一种基于FPGA的USB远程传输系统及方法技术方案

本发明专利技术特别涉及一种基于FPGA的USB远程传输系统及方法。该基于FPGA的USB远程传输系统及方法，包括结构相同的发送端和接收端，所述发送端和接收端分别连接USB信号，并通过光纤通信技术实现数据远程传输；所述发送端和接收端分别包括FPGA主控芯片，光模块，编/解码器PHY和USB选择器，USB信号通过USB HUB连接到编/解码器PHY，编/解码器PHY通过FPGA主控芯片连接到光模块；所述发送端和接收端的光模块之间通过光纤信号相连通。该基于FPGA的USB远程传输系统及方法，解决了现有技术中USB信号线缆传输距离短、衰减大，且供电能力不足的技术问题，最大限度地提高了FPGA内部逻辑资源利用率，提高了数据传输速度，进而实现了更远距离的USB信号传输。

A USB Remote Transmission System and Method Based on FPGA

The invention particularly relates to a USB remote transmission system and method based on FPGA. The system and method of USB remote transmission based on FPGA include the same structure of sending end and receiving end. The sending end and receiving end are connected with USB signal respectively, and the data is transmitted remotely through optical fiber communication technology. The sending end and receiving end include the main control chip of the FPGA, optical module, codec/decoder PHY and USB selector respectively, and the USB signal is connected to the codec/decoder P through USB HUB. HY, the codec/decoder PHY is connected to the optical module through the main control chip of the FPGA, and the optical module at the sending end and the receiving end is connected by the optical fiber signal. This USB remote transmission system and method based on FPGA solves the technical problems of short transmission distance, large attenuation and insufficient power supply capability of USB signal cables in the existing technology, maximizes the utilization rate of logic resources in the FPGA, improves the data transmission speed, and achieves a more remote USB signal transmission.

