基于FPGA和LVDS技術(shù)的光纜傳輸技術(shù)

1、基于FPGA和LVDS技術(shù)的光纜傳輸技術(shù) 更新于2010-03-14 03:14:07 文章出處:21IC電子網(wǎng) FPGA LVDS 光纜傳輸 來源：國外電子元器件 作者：張時華 任勇峰 李圣昆 劉鑫1 引言某飛行器發(fā)射前，需測試飛行器各項參數(shù)，參數(shù)測試是通過數(shù)據(jù)記錄器記錄飛行器數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸?，F(xiàn)有的技術(shù)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(wǎng)接口的傳輸速度很快，但以太網(wǎng)協(xié)議復(fù)雜，不適用。為此，這里提出一種基于FPGA和L

2、VDS接口器件的光纜傳輸技術(shù)。2 LVDS簡介低電壓差分信號（Low Voltage Differential Signaling，簡稱LVDS）是一種適應(yīng)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄓ命c對點物理接口技術(shù)。它采用低擺幅差分信號技術(shù)，使其信號能在差分PCB線對兒或平衡電纜上以幾百Mbs的速度傳輸。其低擺幅和低電流驅(qū)動輸出實現(xiàn)低噪聲和低功耗。每個點到點連接的差分對兒由驅(qū)動器、互連器和接收器組成。驅(qū)動器和接收器主要完成TTL信號和LVDS信號之間的轉(zhuǎn)換。互連器包含電纜、PCB上差分線對兒以及匹配電阻。LVDS驅(qū)動器由一個驅(qū)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(qū)動器輸出的電流大部分都流經(jīng)1

3、00的匹配電阻，并在接收器的輸入端產(chǎn)生約350 mV的電壓。當(dāng)驅(qū)動器翻轉(zhuǎn)將改變流經(jīng)電阻的電流方向，因此產(chǎn)生有效的邏輯1和邏輯O的低擺幅驅(qū)動信號實現(xiàn)高速操作并減小功耗，差分信號提供適當(dāng)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(zhì)相匹配的終端電阻，應(yīng)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(qū)動器與接收器間對接地的電壓差。由于LVDS驅(qū)動器典型的偏置電壓為1.2 V，所以其電壓差驅(qū)動器典型的偏置電壓以及輕度耦合噪聲之和范圍為0.22.2 V.建議接收器的輸入電壓范圍為02.4 V.3 總體設(shè)計方案系統(tǒng)設(shè)計要求傳輸速度應(yīng)在116

4、 Mbs自動適應(yīng)，傳輸距離不小于300 m，且必須與其他系統(tǒng)電磁隔離，避免電磁干擾。因此，該系統(tǒng)設(shè)計采用集成的LVDS接口器件DS92LVl021，其數(shù)據(jù)傳輸速度是1640 Mbs，10位數(shù)據(jù)位。而CLC001，CLC012為專用長線電纜驅(qū)動器，與光模塊相結(jié)合可將傳輸距離擴(kuò)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(tǒng)設(shè)計要求。因此，該系統(tǒng)設(shè)計選用LVDS接口器件實現(xiàn)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(xiàn)。圖1為系統(tǒng)設(shè)計的框圖，測試臺發(fā)送的STATE、CTLl、CTL

5、2等狀態(tài)及控制信號傳送至記錄器，并將記錄器發(fā)送的數(shù)據(jù)及同步時鐘傳送至地面測試臺。其中，記錄器、LVDS發(fā)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(fā)送電路和LVDS接收電路。LVDS發(fā)送電路將從記錄器接收到的并行數(shù)據(jù)進(jìn)行速度匹配后轉(zhuǎn)換成LVDS串行數(shù)據(jù)流，并通過雙絞線發(fā)送。LVDS接收電路將接收到的LVDS串行數(shù)據(jù)流還原成并行數(shù)據(jù)進(jìn)行速度匹配后送至測試臺。4 硬件設(shè)計該系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵部分為LVDS的接口設(shè)計，由于傳輸數(shù)據(jù)速度很高，因此應(yīng)按照高速電路的要求進(jìn)行設(shè)計，所有布線應(yīng)盡量短，傳輸線路阻抗匹配。傳輸模塊發(fā)送端工作時首先由FPGA給DS92LV

6、1021的使能端DEN及TCLK-RF觸發(fā)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(zhuǎn)換為LVDS標(biāo)準(zhǔn)的串行信號，再由Do一及Do+輸出至CLC001驅(qū)動器，經(jīng)電光轉(zhuǎn)換后，由光纜傳輸至接收板電路，并由接收電路的光電轉(zhuǎn)換器送至CLC012，從而補(bǔ)償已衰減的信號，再由DS92LV1212解串器還原出10位并行數(shù)據(jù)及l(fā)位時鐘位。圖2為發(fā)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D00D09將還原出的并行數(shù)據(jù)輸出，RCLK為還原出的同步時鐘，REFCLK為解串器

7、的工作時鐘，由FPGA給出。5 軟件設(shè)計系統(tǒng)上電后，測試臺先向采編器發(fā)出讀數(shù)命令，采編器接到命令后，以l Mbs的速度輸出8位并行數(shù)據(jù)，而LVDS傳輸器件最低工作速度為16 Mbs，為了實現(xiàn)速度匹配與自適應(yīng)，該系統(tǒng)設(shè)計采用了Soatan-2E型FPGA內(nèi)部雙口RAM實現(xiàn)FIFO，其時鐘最高工作頻率為200 MHz，滿足要求，當(dāng)采編器以1 M bs速度輸出數(shù)據(jù)時，首先進(jìn)入FPGA內(nèi)部FIFO，F(xiàn)PGA內(nèi)部對數(shù)據(jù)計數(shù)，當(dāng)存滿512個數(shù)后，F(xiàn)PGA以20 Mbs的速度輸出8位并行數(shù)據(jù)，為了保證DS92LVl021一直處于工作狀態(tài)，F(xiàn)PGA在兩次發(fā)送數(shù)據(jù)的間歇所輸出的無效數(shù)，有效數(shù)和無效數(shù)通過LVDS傳輸器件的lO位數(shù)據(jù)位的高2位數(shù)據(jù)位作為標(biāo)志位進(jìn)行區(qū)分，在接收端FPGA通過判斷標(biāo)志位來識別有效數(shù)或無效數(shù)，舍棄無效數(shù)，保證數(shù)據(jù)正確傳輸。FPGA在整個系統(tǒng)中起數(shù)據(jù)緩沖作用，由于采用FIFO作為外部數(shù)據(jù)接口，所以可實現(xiàn)對外部數(shù)據(jù)的自適應(yīng)要求。整個程序用VHDL語言編寫，流程圖如圖3所示。6 試驗結(jié)果為了測試最終效果，在發(fā)送電路和接收電路之間用不同長度的單模光纖連接，系統(tǒng)上電后，發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)速度為20 Mbs，使用示波器捕獲接收端數(shù)據(jù)波形，并進(jìn)行對比，實驗結(jié)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