一种兼容多种通信接口的光电传输板卡

技术领域

本发明属于光纤通信领域，涉及一种兼容多种通信接口的光电传输板卡。

背景技术

光纤通信在现代通信中已经占据了不可或缺的位置，由于光纤通信传输距离远、经济节能、通信速度快、保密性好、可一次传输海量信息等优势，越来越多的应用领域需要将传统的电信号转换为光信号进行传输。

针对以使用计算机为主的特定监控、展示场合，如会议中心、演示大厅、关口检查站、收银站、军演监控站等，需要将用户计算机显卡输出内容经由数字信道长距离、实时传送到远程终端，如计算机显示器、电视墙、投影仪等显示输出设备。均有高分辨率、无时延、长距离传输的需求，而目前的光电传输板卡在将电信号转换到光信号的过程中，无法保证速率越来越高的通信信号传输质量，同时不能兼容计算机终端各种通信接口信号，极大的限制了板卡利用率及扩大应用领域和便捷性

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种兼容多种通信接口的光电传输板卡，采用VPX 6U板卡标准，满足市场对以使用计算机为主的远程监控或展示等场合的应用需求，实现多种类型接口信号高效、长距离光纤通信转换，保证信号质量。

本发明解决技术的方案是：

一种兼容多种通信接口的光电传输板卡，包括VPX连接器、QSFP光模块、VGA信号处理电路、USB信号处理电路、PS/2信号处理电路、RS422信号接收电路、FPGA工作模块、PCB板和DVI信号处理电路；VPX连接器、QSFP光模块、VGA信号处理电路、USB信号处理电路、PS/2信号处理电路、RS422信号接收电路、FPGA工作模块、和DVI信号处理电路均设置在PCB板上；

VGA信号处理电路：接收外部传来的RGB模拟图像信号，对RGB图像信号进行模数转换处理，生成8位数字RGB图像信号，并将数字RGB图像信号发送至FPGA工作模块；

USB接口信号处理电路：接收外部鼠键设备等传来的USB接口信号，对USB接口信号进行通讯方式转换处理，生成异步串口UART信号，并将异步串口UART信号发送至FPGA工作模块；

PS/2信号处理电路：接收外部PS/2接口设备传来的时钟和数据信号，对时钟和数据信号进行电平转换处理，生成适用于后续电平标准的时钟和数据信号，并将适用于后续电平标准的时钟和数据信号发送至FPGA工作模块；

RS422信号处理电路：接收外部传来的RS422差分数字信号，对RS422差分数字信号进行差分转单端以及电平转换处理，生成适用于FPGA工作模块电平标准的单端数字信号，并将适用于FPGA工作模块电平标准的单端数字信号发送至FPGA工作模块；同时接收FPGA工作模块传来的串行数据，进行单端转差分处理，生成RS422差分数字信号，并将RS422差分数字信号发送至外部设备；

DVI信号处理电路：接收VPX光电连接器传来的DVI视频图像信号，对视频图像信号进行接收和解码处理，生成24位的像素数据，并将像素数据发送至FPGA工作模块；

FPGA工作模块：接收VPX光电连接器传来的PCIe信号；同时接收VGA信号处理电路传来的数字RGB图像信号；接收USB接口信号处理电路传来的异步串口UART信号；接收PS/2信号处理电路传来的适用于后续电平标准的时钟和数据信号；接收RS422信号处理电路传来的适用于FPGA工作模块电平标准的单端数字信号；接收DVI信号处理电路传来的像素数据；进行数据打包和整合编码处理，经内部高速串行接口传输，生成4路高速串行数据；将4路高速串行数据发送至QSFP光模块；接收QSFP光模块传来的4路高速信号；对4路高速信号进行解码处理，恢复串行数据，将串行数据发送至RS422信号处理电路；

QSFP光模块：接收FPGA工作模块传来的4路高速串行数据；进行电-光转换处理，生成4路光信号，将4路光信号发送至VPX光电连接器；接收VPX光电连接器传来的4路光信号，进行光-电转换处理，生成4路高速信号，将4路高速信号发送至FPGA工作模块；

