工業(yè)通信用的USB串口光纖通信方案

目前計算機的USB接口已經(jīng)大量使用，一般每臺計算機都有多個USB口。當USB的通信距離超過幾十米后，采用電纜連接方案甚至無線方案都已經(jīng)無法實現(xiàn)，目前只有光纖可以實現(xiàn)USB的遠程通信。

USB口已經(jīng)成為了計算機最重要的外部接口，幾乎可以代替所有外部接口。USB的規(guī)范規(guī)定USB的通信距離最多5米（用USB-HUB級連）。市場上還有一種用RJ-45線傳輸?shù)腢SB遠程延長器，據(jù)說可以到50米。更遠的USB通信目前只能夠用光纖實現(xiàn)：多模光纖最遠4Km，單模光纖最遠40Km。

首先認識一下USB的通用性，也就理解了USB的重要性。按照用途的通用性對幾種常用的外部接口進行排隊：USB≥以太網(wǎng)口〉串口〉PS/2、打印口等。USB口可以方便地轉(zhuǎn)換出以太網(wǎng)口、串口以及PS/2口、打印口、甚至音頻、視頻口等。反過來，串口以及PS/2口、打印口等無法生成USB口，因為USB的規(guī)范更加復雜。只有以太網(wǎng)口加上電源才可以生成USB口，并且需要專門的軟件支持。當然計算機的內(nèi)部總線接口通用性最好：臺式機的PCI口、筆記本的PCMCIA口完全可以生成USB口，而且無須驅(qū)動程序。

USB2.0以及USB1.0 的規(guī)范沒有光纖接口。雖然將來的USB3.0可能會帶有光纖接口，但是仔細研究USB3.0規(guī)范就知道USB3.0實際上是分為兩個部分的：傳統(tǒng)的USB2.0部分和延伸的特定USB3.0部分。只有延伸的特定USB3.0部分是可能會有光纖通信功能的，但是這部分并不兼容USB2.0。而USB2.0是完全兼容USB1.0的。

工業(yè)通信用的USB-串口光纖通信方案

在一些工業(yè)通信的場合，由于數(shù)據(jù)量不大并且特別要求實時性，往往采用串行通信，通信協(xié)議為RS-232或者RS-485。工業(yè)計算機的USB口可以通過光纖以RS-232或者RS-485協(xié)議進行串行通信。這時可以選用USB/串口光纖轉(zhuǎn)換器，波仕電子的典型產(chǎn)品是OPTU232L1（多模）和OPTU232SL1（單模），如圖1。波仕電子發(fā)明和首創(chuàng)了USB/串口光纖轉(zhuǎn)換器、同時也是世界上唯一的USB/串口光纖轉(zhuǎn)換器，專利號200730098650。波仕電子的OPTU232L1和OPTU232SL1是最新一代USB光纖通信產(chǎn)品，直接從USB口轉(zhuǎn)換出一對光纖收發(fā)頭用于傳輸串口信號，而且無須供電。波仕OPTU232L1和OPTU232SL1微型USB/串口光纖轉(zhuǎn)換器具有超小型的外形（74*23*47mm）、可以將USB口虛擬成為本地COM串口（COM1-COM256）、無須修改已有的串口通信軟件。驅(qū)動程序同波仕USB232系列轉(zhuǎn)換器，支持Windows XP/CE 、LINUX、Mac OS等。

由于OPTU232L1（或OPTU232SL1）傳輸?shù)倪€是串口信號，所以必須成對使用或者與波仕的其他串口/光纖轉(zhuǎn)換器配對使用。由于采用光纖作為通信傳輸介質(zhì)，具有隔離高電壓、防電磁干擾、傳輸距離遠等優(yōu)點。OPTU232SL1的傳輸介質(zhì)為單模光纖、OPTU232L1的傳輸介質(zhì)為多模光纖，但是外形和驅(qū)動程序是完全一樣的。這種方案大大簡化了USB口的光纖遠程通信，圖2為OPTU232L1與波仕的串口/光纖中繼轉(zhuǎn)換器組網(wǎng)通信圖。兩邊的計算機都配置好USB/串口光纖轉(zhuǎn)換器并且連接好后，用“串口調(diào)試助手”軟件或者其他串口通信軟件就可以傳輸數(shù)據(jù)和文件了。

