CN107300883B - 一种基于光纤传输的usb2.0\3.0 hub - Google Patents

Abstract

一种基于光纤传输的USB2.0\3.0 HUB，其特征在于：包括一个USB3.0光纤发送端和一个USB3.0光纤接收端，在USB3.0光纤接收端的USB3.0 HUB可以同时连接四个USB3.0\2.0\1.1\1.0终端设备；在USB3.0信号在传输过程中是透明的，所有符合USB3.0\2.0\1.1\1.0标准的终端外设都可以正常连接。本发明还提供一种对USB3.0光纤发送端和USB3.0光纤接收端之间通信的光纤通信自动协商方法；此外本发明还提供一种对USB3.0光纤发送端和USB3.0光纤接收端进行数字诊断及USB3.0终端设备远程控制的方法。

Description

一种基于光纤传输的USB2.0\3.0 HUB

技术领域

本发明涉及USB3.0通信领域，特别涉及多种USB3.0\2.0\1.1\1.0终端设备与计算机之间远距离通信的技术领域，具体是指一种基于光纤传输的USB2.0\3.0 HUB。

本发明还涉及一种对USB3.0光纤发送端和USB3.0光纤接收端之间光纤通信的自动协商方法。

本发明还涉及一种对USB3.0光纤发送端和USB3.0光纤接收端进行数字诊断及USB3.0终端设备远程控制的方法。

背景技术

USB3.0对传输速度进行了大幅提升，它基于全双工数据传输协议，理论传输速率高达5Gbps(即625MB/秒)，实际数据传输速率也将高达3.2Gbps (即400MB/秒)，相比USB2.0时代有了将近10倍的提升，而现在最新的USB3.1 Gen2标准又将传输速率提升到了10Gbps，因此数据的传输距离遇到了前所未有的挑战。由于传输速率由以往的USB2.0标准规定的480Mbps提升到了5Gbps，因此使用传统的电缆一般不会超过3米，一些使用厂家使用中继放大芯片后，传输距离也只能达到最远15米的传输距离，但是由于采用电缆传输在使用过程中特别容易受到电磁干扰的影响，因此不适合在一些电磁干扰较大的工业生产流水线上使用，以及一些对电磁干扰敏感的设备（如军工设备）上使用；而目前随着工业4.0的兴起，许多USB3.0工业相机的传输距离会超过这个距离，甚至要达到几百米的距离，另外一些企业和单位出于安全考虑，往往需要将计算机主机集中管理，用户只能在远端使用USB3.0存储设备和USB3.0打印机，从而实现计算机主机与使用者的安全隔离，而计算机与终端之间往往也达到了上百米，并且数据在传输过程中不能有电磁泄漏而导致数据安全得不到保障。而我们采用光纤传输USB3.0信号即可以解决电磁干扰的问题，又可以解决传输距离的问题，此外现在虽然有一些可以实现USB3.0信号远距离传输的装置，但它们一般都是将终端设备的USB3.0数据通过USB3.0物理层芯片解析成其它的数据格式再重新编码转换成光纤来传输，另外一端将接收到的光信号转换成电信号，通过USB3.0物理层芯片转换成并行数据送到采集卡进行数据采集，它们都是针对一些特定的设备应用，无法实现其它USB3.0标准终端设备的接入，例如一种用来实现USB3.0工业相机远距离传输的装置是无法用来接入U盘、USB3.0移动硬盘或是打印机等其它USB3.0终端设备，而且现有还没有一种能直接将USB2.0和USB3.0设备同时通过一个单USB3.0主控芯片采用超高速信号差分数据线用光模块转换成光信号后用光纤完成远距离传输的方案，一般都是要外加一个USB2.0到USB3.0的转换芯片，再用一个USB3.0 HUB整合传输，兼容性有待提高，而且这个芯片目前处于垄断，其它厂家无法通过渠道采购到，直接限制了USB3.0在远距离传输中对USB2.0/1.1/1.0的兼容应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于光纤传输支持多种USB终端设备与计算机之间进行远距离传输的USB2.0\3.0 HUB，可以通过USB3.0的超高速差分信号传输USB3.0\2.0\1.1\1.0数据，即向下兼容USB2.0/1.1/1.0设备，而且可以通过数字诊断电路实现USB3.0光纤发送端和USB3.0光纤接收端进行数字诊断及USB3.0终端设备远程控制。

本发明所采用的技术方案 ：一种基于光纤远距离传输兼容USB2.0的USB3.0HUB，包括一个USB3.0光纤发送端和一个USB3.0光纤接收端，两者之间通信的光纤通信可以通过自定义通信规则进行自动协商，USB3.0超高速信号是全双工信号，收和发各是一对独立的差分数据线：SSTX+/-和SSRX+/-，因此可以用光模块转换成光信号后用光纤传输，在USB3.0光纤接收端的USB3.0 HUB主控芯片内部包含了一个USB2.0加速引擎，可以所有下行端口的USB2.0信号转换成USB3.0信号，最后与所有下行接口的USB3.0信号通过USB3.0 HUB主控芯片内的超高速HUB路由引擎与计算机主机的USB3.0主控芯片进行数据传输，因此可以用光纤通过USB3.0超高速信号来同时传输USB2.0和USB3.0数据，该USB3.0 HUB主控芯片四个端口都可以连接USB2.0或USB3.0终端外设，而且USB2.0和USB3.0设备可以混合使用，即向下兼容USB2.0\1.1\1.0设备；可以采用多模光纤、也可以采用单模光纤，可以采用双芯光纤，也可以采用单芯光纤，USB3.0光纤发送端和USB3.0光纤接收端都有一个可以热插拔的SFP+光模块，在使用过程中光模块灵活更换，而且光纤的长度可以根据实际需要进行布线。传输距离可以达到300米到400米，本发明所采用技术方案传输的数据是原生的USB3.0数据格式，在USB3.0光纤通信过程中，为了保证兼容性和普遍适用性，不会将USB3.0主控制器、USB3.0 HUB主控芯片和USB3.0终端设备发送的原生USB3.0数据转换成其它格式并重新编解码再进行传输，只是将收到的USB3.0电信号进行电-光-电的转换，光纤传输设备不会在数据流中加入任何附加的数据，因此USB3.0信号使用光纤传输设备在传输过程中是透明的，所有符合USB3.0\2.0\1.1\1.0标准的终端外设都可以正常连接。

与此相应的，本发明另一个要解决的技术问题是提供一种对USB3.0光纤发送端和USB3.0光纤接收端之间光纤通信的自动协商方法。

与此相应的，本发明还有一个要解决的技术问题是提供一种对USB3.0光纤发送端和USB3.0光纤接收端进行数字诊断及USB3.0终端设备远程控制的方法。

以下将详细介绍USB3.0光纤发送端的各个组成部分。

按上述方案，所述USB3.0光纤发送端，包括USB3.0上行接口、USB3.0 HUB主控芯片、FLASH芯片、Rx_DET模拟负载、SFP+光模块、MCU控制单元、管理接口电路、LED指示电路、供电单元。

所述USB3.0上行接口，用来连接计算机主机的USB3.0主控制器。

优选地，所述USB3.0 HUB主控芯片为μPD720210，一方面用来接收USB3.0数据，另一方面用来解决在使用光纤传输过程中光纤接口重复插拔、SFP+光模块插拔、计算机开关机及重启等这些状态下终端设备无法连接上计算机主机的问题，此外还可以实现USB3.0信号中继放大的作用，USB3.0 HUB主控芯片的一个端口连接管理接口电路，实现USB2.0转换成RS-232接口，RS-232接口连接到MCU控制单元的一个RS-232串口，用来实现在计算机主机端对USB3.0光纤发送端及USB3.0光纤接收端的数字诊断管理。

所述FLASH芯片，用于存储USB3.0 HUB主控芯片的配置数据。

所述Rx_DET模拟负载，用来模拟USB3.0终端设备；根据USB3.0协议，USB3.0接口的Rx输入端必须包含Rx Detect电路，USB 3.0物理层在处于U1、U2、U3状态时，为了节省电力而使用LFPS(Low Frequency Period Singal)信号作为通信介质，LFPS信号是一种低频率的周期性信号，当USB3.0下行端口没有插入设备时，USB3.0主控制器会不停的发送RxDetect方波信号，该方波信号并不是LFPS信号。如果一直没有device插上，根据USB3.0协议，则一直处在Rx Detect状态中；当有Device插上时，USB3.0 HUB芯片的 Tx端则会发送LFPS信号；而普通的SFP+光模块的输入接口电路没有USB3.0接口Rx输入端的Rx Detect电路，因此SFP+光模块与USB3.0 HUB芯片连接时，USB3.0 HUB芯片会一直处在Rx Detect状态中，无法与USB3.0光纤接收机的USB3.0 HUB主控芯片进行通信，导致链接失败无法进行数据传输，而本发明中的Rx_DET模拟负载是用来解决这一问题的关键技术手段。