VPX光电连接器：接收QSFP光模块传来的4路光信号，输出至外部设备；接收外部设备传来的4路光信号；将4路光信号发送至QSFP光模块。

在上述的一种兼容多种通信接口的光电传输板卡，所述VGA信号处理电路包括DB15连接器、防静电芯片和VGA接口芯片；

DB15连接器接收外部传来的RGB模拟图像信号，将RGB模拟图像信号发送至防静电芯片；

防静电芯片：接收DB15连接器传来的RGB模拟图像信号，对RGB模拟图像信号进行静电防护处理，将静电防护处理后的RGB模拟图像信号发送至VGA接口芯片；

VGA接口芯片：接收防静电芯片传来的静电防护处理后的RGB模拟图像信号，进行模数转换处理，生成8位数字RGB图像信号，并将数字RGB图像信号发送至FPGA工作模块。

在上述的一种兼容多种通信接口的光电传输板卡，所述RS422信号处理电路包括DB9连接器、RS422接收芯片、RS422驱动芯片和电平转换芯片；

DB9连接器：接收外部传来的RS422差分数字信号，将RS422差分数字信号发送至RS422接收芯片；接收RS422驱动芯片传来的RS422差分数字信号，发送至外部设备；

RS422接收芯片：接收DB9连接器传来的RS422差分数字信号，对RS422差分数字信号进行差分转单端处理，生成单端信号，将单端信号发送至电平转换芯片；

电平转换芯片：接收RS422接收芯片传来的单端信号，对单端信号进行电平转换处理，生成适用于FPGA工作模块电平标准的单端数字信号，将适用于FPGA工作模块电平标准的单端数字信号发送至FPGA工作模块；接收FPGA工作模块传来的串行数据，进行反向电平转换处理，生成反向电平转换后的串行数据，将反向电平转换后的串行数据发送至RS422驱动芯片；

RS422驱动芯片：接收电平转换芯片传来的反向电平转换后的串行数据，进行单端转差分处理，生成RS422差分数字信号；将RS422差分数字信号发送至DB9连接器。

在上述的一种兼容多种通信接口的光电传输板卡，所述FPGA工作模块中设置有晶振电路和多路时钟产生电路；晶振电路生成时钟信号，并将时钟信号发送至多路时钟产生电路；多路时钟产生电路根据需求生成多种时钟频率输出，为各模块电路提供时钟。

在上述的一种兼容多种通信接口的光电传输板卡，所述QSFP光模块为四路收发通道，单通道传输速率为10Gbps,传输光波长为850nm，光纤接口采用MPO/MTP型号接口。

在上述的兼容多种通信接口的光电传输板卡，所述PCB板采用标准6U板卡，PCB板上下两侧设有静电释放铜皮，减少板卡插拔时产生的静电危害；QSFP光模块设置在PCB板上开槽，便于QSFP光模块的插拔。

在上述的一种兼容多种通信接口的光电传输板卡，所述VPX连接器上设置有外部供电电源输入接口、DVI信号接口、PCIe信号通信接口和光纤接口；外部供电电源输入接口、DVI信号接口、PCIe信号通信接口和光纤接口均设置在VPX连接器的侧壁；其中，光纤接口与QSFP光模块互连；其余接口提供自定义扩展。

在上述的一种兼容多种通信接口的光电传输板卡，所述PCB板正常工作的温度范围为：-40℃～85℃。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明致力于研制出一种兼容多种通信接口的光电传输板卡，采用VPX板卡标准，采用串行总线技术，支持更高的背板带宽。上述VPX连接器仅占用了P0、P1、P5和P6部件，其他部件可用以用户自定义进行扩展设计。其中P6光口部分，采用MT光纤接口，可同时传输多路光纤信号，节省空间，降低成本；

(2)本发明研制的光电传输板卡可传输信号种类齐全，包括USB、VGA、PS/2、RS422、DVI及PCIe，基本可以满足目前设备的各种通信需求，板卡利用率高、应用领域广泛，使用灵活。板卡传输的是光信号，没有电磁辐射，系统具有极高的保密性。同时把显示设备和信号源在电气上完全的隔离开来，具有极高的抗干扰能力；

