一種高效可靠的USB信號遠距傳輸裝置的製作方法

2023-07-31 11:47:16 1

本實用新型涉及傳輸裝置，尤其涉及一種高效可靠的USB信號遠距傳輸裝置。

背景技術：

近年來，USB應用技術發展迅猛，其技術優勢日益凸顯，支持USB協議的設備得到了越來越廣泛的使用。同時，在實際應用中，主機與USB設備之間需要遠距通訊的情況也日益增多。而USB設備跟主機間的穩定通訊距離由於延長線的限制，通常只能在一個較短的範圍內保持通訊穩定。如果只延長USB數據傳輸線的長度，則容易出現因信號被幹擾以及數據丟失造成傳輸失敗的情況。

技術實現要素：

為了解決現有技術中的問題，本實用新型提供了一種高效可靠的USB信號遠距傳輸裝置。

本實用新型提供了一種高效可靠的USB信號遠距傳輸裝置，包括Source端USB接口、USB信號還原模塊和Sink端USB接口，其中，所述Source端USB接口與所述USB信號還原模塊通過數據傳輸線連接，所述USB信號還原模塊與所述Sink端USB接口通過數據傳輸線連接。

作為本實用新型的進一步改進，所述Source端USB接口連接有計算機本地終端，所述Sink端USB接口連接有遠程USB設備。

作為本實用新型的進一步改進，所述Source端USB接口為標準A型公頭，所述Sink端USB接口為標準B型公頭。

作為本實用新型的進一步改進，所述USB信號還原模塊外部設有金屬屏蔽外殼。

作為本實用新型的進一步改進，所述USB信號還原模塊由電源電路、重定時器還原電路、輸入和輸出接口電路組成，所述重定時器還原電路分別與所述電源電路、輸入和輸出接口電路連接。

作為本實用新型的進一步改進，所述USB信號還原模塊包括主晶片，所述主晶片包括選路開關、連接下遊設置的數據線和連接上遊設備的數據線，所述連接下遊設置的數據線連接有下遊物理層，所述連接上遊設備的數據線連接有上遊物理層，所述下遊物理層、上遊物理分別與所述選路開關連接，所述選路開關連接有數據恢復&彈性緩存區模塊，所述數據恢復&彈性緩存區模塊連接有上遊埠控制器，所述數據恢復&彈性緩存區模塊的輸出端連接有串口引擎，所述串口引擎的輸出端連接有數據發送器，所述數據發送器的輸出端與所述選路開關連接，所述串口引擎連接有事物轉換速度管理模塊，所述事物轉換速度管理模塊分別連接有下遊埠控制器和事物轉換公共緩存區。

本實用新型的有益效果是：通過上述方案，實現了高效可靠的USB信號遠距傳輸。

附圖說明

圖1為本實用新型一種高效可靠的USB信號遠距傳輸裝置的示意圖。

圖2為本實用新型一種高效可靠的USB信號遠距傳輸裝置的USB信號還原模塊主晶片功能框圖。

圖3為本實用新型一種高效可靠的USB信號遠距傳輸裝置的USB信號還原模塊的輸入、輸出接口電路原理圖。

圖4為本實用新型一種高效可靠的USB信號遠距傳輸裝置的USB信號還原模塊的電源電路原理圖。

圖5為本實用新型一種高效可靠的USB信號遠距傳輸裝置的重定時器還原電路原理圖。

具體實施方式

下面結合附圖說明及具體實施方式對本實用新型進一步說明。

如圖1所示，一種高效可靠的USB信號遠距傳輸裝置，包括Source端USB接口101、USB信號還原模塊102和Sink端USB接口103，其中，所述Source端USB接口101與所述USB信號還原模塊102通過數據傳輸線連接，所述USB信號還原模塊102與所述Sink端USB接口103通過數據傳輸線連接。