所述SFP+光模块，连接到USB3.0 HUB主控芯片的某一个下行接口，一方面用来将USB3.0 HUB芯片下行接口的 Tx输出端发送来的电信号转换成光信号，另一方面用来将USB3.0光纤接收端发送过来的光信号转换成电信号送到USB3.0光纤发送端USB3.0 HUB芯片的下行接口 Rx输入端；此外，本发明利用SFP+光模块光发送机的发射关断控制Tx_Disable输入脚和光接收机的无光告警信号LOS输出脚组合形成一个低速率双向RS-232传输通道，由双向RS-232传输通道、MCU控制单元、管理接口组成一个数字诊断通道，计算机通过数字诊断通道来实现对USB3.0终端设备的供电电路或是USB3.0终端设备发送控制指令，以及对USB3.0光纤接收端的SFP+光模块进行数字诊断管理。

所述MCU控制单元，用来控制USB3.0 HUB与计算机主机的USB3.0主控制器的握手连接及USB3.0主控芯片复位，用来控制供电单元实现USB3.0接口供电和外部供电自动切换，用来实现SFP+光模块的数字诊断及其控制，用来实现USB3.0终端设备控制指令的发送，结合管理接口实现对USB3.0光纤发送端及USB3.0光纤接收端的数字诊断管理。

所述管理接口电路，连接到USB3.0 HUB主控芯片的一个下行USB2.0端口，实现USB2.0转换成RS-232接口，RS-232接口连接到MCU控制单元的一个RS-232串口，用来实现在计算机主机端对USB3.0光纤发送端及USB3.0光纤接收端的数字诊断管理。

所述供电单元，可以实现USB3.0接口供电和外部供电自动切换，为USB3.0 HUB芯片、MCU控制单元、SFP+光模块、管理接口、LED指示电路、EEPROM提供电源。

所述LED指示电路，用于指示的通信状态、SFP+模块状态、故障情况等信息。

以下将详细介绍USB3.0光纤接收端的各个组成部分。

按上述方案，所述USB3.0光纤接收端，包括四个USB3.0下行接口、USB3.0 HUB主控芯片、EEPROM芯片、Rx_DET模拟负载、SFP+光模块、MCU控制单元、管理接口电路、LED指示电路、供电单元。

所述USB3.0下行接口，用来连接USB3.0终端设备。

优选地，所述USB3.0 HUB主控芯片为Fresco Logic公司生产的FL6000，FL6000采用Fresco Logic公司独有F-One^TM 技术，可以让下行端口的USB2.0和USB3.0数据通过上行端口的USB3.0超高速差分数据线（SSTX+/-和SSRX+/-）来进行传输，而不必在外面加一颗USB2.0到USB3.0的转换芯片，整体电路变得更加简单，兼容性更好，在支持USB3.0设备的同时可以直接向下兼容USB2.0/1.1/1.0设备，FL6000芯片内部包含了一个USB2.0加速引擎（USB2.0 to USB3.0 Translators），可以所有下行端口的USB2.0信号转换成USB3.0信号，最后与所有下行接口的USB3.0信号通过USB3.0 HUB主控芯片内的超高速HUB控制器与路由引擎（SuperSpeed HUB Controller and Routing）与计算机主机的USB3.0主控芯片进行数据传输，因此可以用光纤通过USB3.0超高速差分数据线来同时传输USB2.0和USB3.0数据；USB3.0 HUB主控芯片的上行口连接到SFP+光模块，USB3.0光纤接收端的USB3.0 HUB主控芯片四个端口都可以支持USB2.0和USB3.0终端外设，如USB2.0手写笔、USB触摸屏、USB鼠标、USB键盘、USB3.0工业打印机、USB3.0相机、USB3.0移动硬盘、USB3.0移动U盘等标准USB外设，USB2.0和USB3.0设备可以混合使用。

所述EEPROM芯片，用于存储USB3.0 HUB主控芯片的配置数据。

所述Rx_DET模拟负载，用来模拟USB3.0主控制器下行接口Rx输入端的Rx_DET电路；根据USB3.0协议，USB3.0接口的Rx输入端必须包含Rx Detect电路，USB 3.0物理层在处于U1、U2、U3状态时，为了节省电力而使用LFPS(Low Frequency Period Singal)信号作为通信介质，LFPS信号是一种低频率的周期性信号，当USB3.0 HUB主控芯片上行端口没有与USB3.0主控制器连接上时，USB3.0 HUB主控芯片的Tx端会不停的发送Rx Detect方波信号，该方波信号并不是LFPS信号。如果一直没有与USB3.0主控制器连接上，根据USB3.0协议，则一直处在Rx Detect状态中；当USB3.0 HUB主控芯片上行端口与USB3.0主控制器连接上时，USB3.0 HUB芯片的 Tx端则会发送LFPS信号；而普通的SFP+光模块的输入接口电路没有USB3.0接口Rx输入端的Rx Detect电路，因此SFP+光模块与USB3.0 HUB芯片连接时，USB3.0HUB主控芯片会一直处在Rx Detect状态中，无法与USB3.0光纤发送机的USB3.0 HUB主控芯片下行接口进行通信，导致链接失败无法进行数据传输，而本发明中的Rx_DET模拟负载是用来解决这一问题的关键技术手段。

所述SFP+光模块，一方面，将USB3.0光纤发送端发送过来的光信号转换成电信号送到USB3.0光纤接收端USB3.0 HUB主控芯片的上行接口 Rx输入端；另一方，将USB3.0光纤接收端上行接口Tx输出端发送过来的电信号转换成光信号送到USB3.0光纤发送端SFP+光模块的Rx输入端；此外，本发明利用SFP+光模块光发送机的发射关断控制Tx_Disable输入脚和光接收机的无光告警信号LOS输出脚组合形成一个低速率双向RS-232传输通道，由双向RS-232传输通道、MCU控制单元、管理接口组成一个数字诊断通道，计算机通过数字诊断通道来实现对USB3.0终端设备的供电电路或是USB3.0终端设备发送控制指令，以及对USB3.0光纤接收端的SFP+光模块进行数字诊断管理。

所述MCU控制单元，用来控制USB3.0 HUB与计算机主机的USB3.0主控制器的握手连接及USB3.0主控芯片复位、用来控制供电单元实现USB3.0终端设备的供电控制与故障诊断、用来实现USB3.0终端设备控制指令的发送、用来实现SFP+光模块的数字诊断及其控制，结合管理接口实现对USB3.0光纤发送端及USB3.0光纤接收端的数字诊断管理。

所述管理接口电路，连接到USB3.0 HUB主控芯片的一个下行USB2.0端口，实现USB2.0转换成RS-232接口，RS-232接口连接到MCU控制单元的一个RS-232串口，用来实现在计算机主机端对USB3.0光纤发送端及USB3.0光纤接收端的数字诊断管理。

所述供电单元，可以实现USB3.0接口供电和外部供电自动切换，为USB3.0 HUB芯片、MCU控制单元、SFP+光模块、管理接口、LED指示电路、EEPROM提供电源。

所述LED指示电路，用于指示的通信状态、SFP+模块状态、故障情况等信息。

所述一种对USB3.0光纤发送端和USB3.0光纤接收端之间光纤通信的自动协商方法，是指通过单片机编程技术和制定相关的通信规则来解决在使用光纤传输USB3.0数据过程中因光纤接口光纤中断、光纤重复插拔、SFP+光模块热插拔、计算机开关机及重启后USB3.0终端设备重新计算机主机建立正确通信链接的方法。

USB3.0光纤通信是一个全双工双向通信，可以使用两芯光纤，或者利用光波分复用原理使用单芯光纤，在光纤连接过程中会出现三种情形，第一种是USB3.0光纤发送端SFP+光模块的光发送机和接收机用同时与USB3.0光纤接收端SFP+光模块的光发送机和光接收机建立连接；第二种是USB3.0光纤发送端SFP+光模块的光发送机先与USB3.0光纤接收端SFP+光模块的光接收机建立连接，进一步地，USB3.0光纤发送端SFP+光模块的光接收机与USB3.0光纤接收端SFP+光模块的光发送机建立连接；第三种是USB3.0光纤发送端SFP+光模块的光接收先与USB3.0光纤接收端SFP+光模块的光发送机建立连接，进一步地，USB3.0光纤发送端SFP+光模块的光发送机与USB3.0光纤接收端SFP+光模块的光接收机建立连接。

