通用串行总线全速/低速单端信号0的传输方法和装置

摘要

本发明公开了一种通用串行总线全速/低速单端信号0的传输方法和装置，要解决的技术问题是实现通用串行总线长距离传输，而不必设备共地。本发明的传输方法包括以下步骤：发送端检测到单端信号0时，将其转换为适于差分传输的标记信号，与其余数据合成后进行差分传输，接收端收到差分信号时，将标记信号恢复为通用串行总线单端信号0。该装置的通用串行总线接口芯片连接发送接收端，两发送接收端之间连接双绞线。与现有技术相比，本发明将全速/低速通用串行总线的单端信号0变换成差分信号进行传输，延长通用串行总线的传输距离，通用串行总线设备之间不必共地，降低了单位长度电缆的成本。

权利要求

1.一种通用串行总线全速/低速单端信号0的传输方法，包括以下步骤：一、发送端实时检测通用串行总线通信数据中的单端信号0；二、发送端检测到单端信号0时，将单端信号0转换为适于差分传输的标记信号，将该标记信号与其余数据合成后的信号进行差分传输，所述标记信号为频率12MHz的方波信号；三、接收端收到合成后的差分信号时，将信号中的标记信号恢复为通用串行总线全速/低速单端信号0；

所述接收端将信号中的标记信号恢复为通用串行总线全速/低速单端信号0复原后，发送给主机(HOST)或设备(DEVICE)；

所述发送端没有检测到单端信号0时，则直接将数据进行差分传输；

所述频率信号由频率发生器产生的固定频率；频率信号由鉴频器恢复为通用串行总线全速/低速单端信号0；

所述差分传输采用一组双绞线传输；

所述通用串行总线全速/低速单端信号0的传输方法，采用以下装置实现：

一种通用串行总线全速/低速单端信号0的传输装置，具有与通用串行总线电缆连接的通用串行总线接口芯片，所述通用串行总线接口芯片连接有通用串行总线全速/低速数据的发送接收端，两发送接收端之间连接有双绞线；所述发送接收端的发送部分包括顺序连接的单端信号0检测器、频率发生器或电压调幅器、差分信号发送器，发送接收端的接收部分包括顺序连接的差分信号接收器、鉴频器或电压比较器、单端信号0生成器；

所述通用串行总线接口芯片采用ISP1105，负责通用串行总线数据的接收和发送；单端信号0检测器/生成器、鉴频器、频率发生器及总线状态管理电路全部在可编程逻辑器件中实现，可编程逻辑器件采用XC9536；双绞线差分信号驱动器采用EL5171，负责差分信号在双绞线上的传输；双绞线差分信号接收器采用EL5172，负责接收双绞线上的差分数据，然后经电压调整芯片LT1016调整，将差分数据变换成可编程逻辑器件可以处理的电平信号。

说明书

通用串行总线全速/低速单端信号0的传输方法和装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种通用串行总线的信号传输方法和装置，特别是一种单端信号0的传输方法和装置。

背景技术

[0002] 通用串行总线Universal Serial Bus是由IBM、Intel及Microsoft等多家公司共同开发的外设连接技术，这一技术解决了串行设备和并行设备的连接复杂性，大大简化计算机与外设的连接过程，同时连接设备可以达到127个。它安装简单，支持即插即用、热插拔、多设备并联，可提供较大的带宽，同时耗电量较低。通用串行总线电缆由4条线组成：电源(Vbus)、电源地(GND)，数据+(D+)、数据-(D-)，其中D+/D-用于数据传输，包括差分信号及单端信号。由于D+/D-上有单端信号，为了保证信号的正确传输，通用串行总线上的设备必须共地，并且通用串行总线的电缆长度也被限制在几米内，无法满足长距离，如超过20米的传输。

[0003] 发明目的

[0004] 本发明的目的是提供一种通用串行总线全速/低速单端信号0的传输方法和装置，要解决的技术问题是实现通用串行总线长距离传输，而不必设备共地。

[0005] 本发明采用以下技术方案：一种通用串行总线全速/低速单端信号0的传输方法，包括以下步骤：一、发送端实时检测通用串行总线通信数据中的单端信号0；二、发送端检测到单端信号0时，将单端信号0转换为适于差分传输的标记信号，将该标记信号与其余数据合成后的信号进行差分传输；三、接收端收到合成后的差分信号时，将信号中的标记信号恢复为通用串行总线全速/低速单端信号0。