用以太網(wǎng)光纖實現(xiàn)的USB光纖通信方案

以上的方案為兩邊都是計算機，都能夠安裝驅(qū)動程序。如果上面的應(yīng)用中僅有一邊為計算機，而另外一邊為USB設(shè)備呢？由于USB設(shè)備不能夠安裝驅(qū)動程序，就必須采用其它的USB光纖通信方案。在常用的幾種外部接口中，目前采用光纖傳輸技術(shù)比較成熟的是以太網(wǎng)。先通過光纖將以太網(wǎng)延長到遠端，然后將遠端的以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換成為USB口，這樣就實現(xiàn)了USB的光纖遠程通信。而現(xiàn)在的計算機都有以太網(wǎng)口，即使沒有以太網(wǎng)口的情況下從USB口轉(zhuǎn)換出一個以太網(wǎng)口也是很方便的。

以太網(wǎng)光纖轉(zhuǎn)換器分單模光纖和多模光纖兩種產(chǎn)品，都能夠把以太網(wǎng)信號從銅纜雙絞線介質(zhì)信號轉(zhuǎn)換為光纖介質(zhì)信號。支持IEEE802.3標準、可將 10BASE-T/100BASE-TX以太網(wǎng)雙絞線信號轉(zhuǎn)換成100Base- FX以太網(wǎng)光纖信號，產(chǎn)品提供一個雙絞線RJ- 45接口和一個光纖接口（一般為SC頭）。以太網(wǎng)單模光纖轉(zhuǎn)換器可以最遠傳輸40Km~60Km，以太網(wǎng)多模光纖轉(zhuǎn)換器可以最遠傳輸2~4Km。

相對來講，從以太網(wǎng)口轉(zhuǎn)換出USB口是比較不通用的、非主流的技術(shù)。早期的類似產(chǎn)品稱為USB打印服務(wù)器（USB PRINTER SERVER）。之所以稱為USB打印服務(wù)器而不是USB服務(wù)器或者以太網(wǎng)/USB轉(zhuǎn)換器是因為這些產(chǎn)品生成的USB口只能夠支持USB打印機，甚至只支持某些品牌的某些型號的打印機。由于USB遠程應(yīng)用中許多都是打印機，所以這些產(chǎn)品今天仍然廣泛應(yīng)用。用電纜傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)的最遠距離為150米?，F(xiàn)在USB口的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛，比如說，我們經(jīng)常用U盤、USB攝像頭等。幸運的是，USB網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器（也稱為：以太網(wǎng)/USB轉(zhuǎn)換器）技術(shù)和產(chǎn)品也在進步，我們對最新的一款NETWORKING USB SERVER（USB網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器）的產(chǎn)品（如圖3）進行了測試，該產(chǎn)品支持USB存儲盤、USB/串口轉(zhuǎn)換器、USB攝像頭等，當然也支持USB打印機，符合USB2.0協(xié)議，也可以接USB-HUB擴展USB口。這款產(chǎn)品的默認IP地址為169.254.10.10，注意計算機的以太網(wǎng)口地址段的前2位要一樣。比如在產(chǎn)品的USB插座上外插U盤，配套的軟件“Lanch Networking USB Server”（如圖4）會顯示已經(jīng)連接U盤。打開計算機的“資源管理器”就可以讀寫這個U盤了。如果外插USB/串口轉(zhuǎn)換器，配套軟件還會提示安裝轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動程序。

最后將“USB網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器”接入以太網(wǎng)光纖收發(fā)器的遠程以太網(wǎng)口，并且插上U盤，如圖5。我們會發(fā)現(xiàn)這時軟件“Lanch Networking USB Server”運行的結(jié)果與直接接入計算機的以太網(wǎng)口時是一樣的，還是如圖4。兩個“以太網(wǎng)光纖收發(fā)器”之間連接的光纖可以最遠到4Km（多模）或者60Km（單模）。這樣就實現(xiàn)了USB的光纖遠程通信。

USB的標準通信距離（最遠5米）是USB標準的缺陷，遺憾的是，USB3.0雖然將傳輸速率的理論值從USB2.0的480Mb提高到了4800Mb，電纜從4芯增加到了9芯，而標準通信距離卻從5米減少到了3米。也就是說，USB3.0只要通信距離超過3米，可能唯一有效解決的方法就是光纖。這可能也是為什么USB3.0規(guī)范中考慮到了光纖通信接口的原因。象現(xiàn)在市場上的一種用RJ-45線傳輸50米的USB延長器對USB3.0肯定是無效的，因為它是USB1.0的，它的基本原理是增加電源線以及信號線的電流強度。