如圖1所示，所述Source端USB接口101連接有計算機本地終端104，所述Sink端USB接口103連接有遠程USB設備105。

所述Source端USB接口101為標準A型公頭，所述Sink端USB接口103為標準B型公頭。

所述USB信號還原模塊102外部設有金屬屏蔽外殼。

所述USB信號還原模塊102由電源電路、重定時器還原電路、輸入和輸出接口電路組成，所述重定時器還原電路分別與所述電源電路、輸入和輸出接口電路連接。

所述USB信號還原模塊102中的電源主要利用低壓差線性穩壓器。

所述USB信號還原模塊102使用重定時器技術進行信號還原。

所述USB信號還原模塊102的設置數量由所述傳輸裝置的具體傳輸距離確定，傳輸距離十米以內、十到二十米和二十到三十米的裝置分別接入1個、2個和3個還原模塊。

參見圖2，圖2為USB信號還原模塊102的主晶片功能框圖。其中，數據恢復和彈性緩存區模塊為整個晶片的核心，其執行具體的信號重生還原過程。如圖所示，連接上遊設備的數據線1及連接下遊設備的數據線2分別與晶片的上遊物理層3和下遊物理層4相連接，晶片的上遊物理層3和下遊物理層4都與選路開關5連接，選路開關5與數據恢復&彈性緩存區模塊6相連接，數據恢復&彈性緩存區模塊6與串口引擎7以及上遊埠控制器12相連接，串口引擎7分別與數據發送器8及事物轉換速度管理模塊9相連接、數據發送器8與選路開關5相連接、事物轉換速度管理模塊9又分別與事物轉換公共緩存區10及下遊埠控制器11相連接。以USB信號從上遊的計算機本地終端傳輸到下遊的USB遠程設備過程為例說明，USB的差分信號「D+」和「D-」通過連接上遊設備的數據線首先傳輸到晶片的上遊物理層，隨後通過選路開關進入晶片核心的數據恢復&彈性緩存區模塊來進行重定時器信號還原。在其進行重定時器時，首先對符合USB2.0協議的差分對輸入信號進行解碼，解碼後得到8位並行的TTL和時鐘信號，並依據此信號重新生成新的8位TTL和時鐘信號。重新生成的信號消除了原有信號中存在的噪聲和抖動等消極成分，因而重新獲得最真實的信號特徵，隨後再通過編碼以重新得到符合USB2.0協議的差分對串行輸出信號。該信號通過串行接口引擎轉換成8位並行數據後傳輸給了晶片的事件轉換速度管理模塊，事件轉換速度管理模塊可以使USB數據以三種不同的速度傳輸至下遊設備，其首先通過一個端點獲得下遊USB設備的特徵信息，隨後根據所得到的信息判斷出下遊的USB設備的設備類型，並根據設備類型來決定具體採取「Low-Speed（1.5Mb/s）」、「Full-Speed（12Mb/s）」或者「High-Speed（480Mb/s）」中的哪種傳輸模式。確定傳輸模式後，事物轉換器公共緩存區為數據包傳輸提供相應的緩存空間。隨後，串行接口引擎又將緩存區中的8位並行數據包按照USB協議的相關要求轉化成串行數據後經由數據發送器、選路開關及下遊物理層傳輸給面向下遊設備的數據線。

參見圖3，圖3為USB信號還原模塊102的輸入和輸出接口電路原理圖，由於USB接口支持熱拔插，屬於帶點操作，很容易產生靜電，因此在USB信號還原模塊的輸入、輸出接口電路中各使用了一塊CM1213-04ST型的ESD防護晶片用來保護USB信號還原模塊上的主要器件不被瞬間的大浪湧損毀。CM1213-04ST晶片的引腳1和引腳6懸空，引腳2和引腳5分別接地和+5V電源電壓輸入，輸入接口電路的CM1213-04ST晶片引腳3和引腳4分別接面向上遊設備的差分對信號「D-」和「D+」，晶片引腳3和引腳4分別接面向下遊設備的差分對信號「DM4」和「DP4」。

