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數字量變換器是一種多路數據采集設備，主要采集各傳感器的輸出信號(及其他需經遙測系統傳送的信號)，將各路信號按一定體制組合起來并加上幀同步碼形成一定格式的PCM數據，互不干擾地通過同一個信道傳送出去。 PCM解碼板是為數字量變換器設計的接收端，把組合信號解調出來，恢復各路原始信息，加以記錄、處理和顯示，用于數字量變換器的單機調試和單元測試。限于測試臺空間的嚴格要求以及測試系統的微型化、高速數據傳輸、低功耗原則，PCM解碼板采用了基于低壓差分信號LVDS的串行通信技術增強了抗噪聲、抗干擾能力，并以時鐘和數據恢復技術解決了限制數據傳輸速率的信號時鐘參差問題，大大提高了數據傳輸的數據率。選用了FPGA作為PCM解碼板控制核心，將各功能模塊由FPGA統一協調完成，從而簡化了設計的復雜程度，縮短了試驗和開發周期。 1 模塊硬件結構 PCM解碼板硬件結構，如圖1所示。  PCM解碼板接收到上位機上傳PCM數據命令后，輸出幀同步信號給數字量變換器，并接收數字量變換器輸出的PCM串行數據，在碼同步信號的配合下，將PCM串行數據經FPGA串并轉換后寫入FPGA中的發送FIFO(First In First Outmemory先進先出存儲器)中。LVDS總線物理層將FPGA中的FIFO內數據包的數據和時鐘信號編碼為20位串行數據上傳。串行數據傳輸示意圖，如圖2所示，TCLK為發數時鐘，RCLK為解串時鐘。  2 LVDS總線結構 針對數據可靠傳輸在數據交換系統中的重要性，方案結合LVDS接口和OSI網絡模型，設計了一種基于LVDS接口的數據傳輸協議，并具體給出了各協議層所實現的功能及協議約束關系。基于LVDS的總線體系結構大致分為：物理層、數據鏈路層和傳輸層。 (1)物理層。 LVDS總線采用DS92LVl8專用接口芯片，連接構成兩對LVDS信號，一對用于發送，一對用于接收。物理層在發送端將時鐘信號用18 bit／20 bit編碼方案嵌入數據中以達到高速數據率；在接收端將串行數據流中的數據和時鐘分離，然后對串行數據進行采樣，從而在接收端恢復了串行數據。通過搜尋同步字符進行字同步，數據流恢復到和發送端編碼后的數據流相同，該數據流再經解碼，恢復原始數據，寫入接收端的FIFO內，等待數據鏈路層的進一步處理。 物理層除了收發器(DS92LV18芯片)和傳輸介質(PCB走線)外的所有模塊均在FPGA中實現。物理層結構示意圖，如圖3所示。 LVDS兩對低壓差分信號無論其傳輸介質是電纜還是PCB走線，都必須與終端匹配，以減少不希望的電磁輻射，提供最佳的信號質量。通常一個盡可能靠近接收端的100 Ω終端電阻跨在差分線上即可提供良好的匹配。電路設計中，輸入差分線對離開DS92LV18集成芯片后立刻盡可能地相互靠近(距離(2)數據鏈路層。 在數據鏈路層中包含控制邏輯和幀格式，數據以幀為單位傳送，在目的節點被接收。這樣做是為了當出現差錯時，可將有錯誤的幀重傳一次，從而避免了將全部數據都重傳一次所帶來的帶寬浪費，且各接收節點能從接收到的比特流中明確地區分出一幀的開始和結束在什么地方，以及數據和控制信息。該層的功能模塊也在FPGA中實現。 (3)傳輸層。 傳輸層的任務是為從發送節點到目的節點提供可靠、合理的信息傳輸。傳輸層是控制通信過程的核心，初始化和通信過程中，需要設置必要的計時器、地址和狀態寄存器，這些都是傳輸層來實現。其中，地址寄存器用于存儲節點前繼和后繼地址，計時器是為初始化和通信過程中的超時報警而設置。該層功能可通過在FPGA內部定義信號來實現。 3 PCM碼解調設計 PCM解碼部分用于接收數字量變換器輸出的PCM串行數據并將數據串并轉換。該部分需產生兩種勤務信號，幀同步信號：周期為25 ms，碼寬8μs；碼同步信號：頻率81．92 kHz，占空比50％，用于數字量變換器內部的時序控制。每8個一組的碼同步信號稱作一路，在每幀中從第1路開始排到128路結束。模塊接收的群信號是串行“0”“1”碼，為不歸零碼。PCM解碼部分工作原理：根據幀、碼同步信號時序特征，FPGA生成一個數據時序進程，在時鐘信號的推動下通過地址推進來輸出幀、碼勤務信號。數字量變換器輸出的串行PCM數據流在碼同步信號作用下，通過移位寄存器轉換為8位并行數據，通過寫信號WR同步將解得的并行PCM碼寫入到FIFO中。串并轉換的工作時序，如圖4所示。 經多次測試，上位機讀回的數據按照副幀結束標志EB 90兩個bit和幀結束標志14 6F兩個bit所組成數據格式的結果與設計要求吻合。 4 結束語 實踐表明：由于采用低壓差分信號傳送數據，不易受共模噪音影響，可以實現更快的數據傳輸，同時具有低功耗、低噪聲等優良特性；由于總線結構物理層可以采用專用接口芯片實現，而數據鏈路層和傳輸層均可采用可編程邏輯器件FPGA實現。因此，總線硬件實現簡單，易于低成本解決系統高速通信問題。通過測試分析，該板在PCM解碼的抗干擾能力及實現解碼數據的高速、可靠傳輸方面均達到了系統提出的技術指標。 |
