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1 引言 某飛行器發射前，需測試飛行器各項參數，參數測試是通過數據記錄器記錄飛行器數據并傳至地面測試臺。測試過程中，為了保證測試人員人身安全，飛行器和地面測試臺間距需有300 m，兩者間采用長線數據傳輸。現有的技術有：RS一485總線，在幾百米時，傳輸速度較低；CAN總線雖具有較高的可靠性，但傳輸速度也較低；而千兆以太網接口的傳輸速度很快，但以太網協議復雜，不適用。為此，這里提出一種基于FPGA和LVDS接口器件的光纜傳輸技術。 2 LVDS簡介 低電壓差分信號(Low Voltage Differential Signaling，簡稱LVDS)是一種適應高速數據傳輸的通用點對點物理接口技術。它采用低擺幅差分信號技術，使其信號能在差分PCB線對兒或平衡電纜上以幾百Mb／s的速度傳輸．其低擺幅和低電流驅動輸出實現低噪聲和低功耗。 每個點到點連接的差分對兒由驅動器、互連器和接收器組成。驅動器和接收器主要完成TTL信號和LVDS信號之間的轉換。互連器包含電纜、PCB上差分線對兒以及匹配電阻。LVDS驅動器由一個驅動差分線對兒的電流源組成，LVDS接收器具有高輸入阻抗，因此驅動器輸出的電流大部分都流經100Ω的匹配電阻，并在接收器的輸入端產生約350 mV的電壓。當驅動器翻轉將改變流經電阻的電流方向，因此產生有效的邏輯1和邏輯O的低擺幅驅動信號實現高速操作并減小功耗，差分信號提供適當噪聲邊緣。不管使用的是PCB線對兒還是電纜，都必須防止反射，減少電磁干擾。LVDS要求使用一只與介質相匹配的終端電阻，應將其盡可能地靠近接收器放置。LVDS接收器可以承受1 V的驅動器與接收器間對接地的電壓差。由于LVDS驅動器典型的偏置電壓為1．2 V，所以其電壓差驅動器典型的偏置電壓以及輕度耦合噪聲之和范圍為0．2～2．2 V。建議接收器的輸入電壓范圍為0～2．4 V。 3 總體設計方案 系統設計要求傳輸速度應在1"16 Mb／s自動適應，傳輸距離不小于300 m，且必須與其他系統電磁隔離，避免電磁干擾。因此，該系統設計采用集成的LVDS接口器件DS92LVl021，其數據傳輸速度是16～40 Mb／s，10位數據位。而CLC001，CLC012為專用長線電纜驅動器，與光模塊相結合可將傳輸距離擴展2 km，且外部電路簡單，功耗低。FPGA選用Spartan一2系列器件，其最高工作速度為200 MHz，邏輯宏單元豐富，滿足系統設計要求。因此，該系統設計選用LVDS接口器件實現LVDS長線傳輸，而記錄器、測試臺和LVDS器件接口的時序匹配則選用FPGA實現。 圖1為系統設計的框圖，測試臺發送的STATE、CTLl、CTL2等狀態及控制信號傳送至記錄器，并將記錄器發送的數據及同步時鐘傳送至地面測試臺。其中，記錄器、LVDS發送端、LVDS接收端的電源均由測試臺提供，電壓為+9 V。 LVDS長線傳輸模塊分為LVDS發送電路和LVDS接收電路。LVDS發送電路將從記錄器接收到的并行數據進行速度匹配后轉換成LVDS串行數據流，并通過雙絞線發送。LVDS接收電路將接收到的LVDS串行數據流還原成并行數據進行速度匹配后送至測試臺。 4 硬件設計 該系統設計的關鍵部分為LVDS的接口設計，由于傳輸數據速度很高，因此應按照高速電路的要求進行設計，所有布線應盡量短，傳輸線路阻抗匹配。傳輸模塊發送端工作時首先由FPGA給DS92LV1021的使能端DEN及TCLK-R／F觸發沿選擇高電平，并向TCLK引腳輸出20 MHz的工作時鐘，接著DS92LV1021將從FPGA處接收到的TTL并行信號轉換為LVDS標準的串行信號，再由Do一及Do+輸出至CLC001驅動器，經電光轉換后，由光纜傳輸至接收板電路，并由接收電路的光電轉換器送至CLC012，從而補償已衰減的信號，再由DS92LV1212解串器還原出10位并行數據及l位時鐘位。圖2為發送電路原理圖。 傳輸模塊接收端主要由CLC012均衡器及DS92LV1212解串器組成。DS92LV1212的D00"D09將還原出的并行數據輸出，RCLK為還原出的同步時鐘，REFCLK為解串器的工作時鐘，由FPGA給出。 5 軟件設計 系統上電后，測試臺先向采編器發出讀數命令，采編器接到命令后，以l Mb／s的速度輸出8位并行數據，而LVDS傳輸器件最低工作速度為16 Mb／s，為了實現速度匹配與自適應，該系統設計采用了Soatan-2E型FPGA內部雙口RAM實現FIFO，其時鐘最高工作頻率為200 MHz，滿足要求，當采編器以1 M b／s速度輸出數據時，首先進入FPGA內部FIFO，FPGA內部對數據計數，當存滿512個數后，FPGA以20 Mb／s的速度輸出8位并行數據，為了保證DS92LVl021一直處于工作狀態，FPGA在兩次發送數據的間歇所輸出的無效數，有效數和無效數通過LVDS傳輸器件的lO位數據位的高2位數據位作為標志位進行區分，在接收端FPGA通過判斷標志位來識別有效數或無效數，舍棄無效數，保證數據正確傳輸。FPGA在整個系統中起數據緩沖作用，由于采用FIFO作為外部數據接口，所以可實現對外部數據的自適應要求。整個程序用VHDL語言編寫，流程圖如圖3所示。 6 試驗結果 為了測試最終效果，在發送電路和接收電路之間用不同長度的單模光纖連接，系統上電后，發送端發送數據速度為20 Mb／s，使用示波器捕獲接收端數據波形，并進行對比，實驗結果記錄如表1所列。圖4和圖5分別給出100 m和300 m光纜的數據波形。由數據波形圖知，在傳輸過程中，波形畸變非常小，沒有出現誤碼和丟數的現象，完全滿足系統要求。 7 結語 本文所述LVDS長線傳輸方案具有電路設計簡單，傳輸速度快，傳輸距離遠的優點，并且對傳輸速度能夠自適應，在需遠距離傳輸的環境中有廣闊的應用前景。 |