[0006] 本发明的接收端将信号中的标记信号恢复为通用串行总线全速/低速单端信号0复原后，发送给主机HOST或设备DEVICE。

[0007] 本发明的发送端没有检测到单端信号0时，则直接将数据进行差分传输。

[0008] 本发明的标记信号为频率信号或电压信号。

[0009] 本发明的频率信号由频率发生器产生的固定频率；频率信号由鉴频器恢复为通用串行总线全速/低速单端信号0。

[0010] 本发明固定频率信号的频率范围为6.1MHz至128MHz的方波信号。

[0011] 本发明的电压信号由电压调幅器产生的固定电压摆幅；电压信号由电压比较器恢复为通用串行总线全速/低速单端信号0。

[0012] 本发明电压信号的固定电压摆幅范围为2V至15V。

[0013] 本发明的差分传输采用一组双绞线传输。

[0014] 一种通用串行总线全速/低速单端信号0的传输装置，具有与通用串行总线电缆连接的通用串行总线接口芯片，所述通用串行总线接口芯片连接有通用串行总线全速/低速数据的发送接收端，两发送接收端之间连接有双绞线；所述发送接收端的发送部分包括顺序连接的单端信号0检测器、频率发生器或电压调幅器、差分信号发送器，发送接收端的接收部分包括顺序连接的差分信号接收器、鉴频器或电压比较器、单端信号0生成器。

[0015] 本发明与现有技术相比，本发明将全速/低速通用串行总线的单端信号0变换成差分信号进行传输，可以延长通用串行总线的传输距离，通用串行总线设备之间不必共地，同时将通用串行总线的电缆由四条线减少为两条线，降低了单位长度电缆的成本。

附图说明

[0016] 图1是通用串行总线全速/低速差分数据信号和单端信号0波形图。

[0017] 图2是本发明实施例的频率标记法流程框图。

[0018] 图3是本发明实施例的频率标记法电路框图。

[0019] 图4是本发明实施例的电压标记法流程框图。

[0020] 图5是本发明实施例的电压标记法电路框图。

[0021] 图6是本发明实施例的频率标记将单端信号0转换后的波形图。

[0022] 图7是本发明实施例的电压标记将单端信号0转换后的波形图。

[0023] 图8是本发明实施例的装置结构框图。

具体实施方式

[0024] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

[0025] 本发明的构思：根据通用串行总线全速/低速数据的特征，发送端实时检测通用串行总线通信数据中的单端信号0，若检测到单端信号0，则将单端信号0转换为可以差分传输的标记信号，标记信号为特定的频率信号或电压信号，该信号的特征与正常数据信号有显著的区别，然后用该信号取代原数据流中的单端信号0，将合成后的信号进行差分传输。若无单端信号，则直接将数据进行差分传输。

[0026] 接收端收到合成后的信号时，将信号中的标记信号，即特定频率信号或电压信号采用鉴频或电压比较的方式，将标记信号恢复为通用串行总线全速/低速单端信号0，然后将复原后的信号发送给主机(HOST)或设备(DEVICE)。由于通用串行总线是半双工的，所以在双绞线的两端分别配置一对发送和接收模块，配合总线状态管理就可完整地实现本发明构思。

[0027] 如图1所示，通用串行总线全速/低速信号既有差分数据信号又有单端信号0。

[0028] 通用串行总线是半双工双向总线，为实现长距离传输，本发明的方法在数据发送端将通用串行总线全速/低速单端信号0转为可差分传输的标记信号，该标记信号为频率信号或电压信号，并能区别于原有差分数据信号，利用差分传输进行长距离传输后，在接收端再将标记信号恢复为通用串行总线全速/低速单端信号0，并与数据信号合并复原为通用串行总线信号。

[0029] 如图2所示，采用频率标记的方法时，数据发送包括以下步骤：1、当通用串行总线电缆上有发送数据时，通用串行总线物理接口芯片将标准的通用串行总线数据转换为晶体管-晶体管逻辑TTL(Transister-Transister-Logic)电平的数据；2、单端信号0检测器检测数据中是否有通用串行总线全速/低速单端数据0，若没有通用串行总线全速/低速单端数据0，则数据直接被送到差分信号发送器，将数据变换为差分数据在双绞线上进行传输；3、若单端信号0检测器检测到通用串行总线全速/低速单端信号0，则频率发生器产生一个特定频率的方波信号，其频率范围在6.1MHz至128MHz之间，通用串行总线中数据的特征频率低于该频率，接收电路中鉴频器可将该特定频率的信号检出，然后用该特定频率的方波信号替代原信号中的全速/低速单端信号0，新生成的数据被送到差分信号发送器，将数据变换为差分数据在双绞线上进行传输。

