USB远距离光传输系统设计

曾凡亮

(公诚管理咨询有限公司第三分公司广东东莞523000)

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1USB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

2.1USB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3CH317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488E111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5CH317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：HWCFGMODE[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688E1111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7PECL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]。

2.4USB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8GL850A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KeyboardTestUtility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.