(3)本发明的USB接口信号传输电路部分，采用USB键盘鼠标转串口通讯控制芯片，结合异步串口简单易用的特点，实现将USB键盘、鼠标和USB主机之间USB通讯方式扩展为异步串口的方式。芯片采用上位机模式，上位机端USB端口符合标准HID类协议，用户不需要额外安装驱动程序，支持常用的操作系统，使用方便。可将用户上位机产生的操作信号经上述接口电路输入FPGA处理器整合数据，进而发送到光模块转换成光信号，远距离传输，实现远程操控显示器、屏幕等终端；

(4)本发明设计的VGA接口电路，采用专为个人电脑和工作站的RGB图像信号采集而设计的接口芯片，具有双线串行接口，方便调试与读取信息。外部VGA信号经连接器将三路模拟量RGB信号输入接口电路，转换为24位数字信号传输到FPGA中，进而发送到光模块转换成光信号传输。实现计算机VGA接口信号的高分辨率、无时延、长距离光纤通讯转换应用，可达到一机操作、多端显示效果。采用纯数字传输模式，能从根本上克服普通通信电缆传输系统在传输高频带信号时造成的拖尾、重影等现象，清晰的重现图像画面。同时板卡中备有DVI接口，可在全高清显示器时采用DVI接口来传输高分辨率的图像视频信号，使画面更加细腻，不易受信号干扰；

(5)本发明FPGA处理器可将多路电信号进行整合打包处理成一路信号，经过一路光纤发送出去，可以满足多种通信接口同时传输，节省光纤资源，提高效率；

(6)本发明FPGA处理器外围功能电路包括DDR双倍数据率同步动态随机存取存储器，具有强大的数据存储能力；时钟系统，除了提供固定的系统时钟，还可提供两路可调时钟，满足不同应用环境对时钟的需求，使用灵活便捷；

(7)本发明的板卡中包括的各个信号连接器、接口芯片、FPGA以及VPX连接器构成的信号通路，均经过电磁仿真软件进行信号完整性和电源完整性仿真设计，保证高速串行信号的传输质量。上述QSFP光模块，单通道可实现10Gbps传输速率，实现高速率电信号向光信号的转换。

附图说明

图1为本发明光电传输板卡系统示意图；

图2为本发明VGA信号处理电路示意图；

图3为本发明RS422信号处理电路示意图；

图4为本发明FPGA工作模块示意图；

图5为本发明静电释放铜皮位置示意图；

图6为本发明VPX连接器各接口示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

本发明提供一种兼容多种通信接口的光电传输板卡，采用VPX 6U板卡标准，以满足市场对以使用计算机为主的远程监控或展示等场合的应用需求，实现多种类型接口信号高效、长距离光纤通信转换，保证信号质量。

板卡外形采用6U VPX标准，板卡右侧装有光电接口的VPX连接器。通过此连接器可将板卡插到机箱背板上，进而与主板进行通信。VPX连接器接收从主板传输过来的DVI信号，将DVI信号转换成光信号发送出去、与主板间进行PCIe信号的相互通信。另外，板卡左侧装有VGA接口、USB接口、PS/2接口以及RS422接口，将从外界机箱前面板输入的电信号接收和处理，进而转换成光信号发送，实现远程传输和操控。

实现电/光信号转换的部分，采用QSFP标准光模块。此光模块有4路发送4路接收，传输速率高达40Gbps。其光纤接口为MPO/MTP，经过MPO-MT光纤跳线与板卡后侧VPX连接器的MT接口互连，将光信号输出。

电信号进入板卡后信号处理部分，需要经过各种信号相应的接口芯片构成的接口电路，进而送入FPGA处理器进行数据处理和整合。FPGA处理器部分包括DDR数据存储器、时钟系统电路、供电电源模块以及FPGA配置电路。

光电传输板卡，如图1所示，包括VPX连接器1、QSFP光模块2、VGA信号处理电路3、USB信号处理电路4、PS/2信号处理电路5、RS422信号接收电路6、FPGA工作模块7、PCB板9和DVI信号处理电路10；VPX连接器1、QSFP光模块2、VGA信号处理电路3、USB信号处理电路4、PS/2信号处理电路5、RS422信号接收电路6、FPGA工作模块7、和DVI信号处理电路10均设置在PCB板9上；

VGA信号处理电路3：接收外部传来的RGB模拟图像信号，对RGB图像信号进行模数转换处理，生成8位数字RGB图像信号，并将数字RGB图像信号发送至FPGA工作模块7；