如果因光纤损坏或是人为将光纤拔出而导致的光纤连接中断，需要重新进行光纤连接时，计算机主机与远端USB3.0光纤接收端的USB3.0 HUB主控芯片需要重新建立连接，此时双方会重新发起低速LFPS信号进行握手连接，从而确定连接状态，但此时如果USB3.0光纤接收端的USB3.0 HUB主控芯片还未退出超高速链接状态，当出现第一种和第三种情况时，USB3.0光纤发送端的USB3.0 HUB主控芯片下行接口收到的不是LFPS数据信号，而是超高速数据包，这样就会导致协商失败，导致计算机连接此USB3.0光纤发送端的USB3.0主控制器端口死机，从而无法识别USB3.0光纤发送端的USB3.0 HUB主控芯片、USB3.0光纤接收端的USB3.0 HUB主控芯片及外接USB3.0终端设备。

USB3.0光纤发送端和USB3.0光纤接收端在通信过程中往往会遇到计算机主机关机、重启、计算机主机关机了很长时间后重新开机，这样就会面临严峻的问题：当计算机主机重新进入操作系统后，经常会出现USB3.0光纤发送端和USB3.0光纤接收端与当计算机主机连接失败，计算机主机有可能会提示USB3.0设备合规但是无法链接、或是根本没有链接动作，导致这个问题的原因是在计算机主机退出系统后，USB3.0光纤发送端和USB3.0光纤接收端的通信状态并未进入LFPS协商状态，而一直处于正常的超高速链接，当计算机主机重新进入系统后，计算机主机的USB3.0主控制器应该与USB3.0光纤发送端是一个低速率通信模式，但实际计算机主机的USB3.0主控制器首先收到的是USB3.0光纤发送端发送过来的超高速数据包，从而导致两者的协商失败，计算机主机无法找到USB3.0主控制器外接的所有USB3.0终端设备。

为了解决以上问题，我们在此约定一种对USB3.0光纤发送端和USB3.0光纤接收端之间光纤通信的自动协商方法：不管任何时候，USB3.0光纤接收端的SFP+光模块的光接收机总是先于USB3.0光纤发送端的SFP+光模块的光接收机收到光信号；USB3.0光纤接收端的光接收机在光纤连接中断后, MCU控制单元发输出控制指令使USB3.0 HUB主控芯片上行接口链路断开，USB3.0 HUB主控芯片进入待机状态，并使USB3.0光纤接收端SFP+光模块的光发送机处于发射禁止状态，完全不会发送光信号出来，即使光纤重新连接正常，在USB3.0光纤接收端的USB3.0 HUB主控芯片没有完成链路初始化前也会处于发射禁止状态；光纤断开后USB3.0光纤发送端的光接收机收不到光信号，MCU控制单元发输出控制指令使USB3.0光纤发送端USB3.0上行接口与计算机主机的USB3.0主控制器链路连接中断；当USB3.0光纤接收端的光接收机在光纤重新连接后, MCU控制单元发输出控制指令使USB3.0 HUB主控芯片进入正常工作状态，初始化芯片链路状态，USB3.0 HUB主控芯片上行接口Tx输出端输出LFPS信号，MCU控制单元发输出控制指令使USB3.0光纤接收端SFP+光模块的光发送机处于发射使能状态，正常发送LFPS光信号出来，USB3.0光纤发送端的光接收机收到LFPS光信号后，MCU控制单元发输出控制指令使USB3.0光纤发送端USB3.0上行接口与计算机主机USB3.0主控制器的链路接通，并重新与计算机主机进行LFPS协商，直至通信连接正常；当产生计算机主机关机后USB3.0光纤发送端电路可以监控与计算机主机USB3.0控制器的链路状态，MCU控制单元发会根据与计算机主机USB3.0控制器的链路状态输出相应控制指令，使USB3.0光纤发送端USB3.0上行接口与计算机主机的通信链路处于断开状态，USB3.0光纤发送端的USB3.0 HUB主控芯片会进入待机状态，并向USB3.0光纤接收端的USB3.0主控芯片发送LFPS协商信号，让两者都处于待机状态；当产生计算机主机关机、重启、计算机主机关机后重新开机时USB3.0光纤发送端电路可以监控与计算机主机USB3.0控制器的链路状态，USB3.0光纤发送端的MCU控制单元发会根据与计算机主机USB3.0控制器的链路状态输出相应控制指令，使USB3.0光纤发送端USB3.0上行接口与计算机主机处于正确的连接状态，当监控到计算机USB3.0控制器发起LFPS协商后，USB3.0光纤发送端MCU控制单元使USB3.0光纤发送端USB3.0上行接口与计算机主机USB3.0主控制器的链路接通，并向计算机主机发出LFPS信号进行通信协商，直至通信连接正常；USB3.0光纤发送端与计算机主机通信正常后，USB3.0光纤发送端的USB3.0 HUB主控芯会向USB3.0光纤接收端的USB3.0主控芯片发送LFPS协商信号，直至通信连接正常。

USB3.0标准规定的超高速USB3.0终端设备在通信过程中的数据流都必须编码成超高速数据流进行传输，由于USB3.0标准没有留出一些低速率的IO通道，因此，在USB3.0光纤通信过程中，为了保证兼容性和普遍适用性，光纤传输设备不会对USB3.0重新编解码，只是将收到的USB3.0电信号进行电-光-电的转换，光纤传输设备不会在数据流中加入任何附加的数据，USB3.0信号使用光纤传输设备在传输过程中是透明的。因此，对于诸如远程开关控制、数字诊断信号的发送与结果回传都无法通过USB3.0的硬件电路完成，所以本发明正是基于这种实际应用，提出了一种对USB3.0光纤发送端和USB3.0光纤接收端进行数字诊断及USB3.0终端设备远程控制的方法。

所述一种对USB3.0光纤发送端和USB3.0光纤接收端进行数字诊断及USB3.0终端设备远程控制的方法，是指利用SFP+光模块光发送机的发射关断控制SFP_Tx_Disable输入脚和光接收机的无光告警信号SFP_LOS输出脚组合形成一个低速率双向RS-232传输通道，由双向RS-232传输通道、MCU控制单元、管理接口组成一个数字诊断通道，计算机通过数字诊断通道来实现对USB3.0终端设备的供电电路或是USB3.0终端设备本身的控制接口发送控制指令，以及对SFP+光模块、终端设备的供电状态进行数字诊断管理。

参照SMALL FORM-FACTOR PLUGGABLE (SFP) TRANSCEIVER MULTISOURCEAGREEMENT (MSA)国际标准， SFP+光模块光发送机的发射关断控制SFP_Tx_Disable输入脚是用来开启和关断SFP+光模块光发送机激光器的发光状态，当该引脚为高电平时，激光器不发光，当该引脚为低电平时，激光器发光，当SFP+光模块正常工作时发射关断控制信号电平要一直保持为低；而SFP+光模块光接收机的无光告警信号SFP_LOS输出脚在没有光信号输入到光接收机的时候，无光告警信号SFP_LOS输出脚输出一个高电平信号，有光信号输入到光接收机的时候，无光告警信号SFP_LOS输出脚输出一个低电平信号，该信号只是用来判断输入光信号的有无，在正常光通信过程中，该信号一直是保持低电平；这两个控制脚本身没有双向数据通信的功能，但是我们可以在发射关断控制SFP_Tx_Disable输入脚输入一个低速率的数字方波信号，如9600bps的串口信号，那么SFP+光模块光发送机会按照该低速率的数字方波信号高低电平的变化产生无光发出和有光发出的状态变化，从而调制出9600bps低速率的光信号，而在对应SFP+光模块光接收机的无光告警信号SFP_LOS输出脚会按照无光输入和有光输入的状态变化，还原出原始的9600bps的串口信号；因此，SFP+光模块光发送机的发射关断控制SFP_Tx_Disable输入脚和光接收机的无光告警信号SFP_LOS输出脚可以组合形成一个低速率双向RS-232传输通道，由双向RS-232传输通道、MCU控制单元、管理接口组成一个数字诊断通道，数字诊断通道在USB3.0链路正常通信的情况下是不工作的，数字诊断通道只有在USB3.0光纤发送端和USB3.0光纤接收端初始连接建立之前、USB3.0终端设备发生故障、以及人为进行控制时才会进行工作，而且操作人员在计算机端和USB3.0设备端都可以进行相应管理操作。

当我们在使用USB3.0终端设备过程中偶尔会出现设备死机或是其它无法通过计算机主机端恢复USB3.0终端设备到正常工作状态时，我们可以通过数字诊断通道向管理接口发送特定的指令到USB3.0终端设备本身控制接口或是与USB3.0终端设备连接USB3.0端口的供电电路，对设备进行冷启动，从而恢复正常，我们也可以通过数字诊断通道向管理接口发送特定的指令到USB3.0终端设备本身控制接口获取USB3.0终端设备的故障情况。

