摘要：当前，远程USB传输系统的研究开发具有重要意义。基于此，本研究设计提出了一种利用光纤传输技术实现USB信号远程传输的方案，得到了理想的光纤USB传输效果,为今后USB信号长距离传输进一步开发提供了参考。
关键词：光纤传输；USB技术；接收端
USB在电子产品的设计中有着非常广泛的使用。它具有支持设备的即插即用、热插拔、使用灵活等特点。但是由于其传输距离短的缺点,大大阻碍了远距离场所的广泛应用。随着USB技术这些年的快速发展, 我们有必要针对USB技术研发能使USB信号实现长距离传输的系统。
1.USB 信号的远距离光传输系统总体构架
系统的总体构架框图如图1 所示。整个系统分为发射端和接收端两部分。发射端通过USB 电缆与PC主机连接，接收端作为终端接口，提供4 个USB 用户接口。发射端和接收端之间通过单模光缆连接。PC 主机可以实现对终端设备的透明访问，终端接口允许设备热插拔并能自动识别插入设备类型[1]。
图1 USB 信号的远距离光传输系统总体构架
2.系统功能单元的划分和设计
本文按照系统的功能和信号传输要求，将设备划分为多个功能单元进行设计。包括USB 信号处理单元、千兆以太网信号处理单元、光电转换单元、USB 接口扩展单元以及电源供电单元。其中，USB 信号处理单元、千兆以太网信号处理单元、光电转换单元和电源供电单元在发射端和接收端可以通用，而USB 接口扩展单元只在接收端存在。各功能单元系统框图如图2 所示。
（a） 发射端
（b） 接收端
图2 系统功能单元框图
2.1 USB 信号处理单元设计
USB 信号处理单元主要完成的功能是将USB 信号转换为RGMII 接口信号。采用某公司的CH317 芯片， 外加少量外围电路即可实现所需功能。CH317 作为一款USB 延长器控制芯片， 支持高速、全速和低速USB 传输；支持USB 扩展；不需要额外安装软件； 兼容所有操作系统； 支持热插拔、即插即用。CH317 芯片原理框图如图3 所示。
图3 CH317 芯片原理框图
我们在进行设计时，应注意将发射端CH317 芯片USB 接口设置为上位机模式，接收端设置为下位机模式。具体实现方式为：芯片38 号管脚（MOD0）接地时，USB 接口工作在下位机模式；悬空时，工作在上位机模式[2]。
2.2 千兆以太网信号处理单元
千兆以太网信号处理单元主要是采用MARVELL公司的88E1111 芯片作为主芯片，将RGMII 信号转换为适合光传输的高速串行数据。88E1111 芯片应用示意框图如图4 所示。
图4 88E111 芯片应用示意图
88E1111 芯片工作在RGMII 信号转换为光纤信号模式下。信号接口可以与CH317 芯片的对应接口直接相连，连接示意如图5 所示。
图5 CH317 与88E1111 信号连接示意图
图5 中， TXC和RXC 分别为发送时钟和接收时钟，在其上升沿和下降沿均可传输数据。TX_CTL 和RX_CTL分别为发送和接收控制信号。TXD[0∶3]和RXD[0∶3]分别为发送数据和接收数据。
为保证88E1111 芯片正常工作，需要对芯片寄存器进行相应的配置来设定相应的工作模式。88E1111芯片支持软件配置和硬件配置两种方式。本次设计采用硬件配置方式，通过芯片的CONFIG 管脚与LED 管脚进行相应的连接来实现。针对设计要求并参照芯片资料，关键配置如下：HWCFG MODE[3∶0]管脚配置为“0011”，表示芯片工作在RGMII 接口到光纤接口转换模式；ANEG [3∶2]管脚配置为“10”，表示强制光纤接口工作在全双工模式。其配置连接示意图如图6所示。
图6 88E1111 芯片硬件配置连接示意图
2.3 光电转换单元光电转换单元
主要完成高速差分信号与光信号之间的互相转换。由于传输信号为1000Mb/s 的以太网信号， 因此选择1.25Gb/s 速率的光收发模块。该类型的光收发模块属于标准封装器件,一般有SFF 或SFP 两种封装形式，设计者可以根据自己的设计要求选择适合封装的产品。