USB接口信号处理电路4：接收外部鼠键设备等传来的USB接口信号，对USB接口信号进行通讯方式转换处理，生成异步串口UART信号，并将异步串口UART信号发送至FPGA工作模块7；

PS/2信号处理电路5：接收外部PS/2接口设备传来的时钟和数据信号，对时钟和数据信号进行电平转换处理，生成适用于后续电平标准的时钟和数据信号，并将适用于后续电平标准的时钟和数据信号发送至FPGA工作模块7；

RS422信号处理电路6：接收外部传来的RS422差分数字信号，对RS422差分数字信号进行差分转单端以及电平转换处理，生成适用于FPGA工作模块7电平标准的单端数字信号，并将适用于FPGA工作模块7电平标准的单端数字信号发送至FPGA工作模块7；同时接收FPGA工作模块7传来的串行数据，进行单端转差分处理，生成RS422差分数字信号，并将RS422差分数字信号发送至外部设备；

DVI信号处理电路10：接收VPX光电连接器1传来的DVI视频图像信号，对视频图像信号进行接收和解码处理，生成24位的像素数据，并将像素数据发送至FPGA工作模块7；

FPGA工作模块7：接收VPX光电连接器1传来的PCIe信号；同时接收VGA信号处理电路3传来的数字RGB图像信号；接收USB接口信号处理电路4传来的异步串口UART信号；接收PS/2信号处理电路5传来的适用于后续电平标准的时钟和数据信号；接收RS422信号处理电路6传来的适用于FPGA工作模块7电平标准的单端数字信号；接收DVI信号处理电路10传来的像素数据；进行数据打包和整合编码处理，经内部高速串行接口传输，生成4路高速串行数据；将4路高速串行数据发送至QSFP光模块2；接收QSFP光模块2传来的4路高速信号；对4路高速信号进行解码处理，恢复串行数据，将串行数据发送至RS422信号处理电路6；

QSFP光模块2：接收FPGA工作模块7传来的4路高速串行数据；进行电-光转换处理，生成4路光信号，将4路光信号发送至VPX光电连接器1；接收VPX光电连接器1传来的4路光信号，进行光-电转换处理，生成4路高速信号，将4路高速信号发送至FPGA工作模块7；QSFP光模块2为四路收发通道，单通道传输速率为10Gbps,传输光波长为850nm，光纤接口采用MPO/MTP型号接口；使用时插入QSFP插座。

VPX光电连接器1：接收QSFP光模块2传来的4路光信号，输出至外部设备；接收外部设备传来的4路光信号；将4路光信号发送至QSFP光模块2。

本发明对VGA信号处理电路3、RS422信号处理电路6、FPGA工作模块7进行了细节模块设计，具体为：

如图2所示，VGA信号处理电路3包括DB15连接器18、防静电芯片29和VGA接口芯片19；DB15连接器18接收外部传来的RGB模拟图像信号，将RGB模拟图像信号发送至防静电芯片29；防静电芯片29：接收DB15连接器18传来的RGB模拟图像信号，对RGB模拟图像信号进行静电防护处理，将静电防护处理后的RGB模拟图像信号发送至VGA接口芯片19；VGA接口芯片19：接收防静电芯片29传来的静电防护处理后的RGB模拟图像信号，进行模数转换处理，生成8位数字RGB图像信号，并将数字RGB图像信号发送至FPGA工作模块7。

RS422信号处理电路6，如图3所示，包括DB9连接器24、RS422接收芯片25、RS422驱动芯片11和电平转换芯片33；DB9连接器24：接收外部传来的RS422差分数字信号，将RS422差分数字信号发送至RS422接收芯片25；接收RS422驱动芯片11传来的RS422差分数字信号，发送至外部设备；RS422接收芯片25：接收DB9连接器24传来的RS422差分数字信号，对RS422差分数字信号进行差分转单端处理，生成单端信号，将单端信号发送至电平转换芯片30；电平转换芯片30：接收RS422接收芯片25传来的单端信号，对单端信号进行电平转换处理，生成适用于FPGA工作模块7电平标准的单端数字信号，将适用于FPGA工作模块7电平标准的单端数字信号发送至FPGA工作模块7；接收FPGA工作模块7传来的串行数据，进行反向电平转换处理，生成反向电平转换后的串行数据，将反向电平转换后的串行数据发送至RS422驱动芯片11；RS422驱动芯片11：接收电平转换芯片30传来的反向电平转换后的串行数据，进行单端转差分处理，生成RS422差分数字信号；将RS422差分数字信号发送至DB9连接器24。