在USB3.0光纤发送端和USB3.0光纤接收端初始连接建立之前，USB3.0光纤接收端的MCU控制单元通过SFP+光模块的I2C总线读取到光模块的发射光功率、激光器的偏置电流、接收灵敏度、光模块的供电电压、工作温度、故障情况等光模块指标后，通过USB3.0光纤接收端的MCU控制单元的RS-232串口将信号发送到SFP+光模块的SFP_Tx_Disable输入脚，调制输出RS232光信号，而在USB3.0光纤发送端数字诊断通道的SFP_LOS输出脚输出RS-232串行数据，RS-232串行数据输送到USB3.0光纤发送端的MCU控制单元数字诊断通道的串口信号输入脚LOS_232_RXD，经MCU控制单元处理后送到计算机主机端；此外，我们还可以在计算机主机端通过管理接口的USB2.0 to RS232转换电路将指令转换成RS-232信号，RS-232通过管理接口的RS232_TXD输出引脚发送数字诊断请求指令到USB3.0光纤发送端的MCU控制单元的RS-232串口信号输入脚CMI_RS232_RXD，MCU控制单元通过数字诊断通道发送指令到USB3.0光纤接收端的MCU控制单元的串口信号输入脚LOS_232_RXD，收到指令后MCU控制单元将读取到的光模块指标通过数字诊断通道回传到USB3.0光纤发送端的MCU控制单元的串口信号输入脚LOS_232_RXD，经MCU控制单元处理后通过RS-232串口信号输出脚CMI_RS232_TXD发送到通过管理接口的输入引脚RS232_RXD，通过USB2.0 to RS232转换后送到计算机主机端；对于USB3.0光纤发送端的光模块指标，我们可以在计算机主机端能过管理接口发送数字诊断请求指令到USB3.0光纤发送端的MCU控制单元直接获取；通过这两种方法可以实现对SFP+光模块的数字诊断管理；此外当USB3.0光纤接收端的USB3.0终端设备供电产生过流故障时，MCU控制单元会将此故障代码存储起来，直到过流故障解除才会清除所存故障代码，当我们发现设备工作不正常时，可以在计算机主机端过管理接口发送数字诊断请求指令到USB3.0光纤接收端的MCU控制单元获取USB3.0终端设备故障代码。

本发明的有益效果是：提供了一种基于光纤传输支持多种USB3.0终端设备与计算机之间远距离传输的USB3.0 HUB，传输距离可以达到300米到400米，可以采用多模光纤、也可以采用单模光纤，可以采用双芯光纤，也可以采用单芯光纤；本发明可以连接USB2.0或USB3.0终端外设，而且USB2.0和USB3.0设备可以混合使用，即向下兼容USB2.0/1.1/1.0设备，采用可以热插拔的SFP+光模块，SFP+光模块可以在不断电的情况下进行更换，使用和维护都十分的方便，而且光纤的长度可以根据实际需要进行布线；不仅可以实现多种USB3.0终端设备与主机连接，而且可以通过数字诊断电路实现SFP+光模块的状态监控及对USB3.0终端设备进行远程操作，本发明所传输的数据是原生的USB3.0数据格式，不会将USB3.0主控制器、USB3.0 HUB主控芯片和USB3.0终端设备发送的原生USB3.0数据转换成其它格式并重新编解码再进行传输，因此它的传输是透明的，所有符合USB3.0标准的终端外设都可以正常连接，本发明在延长USB3.0传输距离的同时，还具有传输通道无电磁泄漏、抗电磁干扰的优点。

附图说明

图1 是本发明的系统应用原理框图。

图2 是本发明的USB3.0光纤发送端原理框图。

图3 是本发明的USB3.0光纤发送端USB3.0 HUB主控芯片原理框图。

图4 是本发明的USB3.0光纤发送端Rx_DET模拟负载。

图5 是本发明的USB3.0光纤发送端SFP+光模块。

图6 是本发明的USB3.0光纤发送端MCU控制单元。

图7 是本发明的USB3.0光纤发送端供电单元。

图8 是本发明的USB3.0光纤发送端管理接口。

图9 是本发明的USB3.0光纤接收端原理框图。

图10 是本发明的USB3.0光纤接收端USB3.0 HUB主控芯片原理框图。

图11 是本发明的USB3.0光纤接收端Rx_DET模拟负载。

图12 是本发明的USB3.0光纤接收端SFP+光模块。

图13 是本发明的USB3.0光纤接收端MCU控制单元。

图14 是本发明的USB3.0光纤接收端供电单元。

图15 是本发明的USB3.0光纤接收端管理接口。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部电路结构。

本发明为一种基于光纤传输支持多种USB3.0终端设备与计算机之间远距离传输的USB3.0 HUB；如图1 所示，USB3.0光纤发送端1一端通过USB3.0电缆连接到计算机主机的USB3.0 HOST 3，另一端通过光纤连接到USB3.0光纤接收端2；USB3.0光纤接收端2一端通过光纤连接到USB3.0光纤发送端1，USB3.0光纤接收端2的下行接口通过USB3.0电缆可以同时连接到USB3.0移动硬盘、USB3.0摄像头、USB3.0打印机，还可以连接其它标准USB3.0终端；本发明利用USB3.0接口的超速数据差分接口：SSTX+/-和SSRX+/-来实现USB3.0的超高速通信链接，传输距离可以达到300米到400米，本发明所传输的数据是原生的USB3.0数据格式，不会将USB3.0主控制器、USB3.0 HUB主控芯片和USB3.0终端设备发送的原生USB3.0数据转换成其它格式并重新编解码再进行传输，因此它的传输是透明的，所有符合USB3.0\2.0\1.1\1.0标准的终端外设都可以正常连接。

参照图2-8，详细说明USB3.0光纤发送端1。

如图2所示，USB3.0光纤发送端1，包括一个USB3.0上行接口11、USB3.0 HUB主控芯片12、Rx_DET模拟负载13、SFP+光模块14、供电单元15、MCU控制单元16、LED指示电路17、管理接口电路18、FLASH芯片19。

USB3.0 HUB主控芯片12与其它电路的连接：FLASH数据总线1212外接FLASH芯片19；上行接口U3H_RX+/-差分对1213和U3H_TX+/-差分对1214连接到USB3.0上行接口11；下行端口1的USB3-TX1+/-差分对1222连接到RX_DET模拟负载13的高速差分信号输入端131；RX_DET模拟负载13的高速差分信号输出端132连接到SFP+光模块14的TX+/-输入端146, 下行端口1的USB3-RX1+/-差分对2223连接到SFP+光模块14的RX+/-输出端147；USB3.0上行接口供电电压VBUS监控信号VBUS_DET输入脚1215连接到MCU控制单元的VBUS控制信号VBUS_DET输出脚1634，此信号用来控制USB3.0光纤发送端1和USB3.0光纤接收端2的通信协商；复位信号RST_USB输入1216一方面连接外部复位电路，另一方面连接到MCU控制单元16的USB3.0 HUB复位信号RST_USB输出脚1633，在其它电路说明中有对本部分信号连接有说明的，在此不再详细描述。

SFP+光模块14引脚与其它电路的连接：I2C总线时钟信号SFP_SCL引脚141连接到MCU控制单元16的时钟信号SFP_SCL引脚1611，I2C总线数据信号SFP_SDA引脚142连接到MCU控制单元16的数据信号SFP_SDA引脚1612；SFP+光模块14的发射关断信号SFP_TxDisable输入引脚143连接到MCU控制单元16的SFP_TxDisable输出引脚1613； SFP+光模块14的发射故障指示SFP_TxFault输出引脚144连接到MCU控制单元16的SFP_TxFault输入引脚1614； SFP+光模块14的插入检测引脚143连接到MCU控制单元16的SFP_TxDisable输出引脚1613； SFP+光模块14的发射关故障指示SFP_TxFault输出引脚144连接到MCU控制单元16的SFP_TxFault输入引脚1614；SFP+光模块14的无光告警信号LOS输出引脚145连接到MCU控制单元16的LOS输入引脚1615和LOS_232_RXD输入引脚1638；SFP+光模块14的光模块插拔检测信号MOD_IN输出引脚148连接到MCU控制单元16的MOD_IN输入引脚1616。SFP+光模块14的光发送电路供电输入SFP_VCCT引脚149连接到供电单元15的光模块光发送电路供电SFP_VCCT输出引脚1522；SFP+光模块14的光接收电路供电输入SFP_VCCR引脚140连接到供电单元15的光模块光接收电路供电SFP_VCCR输出引脚1523，在其它电路说明中有对本部分信号连接有说明的，在此不再详细描述。

