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用光纤实现USB的远程通信的方案

波仕电子HTTP://WWW.BOSIKA.COM 版权所有 2009

  目前计算机的USB接口已经大量使用,一般每台计算机都有多个USB口。当USB的通信距离超过几十米后,采用电缆连接方案甚至无线方案都已经无法实现,目前只有光纤可以实现USB的远程通信。本文介绍的就是几种通过光纤实现USB的远程通信的方案。

  USB口已经成为了计算机最重要的外部接口,几乎可以代替所有外部接口。USB的规范规定USB的通信距离最多5米(用USB-HUB级连)。市场上还有一种用RJ-45线传输的USB远程延长器,据说可以到50米。更远的USB通信目前只能够用光纤实现:多模光纤最远4Km,单模光纤最远40Km。

  首先认识一下USB的通用性,也就理解了USB的重要性。按照用途的通用性对几种常用的外部接口进行排队:USB≥以太网口〉串口〉PS/2、打印口等。USB口可以方便地转换出以太网口、串口以及PS/2口、打印口、甚至音频、视频口等。反过来,串口以及PS/2口、打印口等无法生成USB口,因为USB的规范更加复杂。只有以太网口加上电源才可以生成USB口,并且需要专门的软件支持。当然计算机的内部总线接口通用性最好:台式机的PCI口、笔记本的PCMCIA口完全可以生成USB口,而且无须驱动程序。

  USB2.0以及USB1.0 的规范没有光纤接口。虽然将来的USB3.0可能会带有光纤接口,但是仔细研究USB3.0规范就知道USB3.0实际上是分为两个部分的:传统的USB2.0部分和延伸的特定USB3.0部分。只有延伸的特定USB3.0部分是可能会有光纤通信功能的,但是这部分并不兼容USB2.0。而USB2.0是完全兼容USB1.0的。

工业通信用的USB-串口光纤通信方案

  在一些工业通信的场合,由于数据量不大并且特别要求实时性,往往采用串行通信,通信协议为RS-232或者RS-485。工业计算机的USB口可以通过光纤以RS-232或者RS-485协议进行串行通信。这时可以选用USB/串口光纤转换器,波仕电子的典型产品是OPTU232L1(多模)和OPTU232SL1(单模),如图1。波仕电子发明和首创了USB/串口光纤转换器、同时也是世界上唯一的USB/串口光纤转换器,专利号200730098650。波仕电子的OPTU232L1和OPTU232SL1是最新一代USB光纤通信产品,直接从USB口转换出一对光纤收发头用于传输串口信号,而且无须供电。波仕OPTU232L1和OPTU232SL1微型USB/串口光纤转换器具有超小型的外形(74*23*47mm)、可以将USB口虚拟成为本地COM串口(COM1-COM256)、无须修改已有的串口通信软件。驱动程序同波仕USB232系列转换器,支持Windows XP/CE 、LINUX、Mac OS等。

图1

  由于OPTU232L1(或OPTU232SL1)传输的还是串口信号,所以必须成对使用或者与波仕的其他串口/光纤转换器配对使用。由于采用光纤作为通信传输介质,具有隔离高电压、防电磁干扰、传输距离远等优点。OPTU232SL1的传输介质为单模光纤、OPTU232L1的传输介质为多模光纤,但是外形和驱动程序是完全一样的。这种方案大大简化了USB口的光纤远程通信,图2为OPTU232L1与波仕的串口/光纤中继转换器组网通信图。两边的计算机都配置好USB/串口光纤转换器并且连接好后,用“串口调试助手”软件或者其他串口通信软件就可以传输数据和文件了。

图2

用以太网光纤实现的USB光纤通信方案

  以上的方案为两边都是计算机,都能够安装驱动程序。如果上面的应用中仅有一边为计算机,而另外一边为USB设备呢?由于USB设备不能够安装驱动程序,就必须采用其它的USB光纤通信方案。在常用的几种外部接口中,目前采用光纤传输技术比较成熟的是以太网。先通过光纤将以太网延长到远端,然后将远端的以太网转换成为USB口,这样就实现了USB的光纤远程通信。而现在的计算机都有以太网口,即使没有以太网口的情况下从USB口转换出一个以太网口也是很方便的。

  以太网光纤转换器分单模光纤和多模光纤两种产品,都能够把以太网信号从铜缆双绞线介质信号转换为光纤介质信号。支持IEEE802.3标准、可将 10BASE-T/100BASE-TX以太网双绞线信号转换成100Base- FX以太网光纤信号,产品提供一个双绞线RJ- 45接口和一个光纤接口(一般为SC头)。以太网单模光纤转换器可以最远传输40Km~60Km,以太网多模光纤转换器可以最远传输2~4Km。

  相对来讲,从以太网口转换出USB口是比较不通用的、非主流的技术。早期的类似产品称为USB打印服务器(USB PRINTER SERVER)。之所以称为USB打印服务器而不是USB服务器或者以太网/USB转换器是因为这些产品生成的USB口只能够支持USB打印机,甚至只支持某些品牌的某些型号的打印机。由于USB远程应用中许多都是打印机,所以这些产品今天仍然广泛应用。用电缆传输的以太网的最远距离为150米。现在USB口的应用已经越来越广泛,比如说,我们经常用U盘、USB摄像头等。幸运的是,USB网络服务器(也称为:以太网/USB转换器)技术和产品也在进步,我们对最新的一款NETWORKING USB SERVER(USB网络服务器)的产品(如图3)进行了测试,该产品支持USB存储盘、USB/串口转换器、USB摄像头等,当然也支持USB打印机,符合USB2.0协议,也可以接USB-HUB扩展USB口。这款产品的默认IP地址为169.254.10.10,注意计算机的以太网口地址段的前2位要一样。比如在产品的USB插座上外插U盘,配套的软件“Lanch Networking USB Server”(如图4)会显示已经连接U盘。打开计算机的“资源管理器”就可以读写这个U盘了。如果外插USB/串口转换器,配套软件还会提示安装转换器的驱动程序。

图3

图4

  最后将“USB网络服务器”接入以太网光纤收发器的远程以太网口,并且插上U盘,如图5。我们会发现这时软件“Lanch Networking USB Server”运行的结果与直接接入计算机的以太网口时是一样的,还是如图4。两个“以太网光纤收发器”之间连接的光纤可以最远到4Km(多模)或者60Km(单模)。这样就实现了USB的光纤远程通信。

图5

  USB的标准通信距离(最远5米)是USB标准的缺陷,遗憾的是,USB3.0虽然将传输速率的理论值从USB2.0的480Mb提高到了4800Mb,电缆从4芯增加到了9芯,而标准通信距离却从5米减少到了3米。也就是说,USB3.0只要通信距离超过3米,可能唯一有效解决的方法就是光纤。这可能也是为什么USB3.0规范中考虑到了光纤通信接口的原因。象现在市场上的一种用RJ-45线传输50米的USB延长器对USB3.0肯定是无效的,因为它是USB1.0的,它的基本原理是增加电源线以及信号线的电流强度。

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