Опубликовано АДР       Размещено http://90.189.213.191:4422/temp/apep2018/apep2018.doc          открыть

------------------------------------------------------------------------------

Улучшение показателей оптоволоконных систем передачи при использовании медиаконверторов

А.Н. Игнатов          А. А. Шабронов

 

 

Совершенствование систем передачи данных создает, на взгляд авторов, избыточное использование микропроцессоров.  Приведено описание разработанной схемы  конвертора RS485 (USB) для интерфейса оптоволоконного удлинителя с использованием модулей стандарта  SFP. Основное отличие от существующих прототипов медиаконверторов [1] - отсутствие микроконтроллеров с программной настройки, что существенно снижает стоимость изделий и предлагает использование любых скоростей  оконечных данных, вплоть до постоянного уровня. Описан метод цифрового уплотнения двоичного кодирования в двоичный канал.  

 

Ключевые слова:  RS485, USB-шина,   SFP, протокол обмена USB, оптоволоконная связь.

Введение

·         Микропроцессоры (микроконтроллеры)  заполняют все ниши технических решений. Кроме преимуществ, есть и минусы - программное обеспечение этих технических решений.  Программы требуют время для написания, принципиально могут содержать в себе ошибки. Выбор программного или аппаратного решения задачи разработки устройств связи - это стратегическая линия развития. На взгляд авторов,  если может система  связи (или ее компонент)  в дальнейшем улучшать  свои свойства за счет программного обеспечения, то это оправдывает использование микропроцессоров.

·         Существующие прототипы  медиаконвертеров [1] построены на микроконтроллерах и имеют структуру для объединения многих низкоскоростных каналов в один высокоскоростной для оптоволокна, что не всегда экономически обосновано. 

·         Оптоволокно обладает преимуществом по сравнению с медной жилой в допустимой скорости передачи данных. Однако, оконечные источники данных это в большинстве своем малые скорости. Источники данных с малыми скоростями  требуется в начале соединить, передать   и затем разделить вновь. В данной работе предлагается альтернативное решение – без микропрограммного управления процессом обработки данных.

·         Предлагаемое решение и разработанная схема  преобразует сигнал  стандарта RS485 и ему подобный интерфейс USB,  в сигнал, который возможный передавать по оптическому каналу [2]. На приеме сигнал вновь преобразуется в сигнал стандарта RS485,USB.  Используются элементы преобразования сигналов  без микропрограммного управления, что снижает общую стоимость изделия.

·         Важным преимуществом следует отметить способность конвертора работать без программирования, позволяет использовать любую скорость оконечного устройства, от постоянного значения до максимально. Область применения данного конвертора  -   снижение стоимости  система связи  с использованием интерфейса RS485, USB и оптоволоконных линий.  Конвертор создает «прозрачную» линию, и «удлиняет» интерфейс RS485, USB.

1.  Место конверторов в системах связи 

Блоки конвертора независимы по функционированию  ведущий или ведомый. Схема взаимодействия представлена  на рисунке1.

·         Структура и связи основных узлов конвертора оптоволоконного удлинителя USB интерфейса  представлена на рисунке 2.

·         Принимаемые данные поступают на блок переключения приема-передачи и направляются в блок кодирования передачи.

 

·         Если данные поступают от блока декодирования, то передача  блокируется в блоке переключения.

·         Поскольку протокол обмена USB возможен и на прием и на передачу с разделением по времени, то  приоритетом блока задана приемная функция. В этом случае поддерживается система обмена «ведомый-ведущий».

 

 

2. Принципиальная   схема разработанного конвертора

§         Функции   основных узлов представлены  на принципиальной схеме, рисунке 3.

§         Для возможных вариантов  подключения устройств «ведущий» или «ведомый» протокола обмена [2] RS485,USB предусмотрено два входных разъема типа «male» и «female» ( «мама», «папа» в русских терминах). В данной схеме не приведено, представлено в [4] .

§         Например, если используется удаленно FLESH USB накопитель, то для работы потребуется источник питания 5вольт. В один разъем включается накопитель, а в другой источник питания;

§         Модуль SFP включается через разъем J1;

§         Все элементы схемы используют питание порта USB. Максимальный потребляемый ток не превышает 250 миллиампер при напряжении питания 5 вольт [3];

§         Блок переключения приема-передачи выполнен на элементах U2 и U3.  В случае приема информации U3.3 блокирует  по выводам 2 -3 U2  возможность обратной передачи.

§         Блок кодирования передачи выполнен на элементах:

·         U6 - генератор импульсной последовательности для кодировки данных в SFP;

·         U5 -  два  D-триггера, приема информации и управления выходным коммутатором;

·         U7 -  коммутатор-мультиплексор,  на элементах 2И-НЕ, который формирует цифровой код передаваемый в оптический канал SFP;

 

 

·         Блок кодирования выполняет преобразование сигналов USB в двух частотный относительный код.