供电单元15与其它电路的连接：外部供电EXT_5V引脚1515连接外部供电源; USB总线供电USB_5V引脚1516连接到USB总线供电芯片的电源输出引脚，该芯片型号为SP2525A-2E，该芯片的使能引脚低电平时芯片输出电压;USB总线供电检测信号USB_PWR_DET输出引脚1511连接到MCU控制单元16的USB总线供电检测信号USB_PWR_DET输入引脚1636； USB总线供电电源芯片使能信号PWR_SW输入引脚1512连接到MCU控制单元16的USB总线供电芯片的使能PWR_SW输出引脚1632，当PWR_SW为低电平，USB总线供电芯片输出供电电压；USB总线供电电源芯片电流过载信号USB_PWR_FL输出引脚1513连接到MCU控制单元16的USB总线供电芯片的电流过载信号USB_PWR_FL输入引脚1637；当没有外部电源供电时，USB_PWR_DET保持输出低电平，MCU控制单元16的PWR_SW输出一个低电平使能信号给供电单元15的PWR_SW输入，此时，USB总线供电芯片输出供电电压；当有外部电源供电时，USB_PWR_DET保持输出高电平，MCU控制单元16的PWR_SW输出一个高电平使能信号给供电单元15的PWR_SW输入，此时，USB总线供电芯片不工作，由外部电源给整个电路供电；MCU控制单元16供电VCC_MU输出引脚1524连接到MCU控制单元16的电源VCC_MCU输入引脚1631，供电单元内部一个二极管的正极连接到EXT_5V，该二极管的负极连接到VCC_MU，另一个二极管的正极连接到USB_5V，该二极管的负极连接到VCC_MU，MCU控制单元16同时从USB接口和外部电源取电，MCU控制单元16的供电是优先供给的，即不受供电切换电路的影响；管理接口18供电VCC_CMI输出引脚1525连接到管理接口18的电源VCC_CMI输入引脚182；供电单元15的电源VCC_HUB输出脚1526连接到USB3.0 HUB主控芯片12的供电VCC_HUB输入脚1211；SFP+光模块14的供电使能信号SFP_PWR_EN输入引脚1514连接到MCU控制单元16的SFP_PWR_EN输出引脚1635，在其它电路说明中有对本部分信号连接有说明的，在此不再详细描述。

管理接口18与其它电路的连接：管理接口18的具有两路USB2.0信号输入，两路信号可以自动切换，一路USB2.0信号USB2.0_A+/-输入端口180连接到外部USB2.0主控制器，另一路USB2.0信号USB2.0_B+/-输入端口181连接到USB3.0 HUB主控芯片12下行端口4的USB2.0信号USB2-4+/-差分对1224，通过USB2.0 to RS-232转换芯片，从而在PC主机上增加一个RS-232管理串口；管理接口18的串口发送数据RS232_TXD引脚184连接到MCU控制单元16的CMI_RS232_RXD输入引脚1617；管理接口18的串口接收数据RS232_RXD引脚183连接到MCU控制单元16的CMI_RS232_TXD输入引脚1616，在其它电路说明中有对本部分信号连接有说明的，在此不再详细描述。

MCU控制单元16有一个在线编程和升级接口，ISP_RS232_TXD输出引脚2643连接到计算机主机RS-232接口的RXD；ISP_RS232_RXD输出引脚2644连接到计算机主机RS-232接口的TXD，在其它电路说明中有对本部分信号连接有说明的，在此不再详细描述。

参照图9-15，详细说明USB3.0光纤接收端2。

如图9所示，USB3.0光纤接收端2，包括一个USB3.0 DEVICE下行接口单元21、USB3.0 HUB主控芯片22、Rx_DET模拟负载23、SFP+光模块24、供电单元25、MCU控制单元26、LED指示电路27、管理接口电路28、EEPROM芯片29。

USB3.0 HUB主控芯片22的引脚与其它电路的连接： EEPROM数据总线2212外接EEPROM芯片29，具体型号为M24C64；超速发送信号U3H_TX+/-差分对2213，连接到RX_DET模拟负载23的高速差分信号输入端231； RX_DET模拟负载23的高速差分信号输出端232连接到SFP+光模块24的TX+/-输入端246；超速接收信号U3H_RX+/-差分对2214连接到SFP+光模块24的RX+/-输出端247；USB3.0上行接口供电电压VBUS监控信号VBUS_DET输入脚2215连接到MCU控制单元的VBUS控制信号VBUS_DET输出脚2634，此信号用来控制USB3.0光纤发送端1和USB3.0光纤接收端2的通信协商；复位信号RST_USB输入2216一方面连接外部复位电路，另一方面连接到MCU控制单元26的USB3.0 HUB复位信号RST_USB输出脚2633；下行接口端口1电源使能PPON1信号输出脚 2231连接到供电单元的下行端口1电源使能DP_PWEN1信号输入脚2527；下行接口端口2电源使能PPON2信号输出脚 2233连接到供电单元的下行端口2电源使能DP_PWEN1信号输入脚2528；下行接口端口3电源使能PPON3信号输出脚 2235连接到供电单元的下行端口3电源使能DP_PWEN3信号输入脚2529；下行接口端口4电源使能PPON4信号输出脚 2237连接到供电单元的下行端口4电源使能DP_PWEN4信号输入脚2530；下行接口端口过流信号OCI输入脚 2235连接到供电单元的下行端口1过流信号DP_OVCI1输出脚2531、下行端口2过流信号DP_OVCI2输出脚2532、下行端口3过流信号DP_OVCI3输出脚2533、下行端口4过流信号DP_OVCI1输出脚2534；差分对USB3-TX1+/-信号输出2222和USB3-RX1+/-信号输入2223及USB2-1+/-差分对2241分别连接到下行接口1的USB3.0接口；差分对USB3-TX2+/-信号输出2224和USB3-RX2+/-信号输入2225及USB2-2+/-差分对2242分别连接到下行接口2的USB3.0接口；差分对USB3-TX3+/-信号输出2226和USB3-RX3+/-信号输入2227、及USB2-3+/-差分对2243分别连接到下行接口3的USB3.0接口；差分对USB3-TX4+/-信号输出2228和USB3-RX4+/-信号输入2229、及USB2-4+/-差分对2244分别连接到下行接口4的USB3.0接口，在其它电路说明中有对本部分信号连接有说明的，在此不再详细描述。

SFP+光模块24引脚与其它电路的连接：I2C总线时钟信号SFP_SCL引脚241连接到MCU控制单元26的时钟信号SFP_SCL引脚2611，I2C总线数据信号SFP_SDA引脚242连接到MCU控制单元26的数据信号SFP_SDA引脚2612；SFP+光模块24的发射关断信号SFP_TxDisable输入引脚243连接到MCU控制单元26的SFP_TxDisable输出引脚2613； SFP+光模块24的发射故障指示SFP_TxFault输出引脚244连接到MCU控制单元26的SFP_TxFault输入引脚2614； SFP+光模块24的插入检测引脚243连接到MCU控制单元26的SFP_TxDisable输出引脚2613； SFP+光模块24的发射关故障指示SFP_TxFault输出引脚244连接到MCU控制单元26的SFP_TxFault输入引脚2614；SFP+光模块24的无光告警信号LOS输出引脚245连接到MCU控制单元26的LOS输入引脚2615和LOS_232_RXD输入引脚2616；SFP+光模块24的光模块插拔检测信号MOD_IN输出引脚248连接到MCU控制单元26的MOD_IN输入引脚2617。SFP+光模块24的光发送电路供电输入SFP_VCCT引脚249连接到供电单元25的光模块光发送电路供电SFP_VCCT输出引脚2522；SFP+光模块24的光接收电路供电输入SFP_VCCR引脚240连接到供电单元25的光模块光接收电路供电SFP_VCCR输出引脚2523，在其它电路说明中有对本部分信号连接有说明的，在此不再详细描述。

