基于LVDS的高速大容量數據傳輸系統的設計與實現

郭炳++郭振鐸++張猛

摘 要 針對數字圖像傳輸遇到的瓶頸問題，本文提出了一種新的解決方法，采用集串、解串、二次集串、二次解串和均衡等技術，利用LVDS信號特性，借助采集板、集串板、解串板、處理板構建一個LVDS高速大容量數據傳輸系統，設計實現并驗證了圖像的實時傳輸。

【關鍵詞】集串 解串 均衡 LVDS

1 引言

在某光電圖像處理系統中，需要把cameralink接口數字相機輸出圖像通過滑環從艙外傳輸到艙內，相機輸出的是11對LVDS差分信號。圖像傳輸存在如下問題：

（1）LVDS數據傳輸最遠距離為10m；

（2）滑環上供信號傳輸的接口有限；

（3）信號過滑環很容易受到干擾。

常用處理方法有三種：一是轉換為光纖傳輸，二是轉換為網絡傳輸，三是通過中繼傳輸。這三種方法都能實現圖像傳輸，同時也都有一定的不足。光纖傳輸需要有接收光端機和發送光端機，價格昂貴，成本高，額外增加重量，給安裝帶來了諸多不便，不利于集成化小型化一體化設計。網絡傳輸對滑環要求比較高，在數據量小的情況下網絡傳輸比較穩定，一旦數據量變大，網絡傳輸會出現信號部分丟失。不同的傳輸距離需要的中繼數量不同，如果傳輸距離遠，則需要多個中繼參與才能實現，中繼傳輸需要經過多次轉換，并且安裝也不方便。為此本文提出了一種新的解決方法，設計實現并驗證了圖像的實時傳輸。

2 系統原理與組成

LVDS信號能在差分PCB線對或平衡電纜上以400Mbps的速率傳輸，其低電壓和低電流驅動輸出實現了低噪聲、低功耗、低誤碼率、低串擾和低輻射等。標準的最高數據傳輸速率是655Mbps，理論上在一個無衰耗的傳輸線上LVDS的最高傳輸速率可達1.923Gbps。因此可以應用在高速傳輸數據能力的系統中。傳統的LVDS傳輸距離一般不超過十米。由于電纜是有損耗的傳輸線，會使信號產生失真和畸變，傳輸會出現大幅衰減，經由電纜傳送的低電壓差分信號同樣也會出現衰減情況。

未解決上述問題，本文利用LVDS信號特性，借助集串板、解串板、處理板、采集板構建一個LVDS高速數據傳輸系統，設計實現對圖像的實時傳輸。系統設計時把相機輸出的11對LVDS差分信號首先送至采集板，采集板里把信號經過處理后分三路輸出，一路直接輸出進行數字顯示，一路傳輸至處理板進行跟蹤處理并顯示，一路送至集串板，集串板接收到數據后進行集串處理，把11對LVDS差分信號轉換為1對LVDS差分信號后送至解串板，解串板進行解串處理，把1對LVDS差分信號轉換為11對LVDS差分信號，然后再送到采集板，采集板里把信號經過處理后分兩路輸出，一路直接輸出進行數字顯示，一路傳輸至處理板進行跟蹤處理并顯示。整個系統組成如圖1所示。

3 功能設計與實現

在整個系統中，采集板和處理板都是采用成熟技術，并且這兩部分都是用于功能驗證。系統的核心在集串板和解串板，集串和解串都需要自適應均衡處理，因此系統的關鍵是集串、解串和均衡。

本系統輸入的cameralink接口數字圖像點陣大小為640×512，刷新頻率為100hz，數據位寬為10位，數據流量不超過320Mbps，數據傳輸率均滿足要求。