本单元设计的重点是两种信号电平的转换和差分信号的布线。88E1111 芯片输出的信号电平为CML电平， 而光收发模块的信号电平为PECL 或LVPECL电平，两种信号之间存在一定的电平差异。因此，在进行互接时，需要对信号进行相应的匹配耦合，其信号互连方式如图7 所示。
图7 PECL 电平与CML 电平相互连接方式
图7 中，两种电平之间采用交流耦合方式，线路中间串接一个0.1μF 的隔直耦合电容。当芯片工作电压为3.3V 时，R1的阻值可在130~200Ω 范围内选取。由于PECL 电平的摆幅大于CML 电平，因此在线路上串接一个阻值为25Ω 左右的电阻，将PECL 电平的电压摆幅减小为原来的70%。另外，在进行电路板设计时， 该信号的布线需遵守高速差分信号布线规则，两根信号线尽量短且平行，并注意阻抗匹配[3]。
2.4 USB 接口扩展单元设计
本文采用GL850A 芯片作为USB 接口扩展单元的主芯片来实现USB 接口的扩展。GL850A 芯片是一款集线器芯片，适用于低功耗、体积小和高性能的应用场合，同时提供USB 端口扩展。GL850A 芯片内部原理如图8 所示。
图8 GL850A 芯片原理框图
GL850A 芯片具有独立工作和协同工作两种工作模式，供电方式也有两种模式可以选择，分别为总线供电方式和独立供电方式。在实际设计中，芯片配置为独立工作和总线供电模式[4]。主要的芯片管脚配置连接如下：
◇PSELF，该管脚用于配置芯片供电模式。外接大于100kΩ 的下拉电阻，使芯片工作在总线供电模式。
◇PGANG，该管脚用于选择芯片工作模式。外接大于100kΩ 的上拉电阻，使芯片工作在独立模式。
◇XTAL1 和XTAL2， 参考时钟输入管脚。外接12MHz 晶体振荡器，通过锁相环（PLL）为芯片提供稳定时钟。
2.5 电源供电单元设计
整个系统中，CH317 芯片需要提供的电压为DC3.3V 和DC1.8V；88E1111 芯片需要提供的电压为DC2.5V 和DC1.0V；GL850A 芯片和光收发模块需要提供的电压为DC3.3V。综合这几种电源需求，采用外部输入DC5.0V 电压， 在系统内部进行电压转换方式来解决电源供电问题。本次设计使用REG1117 三端稳压芯片来实现电压的转换。设备电源电压转换示意图如图9 所示。
图9 电压转换连接示意图
3.测试结果分析
按照上述设计方案制作的电路完成调试后，我们对其进行实际功能测试。近端机与远端机之间使用5km 光缆连接，用户接口插入鼠标、键盘和U 盘。移动鼠标、打开文件、编辑文档和U 盘读写等操作均能正常进行。使用Keyboard Test Utility 测试软件对键盘进行操作响应测试，每次键盘操作动作都能被测试软件识别。测试结果表明经过远距离光纤传输后的USB 信号正常，满足使用要求。
4.结束语
在上述设计方案中，远程USB光纤传输系统将USB技术与光纤技术相结合，扩展了USB技术的使用范围, 实现了USB 信号的远距离传输，解决了传统USB 电缆传输距离受限的问题，具有广阔的应用前景。
参考文献：
[1] 章玉杰. 基于FPGA的USB长距离光纤 传输装置的研究与设计[D]. 华中科技大学, 2015.
[2] 孟翔鹭, 李新碗, 卢加林,等. 远程USB光纤传输系统远端设备工作性能分析[C]// 上海市通信学会学术年会. 2005.
[3] 王敏帅, 王艳军. 远程USB信号光纤传输的应用研究[J]. 科技信息, 2013(14):297-298.
[4] 李晓斌, 赵浪涛, 曹军,等. 一种实现USB远距离传输的方案分析[J]. 电子技术与软件工程, 2015(6):119-119.
论文作者:曾凡亮
论文发表刊物:《电力设备》2018年第17期
论文发表时间:2018/11/11
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