：一种通过光纤传输USB信号的电路，包括USB信号检测电路(1)、双可控三态缓冲器(2)、逻辑电路、激光发射驱动电路(3)、激光接收电路(4)，其特征在于USB信号检测电路(1)输出端与一双可控三态缓冲器(2)输入端连接，并通过逻辑电路控制激光发射驱动电路(3)将DOR和RCV转换为三种激光强度为全亮、半亮、暗，激光接收电路(4)输出端与另一双可控三态缓冲器(2)输入端连接，并通过逻辑电路控制激光接收电路(4)将接收到的三种激光强度恢复为D+和D-的三种状态全亮、半亮、暗，双可控三态缓冲器(2)输出端与USB信号检测电路(1)的输入端连接，两个双可控三态缓冲器(2)之间用导线相连。

为了单稳电路的输出控制USB信号的“收/发”允许及单稳电路的延时时间为USB传输一帧数据的时间，在激光接收电路(4)输出端与两个双可控三态缓冲器(2)之间串联一单稳延时电路(5)。

本实用新型一种通过光纤传输USB信号的电路，成对使用，通过光的强度的三个等级(全亮、半亮、暗)分别代表USB数据线的三种状态，当光的强度为最低时(暗)代表USB数据线的闲置状态。先发送USB信号的一方由于其USB的数据状态先改变，其状态的改变通过光纤传输到对方电路的接收电路产生一个下降沿(或者上升沿)触发一个单稳电路，此单稳电路的输出控制USB信号的“收/发”允许。先发送USB信号的一方由于其USB的数据状态先改变，其状态的改变通过光纤传输到对方电路的接收电路产生一个下降沿(或者上升沿)触发一个单稳电路，此单稳电路的延时时间为USB传输一帧数据的时间。本实用新型用光纤传输USB信号，可以使USB的通信距离增加到几十千米。

比如目前数字摄象机都开始将USB作为标准配置，如果配置基于本实用新型的产品后，远传具有USB口的摄象机的视频信号可以直接送到计算机、且成本低。目前通过计算机的USB口连接的外设种类越来越多、比如显示器、鼠标、键盘等均可用基于本专利的产品用光纤延长。本专利的优点：通过USB信号幅度的变化控制USB信号的“收/发允许”来解决将双向传输的USB信号分开为发送和接收两部分，从而为将USB电信号转换为光信号提供了条件(光信号是必须分开为发送与接收的)。通过一个单稳延时电路来控制USB信号的“收/发允许”状态的自动恢复。而采用电信号延长USB的方法只有级连USB集线器、但是USB标准规定不得超过6个USB集线器、每个USB的传输距离最远5米，这样最远USB只能够传30米。

                     附图说明

图1为将USB信号(D+、D-)转换为光纤传输信号——激光的框图。

图2为将USB信号转换为便于光纤传输的电路图。

                    具体实施方式

图1为将USB信号(D+、D-)转换为光纤传输信号——激光的框图。USB信号检测电路(1)将D+和D-变换为“或”门输出DOR1和差分比较器输出RCV1。一双可控三态缓冲器(2)通过控制端EN来控制逻辑“通”与“端”。当EN＝“0”时，DOR＝DOR1、RCV＝RCV1。而当EN＝“1”时，DOR和RCV为高阻状态。激光发射驱动电路(3)将DOR和RCV转换为三种激光强度(亮、半亮、暗)。激光接收电路(4)将接收到的三种激光强度(亮、半亮、暗)恢复为D+和D-的三种状态。激光接收电路(4)的输出之一H的状态变化触发单稳延时电路(5)。单稳延时电路(5)的输出EN平时(即USB信号处于闲置状态时)为“0”，当其输入H有下降延(即由“1”变为“0”)时输出EN由“0”变为“1”并且保持为“1”大约1000us，然后恢复为“0”。另一双可控三态缓冲器(2)通过控制端EN来控制来控制逻辑“通”与“断”，当EN＝“1”时，VP＝H、VM＝L，而当EN＝“0”时输出VP、VM为高阻状态。