[0030] 作为最佳实施例，本发明以12MHZ的方波信号作为标记来替换通用串行总线全速/低速单端信号0，可以以最优的成本实现较长距离的通用串行总线数据传输。

[0031] 数据接收包括以下步骤：1、当双绞线上有差分数据时，经差分信号接收器接收，将差分数据转换为TTL电平的数据；2、若鉴频器没有检测到数据中的“单端信号0”标记，即6.1MHz至128MHz的某个特定频率的方波信号，则数据直通到通用串行总线物理接口芯片，经通用串行总线物理接口芯片转换成标准的通用串行总线数据发送到通用串行总线电缆上；3、若鉴频器检测到数据中有“单端信号0”标记，即6.1MHz至128MHz的某个特定频率的方波信号，则鉴频器将该信号检出，把该信号还原成通用串行总线全速/低速单端信号0，经通用串行总线物理接口芯片转换成标准的通用串行总线数据发送到通用串行总线电缆上。

[0032] 如图4所示，采用电压标记方法时，数据发送包括以下步骤：1、当通用串行总线电缆上有发送数据时，通用串行总线物理接口芯片将标准的通用串行总线数据转换为TTL电平的数据；2、单端信号0检测器检测数据中是否有通用串行总线全速/低速单端数据0，若没有通用串行总线全速/低速单端数据0，则数据直接被送到差分信号发送器，将数据变换为差分数据在双绞线上进行传输；3、若单端信号0检测器检测到通用串行总线全速/低速单端信号0，则电压调幅器产生一个电压调幅信号对差分信号发送器进行输出摆幅调整，即生成标记，将差分信号发送器的输出摆幅从传送正常数据信号的电平，如1.5V的电压摆幅调整到一个特定的电压摆幅，如3.3V，高于设定的正常数据传输时的电压摆幅，以确保接收电路中电压比较器可将该特定电压摆幅的信号检出，然后在双绞线上进行传输。作为最佳实施例，电压摆幅的范围为2V至15V。

[0033] 数据接收包括以下步骤：1、当双绞线上有差分数据时，经差分信号接收器接收，再经过电压比较器将模拟信号转换为TTL电平的数据，并同时将“单端信号0”标记，即2V至15V的某个特定电压摆幅信号捡出；2、若数据中没有“单端信号0”标记，则数据直通到通用串行总线物理接口芯片，经通用串行总线物理接口芯片转换成标准的通用串行总线数据发送到通用串行总线电缆上；3、若数据中有“单端信号0”标记，则电压比较器将该信号检出，把该信号还原成通用串行总线全速/低速单端信号0，经通用串行总线物理接口芯片转换成标准的通用串行总线数据发送到通用串行总线电缆上。

[0034] 如图3所示，作为最佳实施例，频率标记法电路中，通用串行总线物理接口芯片采用ISP1105，负责通用串行总线数据的接收和发送。单端信号0检测器/生成器、鉴频器、频率发生器及总线状态管理电路全部在可编程逻辑器件中实现，可编程逻辑器件采用XC9536。双绞线差分信号驱动器采用EL5171，负责差分信号在双绞线上的传输。双绞线差分信号接收器采用EL5172，负责接收双绞线上的差分数据，然后经电压调整芯片LT1016调整，将差分数据变换成可编程逻辑器件可以处理的电平信号。

[0035] 数据发送工作过程，1、当通用串行总线上的主机(HOST)向设备(DEVICE)发送数据时，ISP1105将D+/D-信号线上的差分数据转换成TTL电平，由其RCV引脚输出进入到可编程逻辑器件，同时D+/D-上的单端信号状态由VP和VM引脚输出，进入XC9536的单端信号0检测器，进行单端信号0的检测。2、XC9536中的单端信号0检测器检测ISP1105输入的信号，若信号中无通用串行总线全速/低速单端信号0，则ISP1105RCV引脚上的数据直接被发送到EL5171，将数据转换成可以在双绞线上传输的差分数据，然后驱动双绞线输出。3、如果XC9536中的单端信号0检测器通过VP/VM输入的信号检测到单端信号0，则触发频率发生器产生一个12MHz的方波信号，用该信号取代RCV数据中的单端信号0，合成后的数据送到EL5171，如图6所示，转换成差分信号，驱动双绞线进行输出。

[0036] 数据接收工作过程，1、当设备(DEVICE)向主机(HOST)发送数据时，双绞线上的差分数据由双绞线差分信号接收器EL5172接收，经LT1016进行电压调整，将接收到的数据转换为可编程逻辑器件XC9536可以处理的电平。2、XC9536中的鉴频器对输入的信号进行检测，若输入数据中无12MHz方波信号所表示的单端信号0，则数据直接被送到ISP1105的VPO引脚，经ISP1105转换，将数据转换成符合通用串行总线标准的差分信号，传送给主机(HOST)。3、如果XC9536中的鉴频器的输入信号中有12MHz方波信号所表示的单端信号0，则鉴频器将12MHz的方波信号捡出，同时触发单端信号0生成器，将输入信号中12MHz的方波信号转换为低电平信号，转换后的信号输入到ISP1105的VPO引脚，同时控制ISP1105的FSO引脚，以产生符合通用串行总线的差分数据信号及单端信号0，然后通过通用串行总线电缆传送给主机(HOST)。

