THine Value 從金屬介質電纜到光纖,再向非接觸式空間擴展—IOHA:B的連接方式
2026.04.21
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某些原本針對特定用途所開發的半導體元件,在市場逐漸滲透後,常常會開始被應用於最初未曾充分預想的領域。尤其是通用性高的半導體元件,更容易出現這樣的情況。
THine Electronics的Serial Transceiver IC「THCS253A/254A」,就是這類高度通用性半導體元件之一。這款Serial Transceiver IC 以「IOHA:B（音i-o-hub）」系列產品名稱為業界所知。透過這顆IC,可將影像訊號、圖像訊號、標準輸入輸出（GPIO：General Purpose Input Output）訊號、I2C訊號等各種不同類型的訊號整合在一起,並透過兩對差分Cable進行傳輸（圖1）。
圖 1：IOHA:B的應用場景
也就是說,最多可將35條訊號線轉換為僅2對（4條）Serial訊號線。透過減少Cable數量,可帶來非常多的優勢（表1）。例如,可使線束變得更細、更輕,也能簡化Cable連接作業等。
當初THine將IOHA:B 的用途設定為PCB板之間的連接,以及電子設備之間的連接；具體應用則包括工業設備、醫療設備、量測裝置、製造設備以及顯示系統等。當然,這樣的定位是正確的,因此IOHA:B的導入也主要在這些應用領域中逐漸推廣開來。
THine Electronics的Serial Transceiver IC「THCS253A/254A」,就是這類高度通用性半導體元件之一。這款Serial Transceiver IC 以「IOHA:B（音i-o-hub）」系列產品名稱為業界所知。透過這顆IC,可將影像訊號、圖像訊號、標準輸入輸出（GPIO：General Purpose Input Output）訊號、I2C訊號等各種不同類型的訊號整合在一起,並透過兩對差分Cable進行傳輸（圖1）。
也就是說,最多可將35條訊號線轉換為僅2對（4條）Serial訊號線。透過減少Cable數量,可帶來非常多的優勢（表1）。例如,可使線束變得更細、更輕,也能簡化Cable連接作業等。
表１ IOHA:B的連接方式
當初THine將IOHA:B 的用途設定為PCB板之間的連接,以及電子設備之間的連接；具體應用則包括工業設備、醫療設備、量測裝置、製造設備以及顯示系統等。當然,這樣的定位是正確的,因此IOHA:B的導入也主要在這些應用領域中逐漸推廣開來。
採用光纖傳輸和毫米波通訊
然而,隨著這些市場逐漸擴大,也有許多使用者提出了不同的應用需求。例如：「希望實現約100公尺的長距離傳輸」「希望提升EMC（Electro Magnetic Compatibility,電磁相容性）耐受能力」「希望在發送端與接收端之間確保電氣隔離」「希望實現具備防塵、防水、防鹽害功能的資料傳輸」「希望透過非接觸式連接排除機械應力」「希望實現成可拆裝式的連接器連接」這些需求若僅使用一般差分線皆難以達成。因此,THine開發了將IOHA:B與光纖傳輸（AOC：Active Optical Cable）及毫米波通訊結合的展示套件。目前,這些展示套件已經在各個展覽會中公開展示。
事實上,IOHA:B與光纖傳輸及毫米波通訊之間具有非常良好的相容性。若採用光纖傳輸,只需在IOHA:B的資料輸出端接上光Transmitter,在資料輸入端接上光Receiver,再連接光纖,即可實現透過兩條光纖進行的雙向資料傳輸（全雙工通訊）。毫米波通訊也是同樣的原理。只要在IOHA:B的資料輸出端接上毫米波Transmitter,在資料輸入端接上毫米波Receiver,即可實現透過毫米波進行的雙向資料傳輸（全雙工通訊）。
若採用光纖傳輸,有機會實現最長約100公尺的資料傳輸,因此能夠將監視攝影機拍攝的影像傳送至遠端的控制室等場所。另一方面,若採用毫米波通訊,則可實現無機械性壓力的非接觸式連接,以及可拆卸式的連接器連接等應用。藉此,便能在不將機械式連接器接觸到生產線上流動中的半成品電子設備的情況下,以非接觸方式進行測試；此外,也能將相機功能設計為可從電子設備本體拆卸與安裝的模組化結構,進一步提升產品的設計性。
此外,若採用光纖傳輸或毫米波通訊,還能提升 EMC（電磁相容）耐受性,並確保電氣絕緣性。進一步而言,若使用毫米波通訊,也能實現具備防塵、防潑水及防鹽害能力的資料傳輸。
事實上,IOHA:B與光纖傳輸及毫米波通訊之間具有非常良好的相容性。若採用光纖傳輸,只需在IOHA:B的資料輸出端接上光Transmitter,在資料輸入端接上光Receiver,再連接光纖,即可實現透過兩條光纖進行的雙向資料傳輸（全雙工通訊）。毫米波通訊也是同樣的原理。只要在IOHA:B的資料輸出端接上毫米波Transmitter,在資料輸入端接上毫米波Receiver,即可實現透過毫米波進行的雙向資料傳輸（全雙工通訊）。
若採用光纖傳輸,有機會實現最長約100公尺的資料傳輸,因此能夠將監視攝影機拍攝的影像傳送至遠端的控制室等場所。另一方面,若採用毫米波通訊,則可實現無機械性壓力的非接觸式連接,以及可拆卸式的連接器連接等應用。藉此,便能在不將機械式連接器接觸到生產線上流動中的半成品電子設備的情況下,以非接觸方式進行測試；此外,也能將相機功能設計為可從電子設備本體拆卸與安裝的模組化結構,進一步提升產品的設計性。