图2为将USB信号转换为便于光纤传输的电路图。假设USB为全速状态(12M)，此时D+通过大约1.5KΩ的电阻接+5V电源。平时USB信号处于闲置(Idle)状态，此时D+为“1”(高电平，大约3至5V)，D-为逻辑“0”(低电平，大约0至1.4V)。IC1为“或”门。IC2、IC4、IC5和IC6为可控三态缓冲器。其中，IC2和IC4是当其控制信号EN为“0”时导通的，而IC5和IC6是当其控制信号EN为“1”时导通的。由于IC2和IC4在不导通时(即EN为“1”时)输出为高阻状态，所以在IC2的输出端加了上拉电阻R1、在IC4的输出端加了上拉电阻R2。IC3、IC10和IC11是比较器。IC7是单稳触发电路由输入端(信号VP)下降沿触发，输出EN平时为“0”。当IC7的输入端出现一个下降沿时，其输出端将出现一个持续时间大约1000us的“1”状态，然后恢复为“0”。IC7的输出信号EN通过控制IC2、IC4、IC5和IC6来控D+、D-的“收/发”状态。由于EN平时为“0”，所以平时允许接收D+和D-(IC2、IC4导通)，而禁止发送信号到D+和D-上(IC5和IC6输出为高阻态)。IC8是一个复合逻辑电路，其输入、输出以及激光发射二极管的激光强度关系如表1：

                 表1

输入		输出
					RCV	DOR	A	B	光强
X	0	1	0	半亮
					0	1	1	1	全亮
1	1	0	0	暗

(表格中的X表示任意状态，即：1或者0均可)

IC8的输出A和B是具有足够电流驱动能力的电压，通过电阻R3和R4送给激光发射二极管IC12。激光发射二极管IC12的输出激光强度大致正比于输入电流。当A和B同时为“1”时，通过激光发射二极管的电流最大，所以此时激光强度状态称为“全亮”。当A为“1”、B为“0”时，电流只有大约一半，此时激光强度状态为“半亮”。当A为“0”、B为“0”时，电流为0，此时激光强度状态为“暗”。IC13为激光接收器。由于本专利描述的电路是需要成对使用的，即在相互通信的两个USB口各加一个USB转光纤的本电路，所以IC13激光接收器接对方电路的激光发射二极管的激光(通过光纤)。IC13接收激光，IC13的输出为与接收到的激光的强度大致成正比的电压。无接收激光时(即对方发射的激光强度为“暗”)，IC13的输出V0大约为0。由于比较器IC10、IC11的负端输入电压都大于0，所以IC10和IC11的输出的逻辑状态均为“0”，即H＝“0”且L＝“0”。当对方激光发射强度为“全亮”时，IC13的输出电压比V1和V2都大(V1、V2的值都可通过调节电阻R5、R6和R7的值得到)，所以IC10、IC11的输出的逻辑状态为H＝“1”且L＝“1”。当对方激光发射强度为“半亮”时，IC13的输出电压比V1大而比V2小(V1、V2的值都可通过调节电阻R5、R6和R7的值得到)，所以IC10、IC11的输出的逻辑状态为H＝“0”且L＝“1”。IC9是一个复合逻辑电路，其输入与输出以及接收激光强度的关系如表2。