供电单元25与其它电路的连接：外部供电EXT_5V引脚2515连接外部供电源; 由外部电源给整个电路供电；MCU控制单元26供电VCC_MU输出引脚2524连接到MCU控制单元26的电源VCC_MCU输入引脚2621；管理接口28供电VCC_CMI输出引脚2525连接到管理接口28的电源VCC_CMI输入引脚282；供电单元25的电源VCC_HUB输出脚2526连接到USB3.0 HUB主控芯片22的供电VCC_HUB输入脚2211；SFP+光模块24的供电使能信号SFP_PWR_EN输入引脚2521连接到MCU控制单元26的SFP_PWR_EN输出引脚2625；供电单元25的下行端口1的过流信号DP_OVC1_MCU输出引脚2544连接到MCU控制单元26的DP_OVC1_MU输入引脚2630；供电单元25的下行端口2的过流信号DP_OVC2_MCU输出引脚2545连接到MCU控制单元26的DP_OVC2_MU输入引脚2631；供电单元25的下行端口3的过流信号DP_OVC3_MCU输出引脚2546连接到MCU控制单元26的DP_OVC3_MU输入引脚2632；供电单元25的下行端口4的过流信号DP_OVC4_MCU输出引脚2547连接到MCU控制单元26的DP_OVC4_MU输入引脚2633；供电单元25的下行端口1的远程冷启动控制信号DP_PWEN1_MCU输出引脚2540连接到输入引脚MCU控制单元26的DP_PWEN1_MU输入引脚2634；供电单元25的下行端口2的远程冷启动控制信号DP_PWEN2_MCU输出引脚2541连接到输入引脚MCU控制单元26的DP_ PWEN2_MU输入引脚2635；供电单元25的下行端口3的远程冷启动控制信号DP_PWEN3_MCU输出引脚2542连接到输入引脚MCU控制单元26的DP_ PWEN3_MU输入引脚2636；供电单元25的下行端口4的远程冷启动控制信号DP_PWEN1_MCU输出引脚2543连接到输入引脚MCU控制单元26的DP_ PWEN4_MU输入引脚2637，在其它电路说明中有对本部分信号连接有说明的，在此不再详细描述。

管理接口28与其它电路的连接：管理接口28的USB2.0信号USB2.0-4+/-输入端口281连接到外部计算机主机的USB2.0端口，通过USB2.0 to RS-232转换芯片，从而在外部计算机主机上增加一个RS-232管理串口；管理接口28的串口发送数据RS232_TXD引脚284连接到MCU控制单元26的CMI_RS232_RXD输入引脚2642；管理接口28的串口接收数据RS232_RXD引脚283连接到MCU控制单元26的CMI_RS232_TXD输入引脚2641，在其它电路说明中有对本部分信号连接有说明的，在此不再详细描述。

MCU控制单元26有一个在线编程和升级接口，ISP_RS232_TXD输出引脚2643连接到计算机主机RS-232接口的RXD；ISP_RS232_RXD输出引脚2644连接到计算机主机RS-232接口的TXD，在其它电路说明中有对本部分信号连接有说明的，在此不再详细描述。

下面将详细说明一种对USB3.0光纤发送端和USB3.0光纤接收端之间光纤通信的自动协商方法的具体实现方式。

所述一种对USB3.0光纤发送端和USB3.0光纤接收端之间光纤通信的自动协商方法，是指通过单片机编程技术和制定相关的通信规则来解决在使用光纤传输USB3.0数据过程中因光纤接口光纤中断、光纤重复插拔、SFP+光模块热插拔、计算机开关机及重启后USB3.0终端设备重新计算机主机建立正确通信链接的方法。

USB3.0光纤通信是一个全双工双向通信，可以使用两芯光纤，或者利用光波分复用原理使用单芯光纤，在光纤连接过程中会出现三种情形，第一种USB3.0光纤发送端1的SFP+光模块14的光发送机和接收机用同时与USB3.0光纤接收端2的SFP+光模块24的光发送机和光接收机建立连接；第二种是USB3.0光纤发送端1 的SFP+光模块14的光发送机先与USB3.0光纤接收端2的SFP+光模块24的光接收机建立连接，进一步地，USB3.0光纤发送端1的SFP+光模块14的光接收机与USB3.0光纤接收端2的SFP+光模块24的光发送机建立连接；第三种是USB3.0光纤发送端1的SFP+光模块14的光接收先与USB3.0光纤接收端2的SFP+光模块24的光发送机建立连接，进一步地，USB3.0光纤发送端1的SFP+光模块14的光发送机与USB3.0光纤接收端2的SFP+光模块24的光接收机建立连接。

如果因光纤损坏或是人为将光纤拔出而导致的光纤连接中断，需要重新进行光纤连接时，计算机主机与远端USB3.0光纤接收端2的USB3.0 HUB主控芯片22需要重新建立连接，此时双方会重新发起低速LFPS信号进行握手连接，从而确定连接状态，但此时如果USB3.0光纤接收端2的USB3.0 HUB主控芯片22还未退出超高速链接状态，当出现第一种和第三种情况时，USB3.0光纤发送端1的USB3.0 HUB主控芯片12下行接口收到的不是LFPS数据信号，而是超高速数据包，这样就会导致协商失败，导致计算机连接此USB3.0光纤发送端1的USB3.0主控制器3端口死机，从而无法识别USB3.0光纤发送端1的USB3.0 HUB主控芯片12、USB3.0光纤接收端2的USB3.0 HUB主控芯片22及外接USB3.0终端设备。

USB3.0光纤发送端1和USB3.0光纤接收端2在通信过程中往往会遇到计算机主机关机、重启、计算机主机关机了很长时间后重新开机，这样就会面临严峻的问题：当计算机主机重新进入操作系统后，经常会出现USB3.0光纤发送端1和USB3.0光纤接收端2与当计算机主机连接失败，计算机主机有可能会提示USB3.0设备合规但是无法链接、或是根本没有链接动作，导致这个问题的原因是在计算机主机退出系统后，USB3.0光纤发送端1和USB3.0光纤接收端2的通信状态并未进入LFPS协商状态，而一直处于正常的超高速链接，当计算机主机重新进入系统后，计算机主机的USB3.0主控制器3应该与USB3.0光纤发送端1是一个低速率通信模式，但实际计算机主机的USB3.0主控制器3首先收到的是USB3.0光纤发送端1发送过来的超高速数据包，从而导致两者的协商失败，计算机主机无法找到USB3.0主控制器3外接的所有USB3.0终端设备。

为了解决以上问题，我们在此约定一种对USB3.0光纤发送端和USB3.0光纤接收端之间光纤通信的自动协商方法：不管任何时候，USB3.0光纤接收端1的SFP+光模块14的光接收机总是先于USB3.0光纤发送端2的SFP+光模块24的光接收机收到光信号；USB3.0光纤接收端1的光接收机在光纤连接中断后, MCU控制单元16发输出控制指令使USB3.0 HUB主控芯片22上行接口链路断开，USB3.0 HUB主控芯片22进入待机状态，并使USB3.0光纤接收端2的SFP+光模块24的光发送机处于发射禁止状态，完全不会发送光信号出来，即使光纤重新连接正常，在USB3.0光纤接收端2的USB3.0 HUB主控芯片22没有完成链路初始化前也会处于发射禁止状态；光纤断开后USB3.0光纤发送端1的光接收机收不到光信号，MCU控制单元16发输出控制指令使USB3.0光纤发送端1的USB3.0上行接口与计算机主机的USB3.0主控制器3链路连接中断；当USB3.0光纤接收端2的光接收机在光纤重新连接后, MCU控制单元26发输出控制指令使USB3.0 HUB主控芯片22进入正常工作状态，初始化芯片链路状态，USB3.0 HUB主控芯片22上行接口Tx输出端输出LFPS信号，MCU控制单元26发输出控制指令使USB3.0光纤接收端2的SFP+光模块24的光发送机处于发射使能状态，正常发送LFPS光信号出来，USB3.0光纤发送端1的光接收机收到LFPS光信号后，MCU控制单元16发输出控制指令使USB3.0光纤发送端1的USB3.0上行接口与计算机主机USB3.0主控制器3的链路接通，并重新与计算机主机进行LFPS协商，直至通信连接正常；当产生计算机主机关机后USB3.0光纤发送端电路可以监控与计算机主机USB3.0控制器的链路状态，MCU控制单元发会根据USB3.0光纤发送端与计算机主机USB3.0控制器的链路状态输出相应控制指令，使USB3.0光纤发送端USB3.0上行接口与计算机主机的通信链路处于断开状态，USB3.0光纤发送端的USB3.0 HUB主控芯片会进入待机状态，并向USB3.0光纤接收端的USB3.0主控芯片发送LFPS协商信号，让两者都处于待机状态；当产生计算机主机关机、重启、计算机主机关机后重新开机时USB3.0光纤发送端电路1可以监控与计算机主机USB3.0控制器3的链路状态，USB3.0光纤发送端1的MCU控制单元16发会根据与计算机主机USB3.0控制器3的链路状态输出相应控制指令，使USB3.0光纤发送端1的USB3.0上行接口与计算机主机处于正确的连接状态，当监控到计算机USB3.0控制器3发起LFPS协商后，USB3.0光纤发送端1的MCU控制单元16使USB3.0光纤发送端1的USB3.0上行接口与计算机主机USB3.0主控制器3的链路接通，并向计算机主机发出LFPS信号进行通信协商，直至通信连接正常；USB3.0光纤发送端1与计算机主机通信正常后，USB3.0光纤发送端1的USB3.0 HUB主控芯12会向USB3.0光纤接收端1的USB3.0主控芯片22发送LFPS协商信号，直至通信连接正常。