·         Кодирование бита выполняется отличием передаваемого сигнала по длительности в два раза.

·         Бит 0 - это 2То и  Бит 1 - это То.

·         Значение сигнала в тактовых  интервалах  двух уровневое и  меняется в зависимости от данных.

·         На рисунке 4 показан пример передачи  сигнала USB, который имеет значительно больше длительность, по сравнению с тактовым интервалом.

·         Данный метод удобно использовать в системах с определением сигнала по длительности, например в  оптоволоконных передатчиках и блоках SFP.  Многие современные системы передачи данных определяют сигнал 0 или 1 по длительности передаваемого сигнала.

·         Приемник выполнен на элементах:

o        U1 - микросхема преобразователя двух фазного сигнала в одно фазный. Принимается сигнал от  SFP  и преобразуется в удобный вид для обработки;

o        U4 - микросхема преобразования сигнала двухчастотного кодирования в сигналы фронтов. Показано на рисунке 5 входной и выходной сигнал преобразования;

 

o        Длительность сигнала интервала бита 0 в два раза больше интервала бита 1.

o        Сигнал через диод D2 поступает на интегрирующую цепь R3 C1;

o        U2.1 выполняет определение уровня накопленного напряжения и определяет передачу бита 0 или  бита 1. Показано на рисунке 6.

·         Для согласования фаз сигналов приема и передачи  используются элементы 2И-НЕ микросхемыU2, и таким образом не  создаются конфликты «замкнутого кольца».

·         Для возможной коррекции и использования разных частот кварцевых резонаторов интегрирующая цепь выполнена на переменном резисторе.

·         Индикация подключения оптоволоконного кабеля выполняется на светодиоде D1. Если оптический кабель не подключен, то сигнала логической единицы нет. Светодиод не горит.

·         Если сигнал логической 1 появился от противоположного конвертора, то светодиод загорится.

·         При передаче информации, светодиод будет мигать, поскольку передаются блоки информации содержащие  0 и 1;

·         Конденсаторы фильтра питания устанавливаются возле микросхем по шине питания. На  схеме не показаны;

·         Для питания модуля SFP применена микросхема стабилизатора LM1117, корпус ТО220, имеющая выходное напряжение 3.3 вольта [4];

·         Используемый редактор   трассировщика   DipTrace   позволяет смоделировать полученную печатную плату [4].

·         Печатная плата подготовлена под пластмассовый корпус 100*60*20 мм. Выбрано размещение элементов  из требований частотной развязки кодера и декодера. Печатная плата имеет двухстороннее покрытие шиной общего заземления для уменьшения паразитных связей.

·         Элемент стабилизатора LM1117 с корпусом  ТО220  используются без радиатора.  Место под радиатор зарезервировано. Радиатор может потребоваться, при установке типов SFP модулей для больших расстояний, поскольку  эти модули потребляют  большую мощность. 

Заключение.

§         Предложенная схема и техническое решение убирает одну из самых трудоемких задач, программирование микропроцессора, что позволяет снизить цену изделий  обеспечивающих передачу данных  по оптоволокну [5] [6].

§         Схема построена на элементах 555 серии, и допускается использование  только более скоростных элементов (например серия 1553);

§         SFP модули выбираются из условий эксплуатации, длины оптоволокна и типа (многомодовый, одномодовый);

§         Применение SFP модулей и USB интерфейса  позволяет достигнуть  универсальности при организации каналов связи.  

Литература.

1.        Прототип разработки  «Медиаконвертер D-Link DMC-920R» -  http://www.lanberry.ru/oborudovanie/d-link/d-link_DMC-920R.html

2.       ГОСТ Р МЭК 62680-4-2015 Интерфейсы универсальной последовательной шины. http://docs.cntd.ru/document/1200121785

3.       Создание USB-устройств http://jais.ru/media/files/support/Sozdanie_USB.pdf

4.       Библиотеки схемы и  трассировки плат http://90.189.213.191:4422/temp/sintep_v5_4/shemas/

5.       Universal Serial Bus Specification Revision 2.0. www.usb.org

6.       Device Class Definition for Human Interface Devices (HID) v.1.11. www.usb.org

Авторы

·         Игнатов Александр Николаевич, профессор, ТЭ, СибГУТИ,   mail: te.sibsutis@gmail.com

                   

·         Шабронов Андрей Анатольевич, аспирант, СибГУТИ, mail: shabronov@ngs.ru

                     

Improving performance of fiber optic transmission systems when using media converters

A.N. Ignatov,  A.A. Shabronov

 

mprovement of data transmission systems creates, in the opinion of the authors, excessive use of microprocessor.  The description of the developed scheme Converter RS485 (USB) interface fiber extension cable with the modules use standard SFP. The main difference from the existing prototypes of media converters [1] is the absence of microcontrollers with software settings, which significantly reduces the cost of products and offers the use of any terminal data speeds, up to a constant level. The described method of sealing the digital binary coding in the binary channel.