【技术实现步骤摘要】
一种基于FPGA的USB远程传输系统及方法
本专利技术涉及电子器件
，特别涉及一种基于FPGA的USB远程传输系统及方法。
技术介绍
FPGA(FieldProgrammableGateArray，现场可编程门阵列)是一种基于查找表技术的可编程逻辑器件。它由若干独立的可编程逻辑块组成，用户可以通过HDL(HardwareDescriptionLanguage，硬件描述语言)和专用设计工具，在其内部灵活地实现极其复杂的电路功能，适用于高速、高密度的时序逻辑电路设计领域。目前，存在的通过FPGA来实现USB传输的技术方案。如附图1所示，现有技术中，需要配置专用的串行/并行转换电路实现信号转换，造成了FPGA内部逻辑资源的利用率较低。且其串行时钟的最高频率受串行/并行转换芯片性能、布局、布线的影响，难以满足设计要求，并最终影响整个系统的性能。光纤具有传输距离远、抗干扰性好、速率高、信号衰减小等特点，使用时可以减少传输延迟和信号失真，为信号高保真传输提供保障。基于上述情况，本专利技术设计了一种基于FPGA的USB远程传输系统及方法。
技术实现思路
本专利技术为了弥补现有技术的缺陷，提供了一种简单高效的基于FPGA的USB远程传输系统及方法。本专利技术是通过如下技术方案实现的：一种基于FPGA的USB远程传输系统及方法，其特征在于：包括结构相同的发送端和接收端，所述发送端和接收端分别连接USB信号，并通过光纤通信技术实现数据远程传输；所述发送端和接收端分别包括FPGA主控芯片，光模块，编/解码器PHY和USB选择器，USB信号通过USBHUB(USB接口扩展器)连接到编/解码器PHY，编/解码器PHY通过FPGA主控芯片连接到光模块；所述发送端和接收端的光模块之间通过光纤信号相连通。所述编/解码器PHY用于实现USB标准信号与并行信号间的转换；所述FPGA主控芯片包括kernel单元和I/O接口信号处理单元，用于实现对USB数字并行信号采集、缓存和转换；光模块用于实现光电信号的转换以及光信号的传输；所述USBHUB根据FPGA主控芯片发出的SEL电平，决定编/解码器PHY是否与主机端USB接口连接。所述kernel单元用于处理待处理信息，所述I/O接口信号处理单元用于进行串行/并行信号的转换，FPGA主控芯片可以直接与FPGA主控芯片外部模块进行数据交互，无需在FPGA主控芯片外部配置专用的串行/并行转换器。所述光模块采用SFP智能光纤收发器。本专利技术基于FPGA的USB远程传输系统的远程传输方法，其特征在于：利用光纤实现USB信号远距离传输，包括发送端处理阶段和接收端处理阶段；所述发送端处理阶段包括USB数据的采集、缓存和数据编码，以及使用光模块实现光电信号转换和光信号发送；所述接收端处理阶段包括使用光模块接收光信号以及光信号到USB信号的恢复。所述发送端处理阶段包括以下步骤：(1)发送端中，编/解码器PHY将标准USB差分信号转换成USB数据/时钟并行信号，供FPGA主控芯片使用；(2)发送端中，FPGA主控芯片对USB数据/时钟并行信号进行处理并转换为高速差分串行信号及时钟信号数据流；(3)发送端中，光模块将FPGA主控芯片处理后的高速差分串行信号及时钟信号转换为光信号，并通过光纤实现远距离传输至接收端。所述接收端处理阶段包括以下步骤：(1)接收端中，光模块接收通过光纤远距离传输而来的光信号，并将光信号转换为电信号，并交由FPGA主控芯片进行信号处理；(2)FPGA主控芯片将接收到的电信号数据包解包为USB数据/时钟并行信号双向信号；(3)接收端中，编/解码器PHY将FPGA主控芯片输出的USB数据/时钟并行信号转换为标准USB差分信号；(4)USBHUB将标准USB差分信号输出给外部电子设备。本专利技术基于FPGA的USB远程传输系统的远程传输方法，USB数据传输可分为USB设备速率、状态识别和USB正常数据通信两个过程；USB设备连接到USBHUB后，编/解码器PHY主动发起数据传输，编/解码器PHY遵循ULPI协议，通过发送RX_CMD命令，将USB设备状态和USB差分线电平状态信息告知FPGA主控芯片；FPGA主控芯片根据USB差分线电平状态及发送握手信号，判断USB设备速率，完成USB设备速率和状态识别，并将USB设备状态和速率信息打包后发送到发送端，数据打包格式遵循USB设备信息数据包定义；然后进入USB正常数据通信过程，使用FIFO(FirstInputFirstOutput，先入先出队列)和Aurora协议实现USB信号光传输，数据包打包格式遵循USB标准数据包定义。所述USB设备信息数据包包括起始域，数据包标示域，传输速率，连接状态和停止域；其中起始域标示USB设备信息数据包开始，占24位；数据包标示域标示数据包为USB设备信息数据包，占8位；传输速率标示USB设备数据传输速度，占4位；设备状态：标示USB设备连接状态，占4位；停止域标示USB设备信息数据包结束，占32位。所述USB标准数据包包括起始域，数据包标示域，USB数据和停止域；其中，起始域标示标准USB数据包开始，占24位；数据包标示域标示标准USB数据包，占8位；USB数据标示标准USB数据，占8位；停止域标示USB设备信息数据包结束，占32位。本专利技术的有益效果是：该基于FPGA的USB远程传输系统及方法，以FPGA技术为核心，采用光纤通信技术、USB链路接口技术、高速串/并行转换等方式，解决了现有技术中USB信号线缆传输距离短、衰减大，且供电能力不足的技术问题，最大限度地提高了FPGA内部逻辑资源利用率，提高了数据传输速度，进而实现了更远距离的USB信号传输。附图说明附图1为现有技术中USB信号远程传输方法示意图。附图2为本专利技术基于FPGA的USB远程传输系统及方法示意图。附图3为本专利技术基于FPGA的USB远程传输系统及方法逻辑设计层次结构示意图。具体实施方式为了使本专利技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本专利技术进行详细的说明。应当说明的是，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。该基于FPGA的USB远程传输系统，包括结构相同的发送端和接收端，所述发送端和接收端分别连接USB信号，并通过光纤通信技术实现数据远程传输；所述发送端和接收端分别包括FPGA主控芯片，光模块，编/解码器PHY和USB选择器，USB信号通过USBHUB(USB接口扩展器)连接到编/解码器PHY，编/解码器PHY通过FPGA主控芯片连接到光模块；所述发送端和接收端的光模块之间通过光纤信号相连通。所述编/解码器PHY用于实现USB标准信号与并行信号间的转换；所述FPGA主控芯片包括kernel单元和I/O接口信号处理单元，用于实现对USB数字并行信号采集、缓存和转换；光模块用于实现光电信号的转换以及光信号的传输；所述USBHUB根据FPGA主控芯片发出的SEL电平，决定编/解码器PHY是否与主机端USB接口连接。所述kernel单元用于处理待处理信息，所述I/O接口信号处理单元用于进行串行/并行信号的转换，FPGA主控芯片可以直接与FPGA主控芯片外部模块进行数据交互，无需在FPGA主控芯片外部配置本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于FPGA的USB远程传输系统，其特征在于：包括结构相同的发送端和接收端，所述发送端和接收端分别连接USB信号，并通过光纤通信技术实现数据远程传输；所述发送端和接收端分别包括FPGA主控芯片，光模块，编/解码器PHY和USB选择器，USB信号通过USB HUB连接到编/解码器PHY，编/解码器PHY通过FPGA主控芯片连接到光模块；所述发送端和接收端的光模块之间通过光纤信号相连通。