USB3.0标准规定的超高速USB3.0终端设备在通信过程中的数据流都必须编码成超高速数据流进行传输，由于USB3.0标准没有留出一些低速率的IO通道，因此，在USB3.0光纤通信过程中，为了保证兼容性和普遍适用性，光纤传输设备不会对USB3.0重新编解码，只是将收到的USB3.0电信号进行电-光-电的转换，光纤传输设备不会在数据流中加入任何附加的数据，USB3.0信号使用光纤传输设备在传输过程中是透明的。因此，对于诸如远程开关控制、数字诊断信号的发送与结果回传都无法通过USB3.0的硬件电路完成，所以本发明正是基于这种实际应用，提出了一种对USB3.0光纤发送端和USB3.0光纤接收端进行数字诊断及USB3.0终端设备远程控制的方法。

下面将详细说明一种对USB3.0光纤发送端和USB3.0光纤接收端进行数字诊断及USB3.0终端设备远程控制的方法的具体实现方式。

所述一种对USB3.0发送机1和USB3.0光纤接收机2进行数字诊断及USB3.0终端设备远程控制的方法，是指利用SFP+光模块光发送机的发射关断控制SFP_Tx_Disable输入脚和光接收机的无光告警信号SFP_LOS输出脚组合形成一个低速率双向RS-232传输通道，由双向RS-232传输通道、MCU控制单元、管理接口组成一个数字诊断通道，计算机通过数字诊断通道来实现对USB3.0终端设备的供电电路或是USB3.0终端设备本身的控制接口发送控制指令，以及对SFP+光模块、终端设备的供电状态进行数字诊断管理。

参照SMALL FORM-FACTOR PLUGGABLE (SFP) TRANSCEIVER MULTISOURCEAGREEMENT (MSA)国际标准， SFP+光模块光发送机的发射关断控制SFP_Tx_Disable输入脚是用来开启和关断SFP+光模块光发送机激光器的发光状态，当该引脚为高电平时，激光器不发光，当该引脚为低电平时，激光器发光，当SFP+光模块正常工作时发射关断控制信号电平要一直保持为低；而SFP+光模块光接收机的无光告警信号SFP_LOS输出脚在没有光信号输入到光接收机的时候，无光告警信号SFP_LOS输出脚输出一个高电平信号，有光信号输入到光接收机的时候，无光告警信号SFP_LOS输出脚输出一个低电平信号，该信号只是用来判断输入光信号的有无，在正常光通信过程中，该信号一直是保持低电平；这两个控制脚本身没有双向数据通信的功能，但是我们可以在发射关断控制SFP_Tx_Disable输入脚输入一个低速率的数字方波信号，如9600bps的串口信号，那么SFP+光模块光发送机会按照该低速率的数字方波信号高低电平的变化产生无光发出和有光发出的状态变化，从而调制出9600bps低速率的光信号，而在对应SFP+光模块光接收机的无光告警信号SFP_LOS输出脚会按照无光输入和有光输入的状态变化，还原出原始的9600bps的串口信号；因此，SFP+光模块光发送机的发射关断控制SFP_Tx_Disable输入脚和光接收机的无光告警信号SFP_LOS输出脚可以组合形成一个低速率双向RS-232传输通道，由双向RS-232传输通道、MCU控制单元、管理接口组成一个数字诊断通道，数字诊断通道在USB3.0链路正常通信的情况下是不工作的，数字诊断通道只有在USB3.0光纤发送端和USB3.0光纤接收端初始连接建立之前、USB3.0终端设备发生故障、以及人为进行控制时才会进行工作，而且操作人员在计算机端和USB3.0设备端都可以进行相应管理操作。

当我们在使用USB3.0终端设备过程中偶尔会出现设备死机或是其它无法通过计算机主机端恢复USB3.0终端设备到正常工作状态时，我们可以通过数字诊断通道向管理接口发送特定的指令到USB3.0终端设备本身控制接口或是与USB3.0终端设备连接USB3.0端口的供电电路，对设备进行冷启动，从而恢复正常，我们也可以通过数字诊断通道向管理接口发送特定的指令到USB3.0终端设备本身控制接口获取USB3.0终端设备的故障情况。

在USB3.0光纤发送端和USB3.0光纤接收端初始连接建立之前，USB3.0光纤接收端2的MCU控制单元26通过SFP+光模块24的I2C总线读取到光模块的发射光功率、激光器的偏置电流、接收灵敏度、光模块的供电电压、工作温度、故障情况等光模块指标后，通过USB3.0光纤接收端1的MCU控制单元26的RS-232串口将信号发送到SFP+光模块24的SFP_Tx_Disable输入脚243，调制输出RS232光信号，而在USB3.0光纤发送端1数字诊断通道的SFP_LOS输出脚145输出RS-232串行数据，RS-232串行数据输送到USB3.0光纤发送端1的MCU控制单元16数字诊断通道的串口信号输入LOS_232_RXD输入脚1638，经MCU控制单元16处理后送到计算机主机端；此外，我们还可以在计算机主机端通过管理接口18的USB2.0 to RS232转换电路将指令转换成RS-232信号，RS-232通过管理接口18的RS232_TXD输出引脚86发送数字诊断请求指令到USB3.0光纤发送端1的MCU控制单元16的RS-232串口信号CMI_RS232_RXD输入脚1618，MCU控制单元16通过数字诊断通道发送指令到USB3.0光纤接收端2的MCU控制单元26的串口信号输入LOS_232_RXD输入脚2616，收到指令后MCU控制单元26将读取到的光模块指标通过数字诊断通道回传到USB3.0光纤发送端1的MCU控制单元16的串口信号输入LOS_232_RXD输入脚1638，经MCU控制单元16处理后通过RS-232串口信号CMI_RS232_TXD输出脚1617发送到通过管理接口18的RS232_RXD输入引脚85，通过USB2.0 to RS232转换后送到计算机主机端；对于USB3.0光纤发送端1的光模块指标，我们可以在计算机主机端能过管理接口18发送数字诊断请求指令到USB3.0光纤发送端1的MCU控制单元直接获取；通过这两种方法可以实现对SFP+光模块的数字诊断管理；此外当USB3.0光纤接收端2的USB3.0终端设备供电产生过流故障时，MCU控制单元22会将此故障代码存储起来，直到过流故障解除才会清除所存故障代码，当我们发现设备工作不正常时，可以在计算机主机端过管理接口18发送数字诊断请求指令到USB3.0光纤接收端2的MCU控制单元22获取USB3.0终端设备故障代码。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定保护范围。

Claims (5)

1.一种用于 USB3.0 光纤发送端和 USB3.0 光纤接收端之间光纤通信的自动协商方法，其特征在于：在 USB3.0 光纤发送端和 USB3.0 光纤接收端都有一个 MCU 控制单元，用来实现对USB3.0 光纤发送端和 USB3.0 光纤接收端的数字诊断及 USB3.0 终端设备远程控制，以及USB3.0 光纤发送端和 USB3.0 光纤接收端之间光纤通信的自动协商，不管任何时候，USB3.0光纤接收端的 SFP+光模块的光接收机总是先于 USB3.0 光纤发送端的SFP+光模块的光接收机收到光信号；USB3.0 光纤接收端的光接收机在光纤连接中断后 ,MCU 控制单元会输出控制指令使 USB3.0 HUB 主控芯片上行接口链路断开，USB3.0 HUB主控芯片进入待机状态，并使 USB3.0 光纤接收端 SFP+光模块的光发送机处于发射禁止状态，完全不会发送光信号出来，即使光纤重新连接正常，在 USB3.0 光纤接收端的USB3.0 HUB 主控芯片没有完成链路初始化前也会处于发射禁止状态；光纤断开后 USB3.0光纤发送端的光接收机收不到光信号，MCU 控制单元会输出控制指令使 USB3.0 光纤发送端 USB3.0 上行接口与计算机主机的USB3.0 主控制器链路连接中断；当 USB3.0 光纤接收端的光接收机在光纤重新连接后 , MCU控制单元会输出控制指令使 USB3.0 HUB 主控芯片进入正常工作状态，初始化芯片链路状态，USB3.0 HUB 主控芯片上行接口 Tx 输出端输出 LFPS 信号，MCU 控制单元会输出控制指令使 USB3.0 光纤接收端 SFP+光模块的光发送机处于发射使能状态，正常发送 LFPS 光信号出来，USB3.0 光纤发送端的光接收机收到 LFPS 光信号后，MCU 控制单元会输出控制指令使USB3.0 光纤发送端 USB3.0 上行接口与计算机主机 USB3.0 主控制器的链路接通，并重新与计算机主机进行 LFPS 协商，直至通信连接正常；当产生计算机主机关机后 USB3.0 光纤发送端电路能监控与计算机主机USB3.0 控制器的链路状态，MCU 控制单元会根据 USB3.0 光纤发送端与计算机主机USB3.0 控制器的链路状态输出相应控制指令，使 USB3.0 光纤发送端USB3.0 上行接口与计算机主机的通信链路处于断开状态，USB3.0 光纤发送端的 USB3.0 HUB 主控芯片会进入待机状态，并向 USB3.0 光纤接收端的 USB3.0 主控芯片发送 LFPS 协商信号，让两者都处于待机状态；当产生计算机主机关机、重启、计算机主机关机后重新开机时 USB3.0 光纤发送端电路能监控与计算机主机 USB3.0 控制器的链路状态，USB3.0 光纤发送端的MCU 控制单元会根据与计算机主机 USB3.0 控制器的链路状态输出相应控制指令，使USB3.0 光纤发送端 USB3.0 上行接口与计算机主机处于正确的连接状态，当监控到计算机USB3.0 控制器发起 LFPS 协商后，USB3.0 光纤发送端 MCU 控制单元使 USB3.0 光纤发送端USB3.0 上行接口与计算机主机 USB3.0 主控制器的链路接通，并向计算机主机发出 LFPS 信号进行通信协商，直至通信连接正常；USB3.0 光纤发送端与计算机主机通信正常后，USB3.0光纤发送端的 USB3.0 HUB 主控芯会向 USB3.0 光纤接收端的 USB3.0 主控芯片发送 LFPS 协商信号，直至通信连接正常。