FPGA工作模块7，如图4所示，中设置有晶振电路26和多路时钟产生电路27；晶振电路26生成时钟信号，并将时钟信号发送至多路时钟产生电路27；多路时钟产生电路27根据需求生成多种时钟频率输出，为各模块电路提供时钟。

PCB板9采用标准6U板卡，如图5所示，PCB板9上下两侧设有静电释放铜皮12，减少板卡插拔时产生的静电危害；QSFP光模块2设置在PCB板9上开槽，便于QSFP光模块2的插拔。PCB板9正常工作的温度范围为：-40℃～85℃。

本发明中VPX连接器1采用多接口设计，如图6所示，VPX连接器1上设置有外部供电电源输入接口13、DVI信号接口14、PCIe信号通信接口15和光纤接口16；外部供电电源输入接口13、DVI信号接口14、PCIe信号通信接口15和光纤接口16均设置在VPX连接器1的侧壁；其中，光纤接口16与QSFP光模块2互连；其余接口提供自定义扩展。

本发明设计的光电传输板卡，采用VPX板卡标准，采用串行总线技术，支持更高的背板带宽。上述VPX连接器仅占用了P0、P1、P5和P6部件，其他部件可用以用户自定义进行扩展设计。其中P6光口部分，采用MT光纤接口，可同时传输多路光纤信号，节省空间，降低成本。此外，光电传输板卡可传输信号种类齐全，包括USB、VGA、PS/2、RS422、DVI及PCIe，基本可以满足目前设备的各种通信需求，板卡利用率高、应用领域广泛，使用灵活。板卡传输的是光信号，没有电磁辐射，系统具有极高的保密性。同时把显示设备和信号源在电气上完全的隔离开来，具有极高的抗干扰能力。

另外，USB接口信号传输电路部分，采用USB键盘鼠标转串口通讯控制芯片，结合异步串口简单易用的特点，实现将USB键盘、鼠标和USB主机之间USB通讯方式扩展为异步串口的方式。芯片采用上位机模式，上位机端USB端口符合标准HID类协议，用户不需要额外安装驱动程序，支持常用的操作系统，使用方便。可将用户上位机产生的操作信号经上述接口电路输入FPGA处理器整合数据，进而发送到光模块转换成光信号，远距离传输，实现远程操控显示器、屏幕等终端。

VGA接口电路，采用专为个人电脑和工作站的RGB图像信号采集而设计的接口芯片，具有双线串行接口，方便调试与读取信息。外部VGA信号经连接器将三路模拟量RGB信号输入接口电路，转换为24位数字信号传输到FPGA中，进而发送到光模块转换成光信号传输。实现计算机VGA接口信号的高分辨率、无时延、长距离光纤通讯转换应用，可达到一机操作、多端显示效果。采用纯数字传输模式，能从根本上克服普通通信电缆传输系统在传输高频带信号时造成的拖尾、重影等现象，清晰的重现图像画面。同时板卡中备有DVI接口，可在全高清显示器时采用DVI接口来传输高分辨率的图像视频信号，使画面更加细腻，不易受信号干扰。

FPGA工作模块7可将多路电信号进行整合打包处理成一路信号，经过一路光纤发送出去，可以满足多种通信接口同时传输，节省光纤资源，提高效率。

FPGA工作模块7外围功能电路包括DDR双倍数据率同步动态随机存取存储器，具有强大的数据存储能力；时钟系统，除了提供固定的系统时钟，还可提供两路可调时钟，满足不同应用环境对时钟的需求，使用灵活便捷。

板卡中包括的各个信号连接器、接口芯片、FPGA以及VPX连接器构成的信号通路，均经过电磁仿真软件进行信号完整性和电源完整性仿真设计，保证高速串行信号的传输质量。上述QSFP光模块，单通道可实现10Gbps传输速率，实现高速率电信号向光信号的转换。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。