                      表2

输入			输出
					光强	H	L	VP	VM
半亮	0	1	0	0
					全亮	1	1	0	1
暗	0	0	1	0

对于全速USB的信号，平时闲置状态(Idle)时D+为逻辑“1”、D-为逻辑“0”，所以IC1、IC2的输出为“1”，IC3、IC4的输出为“1”，这样根据表1可知输出激光强度为“暗”。当激光强度为“暗”时，根据表2传到对方电路的激光接收器并经过对方电路的IC9后的输出为VP＝“1”、VM＝“0”。一旦USB开始传输数据，则D+和D-的信号逻辑状态发生变化。全速USB的信号状态变化为：D+由“1”变成为“0”，D-由“0”变成为“1”。上位机的USB信号状态先出现变化，此时IC1和IC2的输出仍然为“1”，IC3和IC4的输出变成为“0”。根据表1，激光发射二极管将由“暗”变成为“全亮”。“全亮”的激光通过光纤传到对方电路(与本专利描述的一样)的激光接收管。根据表2，对方电路的VP由“1”变为“0”，VM由“0”变为“1”。对方电路的VP由“1”变为“0”就是说这个VP产生了一个下降沿，从而触发了对方电路的IC7，使IC7的输出EN由“0”变为“1”并且保持“1”大约1000us(然后又恢复为“0”)。对方电路的VM由“0”变为“1”从而使对方电路的USB信号由禁止发送(EN＝“0”)变为禁止接收(EN＝“1”)。此时对方电路的VP和VM可以通过对方电路的IC5和IC6传给对方电路的D+和D-，从而使上位机的USB信号在1 000us内通过光纤传到对方电路(即：下位机)的D+和D-线上。在这1000us内可以过光纤传输三种D+和D-状态：①、D+为“1”且D-为“0”(代表闲置状态以及数据“1”)②、D+为“0”且D-为“1”(代表数据“0”)③、D+为“0”且D-为“0”(代表数据传输结束标志)。这三种状态可以表达USB信号的所有状态(D+为“1”且D-为“1”的状态是禁止的)。前面已经描述了如何通过激光强度的“暗”代表状态①、“全亮”代表状态②。而状态③恰好是通过激光强度的“半亮”来表示，具体描述如下：当D+和D-处于状态③时，D+和D-都为“0”，IC1和IC2的输出为DOR＝“0”，根据表1，此时激光发射二极管的强度为“半亮”。“半亮”的激光传输到对方电路的激光接收管IC12并且经过对方电路的比较器IC10和IC11，输出为H＝“0”、L＝“1”。根据表2，对方电路IC9个输出为VP＝VM＝“0”。而在单稳电路输出为“1”的1000us内正好将这个状态③传输给对方电路的D+和D-(均为“0”)。在大约1000us的时间内，恰好上位机向下位机传输一帧USB数据完毕，并且等待下位机回传应答信号。1000us结束后，下位机的IC7的输出EN恢复为“0”，此时下位机的USB数据状态先变化。下位机的USB数据传输到上位机的过程与前面描述的上位机的USB数据传输到下位机的过程原理完全一样。

对于半速USB(1.5M)，闲置状态为D+为“0”且D-为“1”。开始传输数据时，D+由“0”变为“1”且D-由“1”变为“0”。同时由于传输一帧数据的时间增加了，所以单稳电路的延时时间要相应增加。IC8复合逻辑电路改为闲置状态时输出激光强度为“暗”(即：不发光)。USB大部分时间为闲置状态，此时激光发射二极管不发光，这样能够延长激光发射二极管的工作寿命，并且也节省功耗。USB数据传输结束的标志还是D+为“0”且D-为“0”。由于IC8复合逻辑电路的逻辑关系改变了，所以相应的IC9复合逻辑电路的逻辑关系也要改变，以便产生下降沿输出以及能够将D+和D-的状态在对方电路的D+和D-线上正确恢复。

对于高速USB(480M)，由于传输一帧数据的时间减少了，所以单稳电路的延时时间要相应减小。

Claims (2)

1、一种通过光纤传输USB信号的电路，包括USB信号检测电路(1)、双可控三态缓冲器(2)、逻辑电路、激光发射驱动电路(3)、激光接收电路(4)，其特征在于USB信号检测电路(1)输出端与一双可控三态缓冲器(2)输入端连接，并通过逻辑电路控制激光发射驱动电路(3)将DOR和RCV转换为三种激光强度，激光接收电路(4)输出端与另一双可控三态缓冲器(2)输入端连接，并通过逻辑电路控制激光接收电路(4)将接收到的三种激光强度恢复为D+和D-的三种状态，双可控三态缓冲器(2)输出端与USB信号检测电路(1)的输入端连接，两个双可控三态缓冲器(2)之间用导线相连。

2、根据权利要求1所述的光纤传输USB信号的电路，其特征在于在激光接收电路(4)输出端与两个双可控三态缓冲器(2)之间串联一单稳延时电路(5)。

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