2.一种用于 USB3.0 光纤发送端和 USB3.0 光纤接收端进行数字诊断及 USB3.0 终端设备远程控制的方法，其特征在于：在 USB3.0 光纤发送端和 USB3.0 光纤接收端都有一个由双向RS-232 传输通道、MCU 控制单元、管理接口组成一个数字诊断通道，在 USB3.0光纤发送端的管理接口根据需要进行自动切换输入的 USB2.0 信号；USB3.0 光纤接收端的管理接口能连接外部计算机的 USB2.0 接口，管理接口中含有一个用于数据传输的USB2.0 转换成RS-232 接口，操作人员在计算机主机上通过管理接口，利用在 USB3.0 光纤发送端和 USB3.0光纤接收端由 SFP+光模块的发射关断控制输入脚和无光告警信号输出脚组合形成的低速率双向 RS-232 传输通道、MCU 控制单元、管理接口组合成的数字诊断通道；实现对远端的USB3.0 终端设备的供电电路的控制和对 USB3.0 终端设备本身的控制接口发送控制指令，操作人员在计算机主机端过管理接口发送数字诊断请求指令到USB3.0 光纤接收端的 MCU 控制单元获取 USB3.0 终端设备故障代码；以及对 USB3.0 光纤接收端的 SFP+光模块、终端设备的供电状态进行数字诊断管理；数字诊断通道只有在USB3.0 光纤发送端和 USB3.0 光纤接收端初始连接建立之前、USB3.0 终端设备发生故障、以及人为进行控制时才会进行工作，而且操作人员在计算机端和 USB3.0 设备端都能进行相应管理操作；该方法的具体步骤如下：

在 USB3.0 光纤发送端和 USB3.0 光纤接收端初始连接建立之前，USB3.0 光纤接收端的 MCU控制单元通过 SFP+光模块的 I2C 总线读取到光模块的发射光功率、激光器的偏置电流、接收灵敏度、光模块的供电电压、工作温度、故障情况的光模块指标后，通过USB3.0 光纤接收端的 MCU 控制单元的 RS-232 串口将信号发送到 SFP+光模块的 SFP_Tx_Disable 输入脚，调制输出 RS232 光信号，而在 USB3.0 光纤发送端数字诊断通道的SFP_LOS 输出脚输出 RS-232串行数据，RS-232 串行数据输送到 USB3.0 光纤发送端的MCU 控制单元数字诊断通道的串口信号输入脚 LOS_232_RXD，经 MCU 控制单元处理后送到计算机主机端；此外，操作人员还能在计算机主机端通过管理接口的 USB3.0 to RS232转换电路将指令转换成 RS-232 信号，RS-232 通过管理接口的 RS232_TXD 输出引脚发送数字诊断请求指令到 USB3.0 光纤发送端的 MCU 控制单元的 RS-232 串口信号输入脚CMI_RS232_RXD，MCU 控制单元通过数字诊断通道发送指令到 USB3.0 光纤接收端的 MCU控制单元的串口信号输入脚LOS_232_RXD，收到指令后 MCU 控制单元将读取到的光模块指标通过数字诊断通道回传到USB3.0 光纤发送端的 MCU 控制单元的串口信号输入脚 LOS_232_RXD，经 MCU 控制单元处理后通过 RS-232 串口信号输出脚 CMI_RS232_TXD 发送到通过管理接口的输入引脚RS232_RXD，通过 USB3.0 to RS232 转换后送到计算机主机端；对于 USB3.0 光纤发送端的光模块指标，操作人员在计算机主机端能过管理接口发送数字诊断请求指令到 USB3.0 光纤发送端的 MCU 控制单元直接获取；通过这两种方法实现对SFP+光模块的数字诊断管理；此外当 USB3.0 光纤接收端的 USB3.0 终端设备供电产生过流故障时，MCU 控制单元会将此故障代码存储起来，直到过流故障解除才会清除所存故障代码，当操作人员发现设备工作不正常时，操作人员在计算机主机端过管理接口发送数字诊断请求指令到 USB3.0 光纤接收端的MCU 控制单元获取 USB3.0 终端设备故障代码。

3.一种基于光纤远距离传输的 USB2.0\3.0 HUB，其特征在于：包括一个 USB3.0 光纤发送端和一个 USB3.0 光纤接收端，两者之间通过一种用于 USB3.0 光纤发送端和USB3.0 光纤接收端之间光纤通信的自动协商规则进行通信，不管任何时候，USB3.0 光纤接收端的 SFP+光模块的光接收机总是先于 USB3.0 光纤发送端的 SFP+光模块的光接收机收到光信号；在USB3.0 光纤接收端的 USB3.0 HUB 能同时连接四个 USB3.0\2.0\1.1终端设备；采用带热插拔功能的 SFP+光模块，操作人员能根据实际需要选择合适地光纤的长度进行布线；一种基于光纤远距离传输的 USB2.0\3.0 HUB 在传输 USB3.0 信号传输过程中不会在原始数据流中加入任何附加的数据，USB3.0 信号在光纤传输过程中是透明的，所有符合 USB3.0 标准的超高速USB 终端设备都能正常连接；一种基于光纤远距离传输的USB3.0 HUB在 USB3.0 光纤接收端的 USB3.0 HUB 主控芯片为 Fresco Logic 公司生产的 FL6000，一种基于光纤远距离传输的 USB3.0 HUB 在 USB3.0 光纤发送端和 USB3.0光纤接收端都有一个由 SFP+光模块的发射关断控制输入脚和无光告警信号输出脚组合形成的低速率双向 RS-232 传输通道，由低速率双向 RS-232 传输通道、MCU控制单元和管理接口组成一个数字诊断通道，操作人员通过 USB3.0 光纤发送端和 USB3.0 光纤接收端的数字诊断通道实现远程诊断管理和远程控制功能。

4.如权利要求 3 所述的一种基于光纤远距离传输的USB2.0\3.0 HUB，其特征在于：在USB3.0 HUB 光纤发送端的主控芯片为μPD720210；在 USB3.0 光纤接收端的USB3.0 HUB主控芯片内部包含了一个 USB2.0 加速引擎，所有下行端口的 USB2.0 信号转换成USB3.0信号，最后与所有下行接口的 USB3.0 信号通过 USB3.0 HUB 主控芯片内的超高速HUB 控制器与路由引擎与计算机主机的 USB3.0 主控芯片进行数据传输，用光纤通过USB3.0 超高速差分数据线来同时传输 USB2.0 和 USB3.0 数据；USB3.0 HUB 主控芯片的上行口连接到 SFP+光模块，USB3.0 光纤接收端的 USB3.0 HUB 主控芯片四个端口都能支持 USB2.0 和 USB3.0终端外设，在支持 USB3.0 设备的同时直接向下兼容 USB2.0\1.1\1.0 设备。

5.如权利要求 3 所述的一种基于光纤远距离传输的 USB2.0\3.0 HUB，其特征在于：在USB3.0 光纤发送端和 USB3.0 光纤接收端都有一个 Rx_DET 模拟负载，用来模拟USB3.0 主控制器下行接口 Rx 输入端的 Rx_DET 电路，实现采用普通 SFP+光模块实现USB3.0 电信号转换成光信号进行光纤通信。