基于FPGA和LVDS技术的光缆传输技术

 国外电子元器件 张时华 任勇峰 李圣昆 刘鑫　

1 引言

　　某飞行器发射前，需测试飞行器各项参数，参数测试是通过数据记录器记录飞行器数据并传至地面测试台。测试过程中，为了保证测试人员人身安全，飞行器和地面测试台间距需有300 m，两者间采用长线数据传输。现有的技术有：RS一485总线，在几百米时，传输速度较低；CAN总线虽具有较高的可靠性，但传输速度也较低；而千兆以太网接口的传输速度很快，但以太网协议复杂，不适用。为此，这里提出一种基于FPGA和LVDS接口器件的光缆传输技术。

　　2 LVDS简介

　　低电压差分信号(Low Voltage Differential Signaling，简称LVDS)是一种适应高速数据传输的通用点对点物理接口技术。它采用低摆幅差分信号技术，使其信号能在差分PCB线对儿或平衡电缆上以几百Mb／s的速度传输．其低摆幅和低电流驱动输出实现低噪声和低功耗。

　　每个点到点连接的差分对儿由驱动器、互连器和接收器组成。驱动器和接收器主要完成TTL信号和LVDS信号之间的转换。互连器包含电缆、PCB上差分线对儿以及匹配电阻。LVDS驱动器由一个驱动差分线对儿的电流源组成，LVDS接收器具有高输入阻抗，因此驱动器输出的电流大部分都流经100Ω的匹配电阻，并在接收器的输入端产生约350 mV的电压。当驱动器翻转将改变流经电阻的电流方向，因此产生有效的逻辑1和逻辑O的低摆幅驱动信号实现高速操作并减小功耗，差分信号提供适当噪声边缘。不管使用的是PCB线对儿还是电缆，都必须防止反射，减少电磁干扰。LVDS要求使用一只与介质相匹配的终端电阻，应将其尽可能地靠近接收器放置。LVDS接收器可以承受1 V的驱动器与接收器间对接地的电压差。由于LVDS驱动器典型的偏置电压为1．2 V，所以其电压差驱动器典型的偏置电压以及轻度耦合噪声之和范围为0．2～2．2 V。建议接收器的输入电压范围为0～2．4 V。

　　3 总体设计方案

　　系统设计要求传输速度应在1~16 Mb／s自动适应，传输距离不小于300 m，且必须与其他系统电磁隔离，避免电磁干扰。因此，该系统设计采用集成的LVDS接口器件DS92LVl021，其数据传输速度是16～40 Mb／s，10位数据位。而CLC001，CLC012为专用长线电缆驱动器，与光模块相结合可将传输距离扩展2 km，且外部电路简单，功耗低。FPGA选用Spartan一2系列器件，其最高工作速度为200 MHz，逻辑宏单元丰富，满足系统设计要求。因此，该系统设计选用LVDS接口器件实现LVDS长线传输，而记录器、测试台和LVDS器件接口的时序匹配则选用FPGA实现。

　　图1为系统设计的框图，测试台发送的STATE、CTLl、CTL2等状态及控制信号传送至记录器，并将记录器发送的数据及同步时钟传送至地面测试台。其中，记录器、LVDS发送端、LVDS接收端的电源均由测试台提供，电压为+9 V。

　　LVDS长线传输模块分为LVDS发送电路和LVDS接收电路。LVDS发送电路将从记录器接收到的并行数据进行速度匹配后转换成LVDS串行数据流，并通过双绞线发送。LVDS接收电路将接收到的LVDS串行数据流还原成并行数据进行速度匹配后送至测试台。

　　4 硬件设计

　　该系统设计的关键部分为LVDS的接口设计，由于传输数据速度很高，因此应按照高速电路的要求进行设计，所有布线应尽量短，传输线路阻抗匹配。传输模块发送端工作时首先由FPGA给DS92LV1021的使能端DEN及TCLK-R／F触发沿选择高电平，并向TCLK引脚输出20 MHz的工作时钟，接着DS92LV1021将从FPGA处接收到的TTL并行信号转换为LVDS标准的串行信号，再由Do一及Do+输出至CLC001驱动器，经电光转换后，由光缆传输至接收板电路，并由接收电路的光电转换器送至CLC012，从而补偿已衰减的信号，再由DS92LV1212解串器还原出10位并行数据及l位时钟位。图2为发送电路原理图。

　　传输模块接收端主要由CLC012均衡器及DS92LV1212解串器组成。DS92LV1212的D00~D09将还原出的并行数据输出，RCLK为还原出的同步时钟，REFCLK为解串器的工作时钟，由FPGA给出。

　　5 软件设计

　　系统上电后，测试台先向采编器发出读数命令，采编器接到命令后，以l Mb／s的速度输出8位并行数据，而LVDS传输器件最低工作速度为16 Mb／s，为了实现速度匹配与自适应，该系统设计采用了Soatan-2E型FPGA内部双口RAM实现FIFO，其时钟最高工作频率为200 MHz，满足要求，当采编器以1 M b／s速度输出数据时，首先进入FPGA内部FIFO，FPGA内部对数据计数，当存满512个数后，FPGA以20 Mb／s的速度输出8位并行数据，为了保证DS92LVl021一直处于工作状态，FPGA在两次发送数据的间歇所输出的无效数，有效数和无效数通过LVDS传输器件的lO位数据位的高2位数据位作为标志位进行区分，在接收端FPGA通过判断标志位来识别有效数或无效数，舍弃无效数，保证数据正确传输。FPGA在整个系统中起数据缓冲作用，由于采用FIFO作为外部数据接口，所以可实现对外部数据的自适应要求。整个程序用VHDL语言编写，流程图如图3所示。

　　6 试验结果

　　为了测试最终效果，在发送电路和接收电路之间用不同长度的单模光纤连接，系统上电后，发送端发送数据速度为20 Mb／s，使用示波器捕获接收端数据波形，并进行对比，实验结果记录如表1所列。图4和图5分别给出100 m和300 m光缆的数据波形。由数据波形图知，在传输过程中，波形畸变非常小，没有出现误码和丢数的现象，完全满足系统要求。

　　7 结语

　　本文所述LVDS长线传输方案具有电路设计简单，传输速度快，传输距离远的优点，并且对传输速度能够自适应，在需远距离传输的环境中有广阔的应用前景。