參見圖4，圖4為USB信號還原模塊102的電源電路原理圖，該電源電路以低壓差線性穩壓器MPM3804作為核心來實現。圖中，「VIN」引腳為晶片的電源電壓輸入引腳，接計算機本地終端的+5V輸出電壓，同時並聯接10μF/10V的去偶電容C19到地，用以防止輸入端出現瞬態大尖峰電壓燒壞電路的情況發生。「OUT」為晶片輸出引腳，輸出電壓經過容值為10μF 的輸出濾波電容C14濾波後，得以為重定時器晶片內核提供穩定的DC+1.8V供能。「FB」為輸出信號反饋引腳，其引入的電壓信號通過輸出電壓經由R15和R14分壓以獲得，R15和R14的阻值分別為200KΩ和100KΩ，「EN」為+3.3V電壓輸入使能引腳，其通過一個100KΩ的電阻接+3.3V_U。

參見圖5，圖5為重定時器還原電路原理圖。其中，XIN和XOUT為外部晶振信號引腳，分別接12MHz外部晶振的正負極以為晶片提供穩定可靠的時鐘信號。「VD_PLL」和「VS_PLL」分別接+1.8V輸入電壓和地來為鎖相環電路供電。「REXT」通過一個2.7KΩ電阻R13連接到模擬地端「VS_A」來提供內部偏置參考。「VBUSM」為上遊埠監視器的電壓輸入引腳，其電壓通過100KΩ的電阻R4和1.5MΩ電阻R6對+5V輸入電壓VCC進行分壓以獲得。由於本方案使用了內部復位電路和內部5V轉3.3V的穩壓電路，因而外部復位腳「XRSTJ」直接接穩定的+3.3V，內置穩壓器禁用引腳「DIS_REG」接地。「TEST」為測試模式引腳，通常接地。「DPU」和「DMU」分別為面向上遊設備接口的差分信號的輸入輸出引腳，接面向上遊設備的差分對信號傳輸線。「DM4」和「DP4」分別為面向下遊設備接口的差分信號「D-」和「D+」的輸入輸出引腳，接面向下遊設備的差分對信號傳輸線。當信號傳輸方向為計算機本地終端至遠程設備時，差分對信號從「DPU」和「DMU」進入晶片內部個模塊進行處理後經「DM4」和「DP4」輸出給下遊遠程設備。

所述數據傳輸線內部的兩根電源線都採用AWG20#標準導線，兩根信號線都採用AWG28#標準導線。所述數據傳輸線除了按USB2.0規格要求設置地網屏蔽層外，還設置了整體包裹的鋁箔屏蔽層用以加強幹擾屏蔽。

為了將在所述數據傳輸線上傳輸的信號受到的幹擾量降至最低，本方案除了按USB2.0規格要求設置地網屏蔽層外，還設置了整體包裹的鋁箔屏蔽層用以加強幹擾屏蔽，從而使信號傳輸更加穩定。另外，為增強數據傳輸線與重定時器還原模塊間的連接牢固度，提高本裝置的耐彎折能力，本方案還採用了使用XX膠將還原模塊PCB和數據線接口處整體包裹固定的工藝。

本實用新型公開了一種高效可靠的USB信號遠距傳輸裝置，為計算機本地終端與USB遠程設備之間提供高效穩定的遠距USB信號傳輸途徑。該裝置通過重定時器信號還原電路對USB信號依次進行串並解碼、數據再生、並串編碼，以去除原信號中的抖動、噪聲等不良成分，從而使USB信號的傳輸距離變得更遠。本實用新型的主要優點在於解決了USB信號在遠距離傳輸過程中容易發生因信號衰減和環境幹擾導致傳輸失敗的弊端，為USB信號遠距離傳輸提供了一種高效可靠的方法和裝置，其最遠的穩定傳輸距離可達30米。

以上內容是結合具體的優選實施方式對本實用新型所作的進一步詳細說明，不能認定本實用新型的具體實施只局限於這些說明。對於本實用新型所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬於本實用新型的保護範圍。