此外,若採用光纖傳輸或毫米波通訊,還能提升 EMC（電磁相容）耐受性,並確保電氣絕緣性。進一步而言,若使用毫米波通訊,也能實現具備防塵、防潑水及防鹽害能力的資料傳輸。
透過光傳輸實現360度旋轉
然而光纖傳輸與毫米波通訊並非萬能。僅僅將光纖傳輸或毫米波通訊與IOHA:B結合,實際上仍存在無法滿足使用者需求的情況。而其中具有代表性的情形有以下兩種。
其中一種情況是：「希望透過毫米波通訊實現無線化,但又希望盡可能減少作業負擔」的案例。一般而言,使用電波進行通訊時,必須依照電波法取得技術基準適合認證。而取得該認證通常需要投入一定程度的時間與手續成本,因此會增加導入上的負擔。
另一種情況則是：「希望導入可使Interface部分旋轉的結構」。即使使用差分線,也可以實現類似滑環（slip ring）等結構,但仍然無法避免因磨損等因素所帶來的壽命問題。
為了因應這兩種情況, THine開發了支援新型連接方式的展示用套件（Demo Kit）（圖2）。
採用的連接方式為光傳輸。所謂光傳輸,是指將雷射光投射至空間中,再由光電二極體（photodiode）接收,以進行資料的傳送與接收。也就是一種無線連接方式。其可傳輸距離雖然較短,最大約為50 mm,但傳輸速度最高可達4 Gbit/s。
不過,若只是單純在IOHA:B的數據輸出端安裝一般雷射,在各個數據輸入端安裝一般光電二極體,將無法對應 360 度旋轉。這是因為需要支援雙向資料傳輸（全雙工通訊）。由於雷射光具有直線傳播的特性,一旦進行360度旋轉,將如同毫米波通訊一樣,導致雷射與光電二極體無法正對。因此,本次採用了特殊形狀的光學元件-美國Broadcom公司的光Transceiver模組「AFBR-FS50B00」（圖3）。
此光Transceiver模組從上方來看,其結構是在中心配置圓形的垂直共振面射型雷射（VCSEL：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）,並在其外側以同心圓方式配置光電二極體。實際應用時,會將兩個此類的光Transceiver模組分別安裝在Interface的兩側,使其相互對向。雷射光在空間中略微擴散傳播,並由對側的光電二極體接收（圖4）。因此,只要是以連接對向光Transceiver模組的直線為軸進行旋轉,即使旋轉360度,資料傳輸也不會中斷。由於不使用電波,也可解決取得技術基準適合認證的相關作業負擔。
圖4 光傳輸展示套件外觀
IOHA:B與光傳輸的組合,主要針對三大應用領域。第一是旋轉式連接器——滑環（slip ring）。第二是機器人的關節部位。第三是可拆卸的相機或顯示器。若將本技術應用於上述領域,即可在不使用複雜機械結構的情況下,於旋轉部位輕鬆實現高速Interface連接。
當然,除了上述三個具體例子之外,應用的場景應該還有許多。如果各位有任何相關構想或想法,歡迎與我們聯繫。我們也非常期待能夠與大家一同探索並創造出全新的應用可能性。
以上
其中一種情況是：「希望透過毫米波通訊實現無線化,但又希望盡可能減少作業負擔」的案例。一般而言,使用電波進行通訊時,必須依照電波法取得技術基準適合認證。而取得該認證通常需要投入一定程度的時間與手續成本,因此會增加導入上的負擔。
另一種情況則是：「希望導入可使Interface部分旋轉的結構」。即使使用差分線,也可以實現類似滑環（slip ring）等結構,但仍然無法避免因磨損等因素所帶來的壽命問題。
為了因應這兩種情況, THine開發了支援新型連接方式的展示用套件（Demo Kit）（圖2）。
圖2 將光傳輸應用於IOHA:B的展示套件方塊圖
採用的連接方式為光傳輸。所謂光傳輸,是指將雷射光投射至空間中,再由光電二極體（photodiode）接收,以進行資料的傳送與接收。也就是一種無線連接方式。其可傳輸距離雖然較短,最大約為50 mm,但傳輸速度最高可達4 Gbit/s。
不過,若只是單純在IOHA:B的數據輸出端安裝一般雷射,在各個數據輸入端安裝一般光電二極體,將無法對應 360 度旋轉。這是因為需要支援雙向資料傳輸（全雙工通訊）。由於雷射光具有直線傳播的特性,一旦進行360度旋轉,將如同毫米波通訊一樣,導致雷射與光電二極體無法正對。因此,本次採用了特殊形狀的光學元件-美國Broadcom公司的光Transceiver模組「AFBR-FS50B00」（圖3）。
圖3 本次所採用的光Transceiver模組
此光Transceiver模組從上方來看,其結構是在中心配置圓形的垂直共振面射型雷射（VCSEL：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）,並在其外側以同心圓方式配置光電二極體。實際應用時,會將兩個此類的光Transceiver模組分別安裝在Interface的兩側,使其相互對向。雷射光在空間中略微擴散傳播,並由對側的光電二極體接收（圖4）。因此,只要是以連接對向光Transceiver模組的直線為軸進行旋轉,即使旋轉360度,資料傳輸也不會中斷。由於不使用電波,也可解決取得技術基準適合認證的相關作業負擔。
IOHA:B與光傳輸的組合,主要針對三大應用領域。第一是旋轉式連接器——滑環（slip ring）。第二是機器人的關節部位。第三是可拆卸的相機或顯示器。若將本技術應用於上述領域,即可在不使用複雜機械結構的情況下,於旋轉部位輕鬆實現高速Interface連接。
當然,除了上述三個具體例子之外,應用的場景應該還有許多。如果各位有任何相關構想或想法,歡迎與我們聯繫。我們也非常期待能夠與大家一同探索並創造出全新的應用可能性。
以上