基于FPGA的遠距離實時傳輸接口設計

王 棟，靳 鴻，吳志玲，劉 亮

（中北大學 教育部儀器科學與動態測試重點實驗室，山西 太原 030051）

信息技術分為信息獲取技術、信息傳輸技術、信息處理技術。雷達技術向高分頻率、多級化、多頻段等方向的發展，雷達信息獲取量也隨之增加，本文為滿足對被測雷達信號的高容量、高速度、遠距離、低功耗、高可靠性及高靈活性的數據存儲及處理[1]。選用了LVDS接口，大容量的SDRAM和FPGA控制芯片。

1 系統總體設計方案

本存儲測試系統是由 LVDS接口，FPGA，SDRAM，USB，上位機組成。采用LVDS接口進行雷達數據的發送與接收，用FPGA進行數據處理與存儲，通過USB接口進行計算機與FPGA的連接。系統的總體原理圖如圖1所示。

圖1 系統總體原理圖Fig.1 Overall system diagram

系統的工作原理：系統的發送過程是用16位的并行LVDS和10位串行LVDS接口接收雷達獲取的信號，采用FPGA進行數據處理與存儲，最后通過USB接口數據上傳到計算機實現數據分析與實驗。系統的接收過程是計算機將控制命令及數據通過USB接口，將數據實時的存儲到SDRAM中，然后根據SDRAM控制器的命令將數據送給串行或并行LVDS接口。

2 LVDS接口設計

LVDS即低壓差分信號傳輸，是一種滿足當今高性能數據傳輸應用的新型技術。具有數據率高、功耗低、端接匹配很容易、可靠性高、成本低等優點[2]，可使用銅質PCB連線傳輸或平衡電纜。LVDS在對信號完整性、低抖動及共模特性要求較高的系統中的應用越來越廣泛。圖2為LVDS接口設計部分。

圖2 LVDS發送模塊Fig.2 LVDS send module

圖3 LVDS串口發送的連接圖Fig.3 Send the LVDS serial connection diagram

圖4 LVDS并行發送的連接圖Fig.4 Sends LVDS parallel connection diagram

圖6 LVDS并口接收模塊Fig.6 LVDS parallel receiver module

圖6中串行接口：是選用SN65LV1023發送串行數據，SN65 LV1024接收串行數據。并行接口：選用5片DS90LV047來發送并行數據，5片DS90LV048來接收并行數據。其中，4片是傳輸16位并行數據，1片是傳輸控制信號與時鐘信號。本系統傳輸模塊發送中，是FPGA首先向串行接口65LV1023發送DEN及TCLK信號或并行接口DS90LV047發送WEN、CLK，接著LVDS接口芯片，把從LVDS接口接收到的TTL并行信號轉換為LVDS標準的串行信號或并行信號。串行LVDS信號通過驅動器CLC001，通過RJ45接口發送出去。并行LVDS信號通過DB37發送出去。接收過程類同。

在本設計中，由于數據發送端與接收端距離較遠，兩個板卡的地線之間可能出現電位差，在兩端產生直流電流，會影響差分對的工作甚至造成可靠性問題。因此，需要采用交流耦合來消除直流電位差，在差分輸出端采用隔直電容進行交流耦合。阻抗匹配是通過一對阻值為傳輸線特征阻抗一半的電阻R6、R7對差分傳輸的源端進行匹配。接收端LVDS電路，這里主要考慮LVDS接口電路的阻抗匹配設計。因為單純的LVDS差分傳輸應用距離較短，所以并行和串行接口都選用了100 Ω的電阻進行匹配。 在經過實驗發現，發現LOCK信號有失鎖的情況，故要加光電隔離進行隔離。在做PCB板布線時是要注意：至少要用4層布板，LVDS信號層、地層、電源層、TTL信號層；使TTL和LVDS放在由電源/地隔離的不同層上。使LVDS驅動器和接收器盡可能靠近連接器的LVDS端，使用分布式的多個電容旁路LVDS設備[4]。

3 系統存儲控制模塊

系統的存儲控制模塊，在本系統中LVDS的傳輸速率高達600 MBPS，而 USB的讀取速率理論上為 480 MBPS，由于寫的速度過快，讀取的速度慢，容易造成讀數據的丟失[3]，并且系統要求系統在短時間內能夠傳輸并存儲傳輸結果[5]。選用了容量更大，處理速度更快的SDRAM。中間加異步FIFO，用于時鐘匹配。SDRAM是一種隨機訪問存儲器，SDRAM的特點是大容量和高速。其單片容量可達256 MB或更高，工作速度高達 100～200 MHz[6]，本系統選用芯片 MT48LC16M16A2。時鐘頻率選擇133 MHz。LVDS串口信號中有8位有效數據，要經過FIFO緩沖，進行數據整合，時鐘匹配，變成16位并行的信號，在存入SDRAM中，而LVDS并行信號，直接通過FIFO緩沖，達到時鐘匹配，進入SDRAM中。如圖8所示。

圖7 LVDS串口接收模塊Fig.7 LVDS serial port receiver module

圖8 系統存儲控制模塊Fig.8 System storage control module

4 系統接口控制模塊

傳輸系統與上位機通過USB接口進行通信，選用CYPRESS公司的CY7C68013單片機作為USB控制器。CY7C68013包含增強型8051內核和智能USB接口，開發簡單，價格低廉，包含通用可編程接口（GPIF），包括4KB的大緩沖區，能真正體現USB2.0傳輸速度[7]。本系統采用GPIF模式與FPGA通信，通過判斷FIFO狀態進行讀寫數據，配合USB控制邏輯上傳數據和下發命令。其中，GPIF提供了接口信號（包括16位數據總線、輸出控制信號CTL、輸入控制信號RDY），這些信號負責完成USB與FPGA的數據讀/寫控制和傳輸[8]。系統如圖9所示。

圖9 FPGA與68013邏輯控制關系Fig.9 FPGA and 68013 logic control relationship

5 實驗結果

圖9為雷達獲取信號的獲取，數據接收的開始兩個字節為EB 90，然后是傳輸的數據，分析數據結果得知，，經過LVDS傳輸系統回讀數據的格式與信號源發出的數據格式保持一致，并且未出現丟數、誤碼現象，實現了LVDS數據傳輸的基本功能。如圖10所示。

圖10 存儲器存儲數據Fig.10 Memory store data

6 結束語

文中采用LVDS與FPGA相結合，很好的完成了對雷達數據高速、高容量、遠距離、低功耗、高可靠性等特點的要求，在需要遠距離傳輸和大容量存儲的環境中，具有廣泛的應用。

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