[0037] 由于通用串行总线是半双工工作的，本发明在可编程逻辑器件XC9536中设计有总线状态管理电路，以保证数据的发送和接收可以正确完成，而不会导致数据冲突。

[0038] 如图5所示，作为最佳实施例，电压标记法电路中，通用串行总线物理接口芯片采用ISP1105，负责通用串行总线数据的接收和发送。单端信号0检测器/生成器、电压判断、电压调幅器及总线状态管理电路全部在可编程逻辑器件中实现，可编程逻辑器件采用XC9536。双绞线差分信号驱动器采用EL5171，负责差分信号在双绞线上的传输。双绞线差分信号接收器采用EL5172，负责接收双绞线上的差分数据，然后经LT1016进行电压调整，将差分数据变换成可编程逻辑器件可以处理的电平信号。

[0039] 数据发送工作过程，1、当通用串行总线上的主机(HOST)向设备(DEVICE)发送数据时，ISP1105将D+/D-线上的差分数据转换成TTL电平，由RCV引脚输出进入到可编程逻辑器件，同时D+/D-的单端信号状态由VP/VM引脚输出，进入XC9536的单端信号0检测器，进行单端信号0的检测。2、XC9536中的单端信号0检测器检测ISP1105输入的信号，若信号中无通用串行总线全速/低速单端信号0，则ISP1105RCV引脚上的数据直接由Data引脚发出，设定电阻R1和R2的比值并保持SEO引脚被置为悬空，使EL5171的输入端电压当数据1时为1.1V，数据0时，电压为0V。经EL5171，将数据转换成可以在双绞线上传输的差分数据，然后驱动双绞线输出。3、如果XC9536中的单端信号0检测器通过VP/VM输入的信号检测到单端信号0，则触发电压调幅器由SE0端输出2.2V的电压信号，并将Data引脚置为悬空，从而产生一个有别与正常数据的电压信号送到EL5171，如图7所示，转换成差分信号，驱动双绞线进行输出。

[0040] 数据接收工作过程，1、当设备(DEVICE)向主机(HOST)发送数据时，双绞线上的差分数据由双绞线差分信号接收器EL5172接收，经两个LT1016组成的电平转换和窗口比较电路，将接收到的数据转换为可编程逻辑器件XC9536可以处理的逻辑电平和生成差分输入电压摆幅指示送到XC9536的电压判断电路。2、XC9536中的电压判断电路对输入的信号进行检测，若输入信号中无高于正常数据信号电压所表示的单端信号0，则数据直接被送到ISP1105的VPO引脚，经ISP1105转换，将数据转换成符合通用串行总线标准的差分信号，传送给主机(HOST)。3、如果XC9536中的电压判断电路检测出输入信号中有高于正常数据信号电压所表示的单端信号0，则电压判断电路将该信号捡出，同时触发单端信号0生成器，生成一个低电平信号输入到ISP1105的VPO引脚，同时控制ISP1105的FSO引脚，以产生符合通用串行总线的差分数据信号及单端信号0，然后通过通用串行总线电缆传送给主机(HOST)。

[0041] 由于通用串行总线是半双工工作的，本发明在可编程逻辑器件XC9536中设计有总线状态管理电路，以保证数据的发送和接收可以正确完成，而不会导致数据冲突。

[0042] 如图8所示，本发明的通用串行总线全速/低速单端信号0的传输装置包括一对发送接收端，两发送接收端之间连接有双绞线，所述发送接收端的发送部分包括顺序连接的单端信号0检测器、频率发生器或电压调幅器、差分信号发送器，发送接收端的接收部分包括顺序连接的差分信号接收器、鉴频器或电压比较器、单端信号0生成器。通用串行总线全速/低速单端信号0的传输装置的两端分别通过通用串行总线连接主机(HOST)和设备(DEVICE)。

[0043] 本发明的方法由于差分信号可以利用双绞线长距离传输，在20米以上，并且常用的差分信号接收芯片都有很高的共模抑制比，所以接收端和发送端之间也不必共地，从而有效地解决了通用串行总线传输距离短及设备必须共地的问题，同时将通用串行总线电缆中的四条线减少为两条线，降低了传输电缆的单位长度成本。