过光纤传输USB信号的电路系统设计

摘要 通用串行总线（USB）是一种新兴的计算机外围通信接口标准，随着计算机技术和数字技术的迅猛发展，以及 USB 2.0、USB OTG的推出，USB技术的应用日益广泛。USB具有灵活、方便、应用范围广、通信稳定、成本低廉等优点，已成为当前计算机必备的接口。但是其单段电缆几米、多级串联几十米的传输距离，始终是限制其应用范围进一步拓展的巨大障碍。因此，远程 USB传输系统的开发具有重要意义。 由于 USB接口最大传输距离为5m ，即使经过 5级级联其最长传输距离也仅为 30m， 使得它不能应用于远程监控、 远程数据采集、 远程通信的场合中。 本文研究了采用现场可编程门阵列进行USB协议的解析， 实现 USB远程透明传输， 并对使用光纤实现 USB 设备的远距离连接所涉及的相关硬件技术进行设计和实验研究。 本文主要内容是提出了一种利用光纤实现 USB信号远距离透明传输的方案。 它支持 USB全速传输， 在本地的主机一侧和远端的设备一侧分别添加一个光收发端机，中间通过一对单模光纤进行连接。对系统调试和运行中出现的问题进行了分析，给出了解决问题和排除故障的方案。 文末还对高速远程 USB传输系统的设计提出了建议，并提出了后续工作的目标。 关键字：USB，USB信号，光纤传输，光纤通信， 课题研究背景和意义 ??? 光纤通信是近30年迅猛发展起来的高新技术，从一开始就显示出无以伦比的优越性，引起人们的极大兴趣和关注并得到了迅速的发展。自70年代以来，光纤通信技术不仅在电信等民用领域得到了广泛的应用，而且因其独特的频带极宽、通信容量大、衰减小等优点，使得光纤通信技术至今已发展为举世瞩目的、独立的新兴产业，给通信技术乃至国民经济、国防事业和人民生活带来了巨大的变革。 ??? 目前在高速公路、交通、电子警察、监控、安防、工业自动化、电力、海关、水利、银行等领域视频图像、音频、数据、以太网、电话等数字光纤通信系统开始普遍大量应用。数字光纤通信系统已经发展、应用了二十余年，在世界上广泛用于邮电通信网的局间中继线、长途干线、洲际线路(通过海地光缆)和用户环路，也用于铁道、电力、公安、军事等专用通信网。通信的主要业务内容是电话和数据(电报、传真、计算机数据等)。随着广播电视事业的发展，图像和电视的数字光纤传输正迅速进入人类社会生活的各个领域。 ?? USB在现实生活中有着广泛的应用,但今天通过普通的USB线缆传输USB信号的距离十分有限,一般不超过30米,极大地束缚了USB的应用范围.为了解决此问题,许多公司研制了各种USB延长控制器,但传输距离一般不超过几百米,而且抗干扰差.远程USB数据传输采用光纤传送,具有抗干扰性好,距离远等特点,能在一些干扰大、对电信号敏感的场合使用. 1.2课题的提出 USB 是一种新兴的计算机外围通信接口标准，近十年来，伴随着计算机和数字技术的迅猛发展，得到了越来越广泛的应用。USB 具有热插拔、即插即用、数据传输可靠、高带宽、扩展方便、成本低廉等优点，已成为当前计算机必备的接口，并广泛地应用于各种数码产品、计算机外设等，大有取代传统串口、并口的趋势。 USB 2.0的推出使 USB 总线的传输速率达到 480 Mb/s，使 USB 技术得以应用到高保真图像视频传输、大容量数据采集等场合，使 PC 机与这些日益尖端的外设之间有了高性能的连接方式。USB OTG（On-The-Go）使设备与设备之间也可以进行USB 通信，利用这一技术，我们可以将打印机和数码相机直接连接，省去了在 PC机上交换数据的过程，进一步扩展了 USB 的使用范围。 但是，USB也存在不可逾越的限制——传输距离。USB 将单段 USB 电缆的长度限制在几米，对通过集线器多级串联的层数限制在 7层，于是 USB 最远的传输距离也不过几十米。协议中对传输延时作出了严格规定，排除了进一步延长传输距离的可能。 实际上，进一步延长传输距离的要求是存在的。如果有了长距离的 USB 传输系统，就可以方便、经济地建立起远程控制系统、远程探测系统等实用平台。例如，利用 USB 摄像头、USB 麦克风建设小区楼宇电子门禁系统，就是一种非常经济实用的方案。 远程 USB 光纤传输系统的运用，大大降低了整个系统的开发成本和设计难度。但国内目前并没有实现 USB 远程传输的现成产品，因此，USB 光纤传输系统的自主研发是十分迫切的。 1.3论文主要内容 本论文以整个系统的数字电路部分的硬件设计及软件调试为主要研究对象，主要任务是设计整个系统的数字部分的逻辑以及协调整个系统的工作，以实现整个系统的功能。 第一章：简要概括了研究本课题的情况； 第二章：开始介绍了光纤通信的发展概况，接着阐述了光纤通信的特点以及光纤通信在现代社会中的应用，然后给出了典型的光纤通信系统的结构； 第三章：重点介绍了介绍 USB 结构体系和协议分析； 第四章：介绍本设计的系统结构及硬件电路设计方案； 第五章：控制模块 FPGA内核概述 第六章：总结。