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA的USB远程传输系统，其特征在于：包括结构相同的发送端和接收端，所述发送端和接收端分别连接USB信号，并通过光纤通信技术实现数据远程传输；所述发送端和接收端分别包括FPGA主控芯片，光模块，编/解码器PHY和USB选择器，USB信号通过USBHUB连接到编/解码器PHY，编/解码器PHY通过FPGA主控芯片连接到光模块；所述发送端和接收端的光模块之间通过光纤信号相连通。2.根据权利要求1所述的基于FPGA的USB远程传输系统，其特征在于：所述编/解码器PHY用于实现USB标准信号与并行信号间的转换；所述FPGA主控芯片包括kernel单元和I/O接口信号处理单元，用于实现对USB数字并行信号采集、缓存和转换；光模块用于实现光电信号的转换以及光信号的传输；所述USBHUB根据FPGA主控芯片发出的SEL电平，决定编/解码器PHY是否与主机端USB接口连接。3.根据权利要求2所述的基于FPGA的USB远程传输系统，其特征在于：所述kernel单元用于处理待处理信息，所述I/O接口信号处理单元用于进行串行/并行信号的转换，FPGA主控芯片可以直接与FPGA主控芯片外部模块进行数据交互，无需在FPGA主控芯片外部配置专用的串行/并行转换器。4.根据权利要求2或3所述的基于FPGA的USB远程传输系统，其特征在于：所述光模块采用SFP智能光纤收发器。5.根据权利要求1～4所述的基于FPGA的USB远程传输系统的远程传输方法，其特征在于：利用光纤实现USB信号远距离传输，包括发送端处理阶段和接收端处理阶段；所述发送端处理阶段包括USB数据的采集、缓存和数据编码，以及使用光模块实现光电信号转换和光信号发送；所述接收端处理阶段包括使用光模块接收光信号以及光信号到USB信号的恢复。6.根据权利要求5所述的基于FPGA的USB远程传输系统的远程传输方法，其特征在于，所述发送端处理阶段包括以下步骤：(1)发送端中，编/解码器PHY将标准USB差分信号转换成USB数据/时钟并行信号，供FPGA主控芯片使用；(2)发送端中，FPGA主控芯片对USB数据/时钟并行信号进行处理并转换为高速差分串行信号及时钟信号数据流；(3)发送端中，光模块将FPGA主控芯片处理后的高速差分串行信号及时钟信号转换为...

【专利技术属性】
技术研发人员：李伟希，牛玉峰，刘佃忠，吴之光，
申请(专利权)人：山东超越数控电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37