數字相機輸出的11對差分信號經過采集板處理后送至集串板進行解碼，把11對LVDS電平的信號轉換為28位TTL電平的數字圖像、1路時序信號、6路控制信號等輸入到FPGA電路里進行各種處理，處理后的信號首先經過驅動電路，增強信號的傳輸能力，然后利用集串器把35個TTL電平的數字信號轉換為4對LVDS電平的差分信號，MAX9207是一個很強大的集串器件，它能夠把10位TTL電平的并行數據轉換為1對LVDS電平的串行數據，信號能夠以660Mbps通過電路板或者雙絞線傳輸，能夠很方便地實現數據的傳輸。采用MAX9207進行集串處理，數據帶寬完全能夠滿足實際使用要求。4對LVDS信號再經過DS32ELX0421電路采用集成的直流平衡編碼技術進行數據集成，該集串器可以同時把5對LVDS差分數據信號和1對LVDS差分時鐘信號集成為1對LVDS差分信號傳輸出去，能夠最大限度地減少信號的數量。經過二次集串處理，數字圖像最終轉換為1對LVDS差分信號。整個集串處理如圖2所示。

均衡處理采用CLC012，它具有二級自適應濾波器單元，能自適應地對不同長度的電纜和雙絞線進行均衡，CLC012的抖動極低，能夠為數據鏈路提供了很寬的噪聲容限。CLC012均衡器從波形中回收信號，并將它恢復到適當電壓電平。CLC012的原理如圖3所示。均衡后的圖像可以直接經過同軸電纜從電路板向外傳輸，這里設計的電纜長度為30m。

解串板通過同軸電纜接收到信號之后首先經過高速驅動器CLC005驅動同軸電纜進行信號增強，經直流耦合后把均衡處理后的1對LVDS差分信號首先進行解串，數字通道圖像首先經過DS32ELX0124把1對LVDS差分信號轉換為4對LVDS差分信號。DS32ELX0124采用直流平衡解碼使能技術把1路LVDS差分信號轉換為5路LVDS差分數據信號和1路時鐘差分信號，DS32ELX0421和DS32ELX0124是集串和解串的配對模塊。一個用來集串，一個用來解串。這里采用1路DS32ELX0124把數字通道數據解串為4路LVDS差分信號，然后通過4路二次解串電路MAX9208轉換為35路TTL電平的數字信號，再經過驅動信號增強信號的傳輸能力，驅動后的TTL信號就可以直接用于圖像處理。如圖4所示。

經過上述采集、集串、自適應均衡、解串等處理，系統就完成了圖像數據的傳輸。

4 驗證

把相機對準同一個固定目標，本系統可以有一下幾種驗證方法：

（1）用采集板同時直接觀察傳輸前后的圖像，看是否有變化；

（2）把傳輸前后的圖像同時送到處理板的DSP片內，進行跟蹤處理，觀察傳輸前后脫靶量的變化情況是否一致；

（3）把傳輸前和傳輸后的圖像同時傳輸到處理板FPGA里，對同一時刻的像素求差的絕對值的累加和，看每場的累加和是否為0。

采用三種方法驗證發現，處理前和處理后的圖像效果均保持一致，沒有變化。這說明在30m長的同軸電纜中，本系統設計的圖像傳輸完全能夠滿足使用要求。

參考文獻

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[2]高同海，宋明，丁曉明.自適應均衡器在LVDS息線長距離傳輸中的應用[J].單片機與嵌入式系統，2005.

[3]楊翠虹，文豐，姚宗.基于LVDS 的高速數據傳輸系統的設計[J].通信技術，2010.

作者簡介

郭炳（1982-），現為中國電子科技集團公司第二十七研究所工程師，主要從事光電圖像處理。

郭振鐸（1982-），現為中原工學院電子信息學院講師，主要研究方向為圖像處理技術及嵌入式系統開發應用。

張猛，現為中國電子科技集團公司第二十七研究所工程師，主要從事光電圖像處理裝備制造。

作者單位

1.中國電子科技集團公司第二十七研究所 河南省鄭州市 450047

2.中原工學院 河南省鄭州市 450047