文獻標識碼： A
目前在一些彈載設備中，由于采集的實時圖像數據量很大，因此在其與地面測試臺進行數據傳輸時需要很高的傳輸速率。傳統的圖像數據傳輸方法存在很大的局限性。比如，物理層接口無法滿足數據的傳輸速度；由于傳輸通道的增多引起傳輸導線數量的增加導致系統功耗、噪聲也隨之增大等。低電壓差分信號傳輸技術(LVDS)為解決這一問題提供了可能。
1 LVDS技術簡介
LVDS技術的核心是采用極低的電壓擺幅高速差動傳輸數據，可以實現點對點或一點對多點的連接，具有低功耗、低誤碼率、低串擾和低輻射等特點，其傳輸介質可以是銅質的PCB連線，也可以是平衡電纜。LVDS在對信號完整性、低抖動及共模特性要求較高的系統中得到了越來越廣泛的應用[1]。
圖1為LVDS器件單工通信基本原理框圖。它由一個驅動器、差分互連單元和一個接收器組成。驅動器和接收器主要完成信號電平和傳輸方式轉換，它不依賴于特定的供電電壓，很容易遷移到低壓供電的系統中去，而性能不變?；ミB單元包含電纜、PCB上差分導線對以及匹配電阻。
2 系統總體方案設計
系統采用USB接口電路實現計算機與FPGA的數據傳輸，以LVDS串行器與解串器構建實時圖像的發送與接收電路。系統的原理框圖如圖2所示。
系統的工作原理為：計算機將控制命令及實時圖像數據經由USB接口發送給FPGA，FPGA將實時圖像數據部分存儲到高速SRAM，然后根據控制命令將SRAM中數據傳送給LVDS串行器；另外，FPGA還需將回讀的實時圖像數據以20 MB/s的速度經由USB接口發送給計算機進行處理。
3 系統結構組成及其實現
3.1 USB接口實現
本系統所使用的USB單片機選用Cypress公司開發的EZ-USB FX2芯片CY7C68013。該芯片集成了51單片機內核、USB2.0收發器、串行接口引擎(SIE)、4 KBFIFO存儲器以及通用可編程接口等模塊，這些模塊則保證了CY7C68013可與外圍器件實現無縫的、高速的數據傳輸[2]。用戶在使用該單片機與外圍設備進行數據傳輸時，只需直接利用GPIF接口來實現與外圍設備之間的邏輯連接，就可以進行高速數據的傳輸。CY7C68013的GPIF接口有16位數據線，6個RDY信號和6個CTL信號。其中RDY信號為等待信號，GPIF可連續采樣RDY信號。通常用來等待指定信號的某個狀態出現，以確定GPIF下一步動作。CTL信號為控制輸出信號。通常用作選通信號、非總線輸出信號以及產生簡單的脈沖信號[3]。 CY7C68013在高速模式下,發送數據的碼率可達到480 Mb/s，因此可將20 MB/s的實時圖像數據實時地傳送給計算機[2]。
本系統的USB傳輸部分主要實現將計算機發出的控制命令及實時圖像數據發送給FPGA，并將回讀的實時圖像數據發送給計算機。計算機發送的命令信號通過CY7C68013的PE端口傳送給FPGA，實時圖像數據通過CY7C68013的GPIF接口發送給FPGA或上傳給計算機。由于USB與FPGA的傳輸速度不一致，所以還應在FPGA中設置兩個軟FIFO，分別用于圖像數據的上傳與下發。
3.2 LVDS數據發送與接收部分
本系統采用美國TI公司的10位總線型LVDS芯片SN65LV1023A和SN65LV1224A實現實時圖像的高速數據傳輸和回采。兩者發送和接收10 bit并行數據的速率在10 MHz~60 MHz之間。由于數據在并串轉換時，SN65LV1023A會自動加上1位起始位和1位停止位,則串行數據發送的實際速率為120 Mb/s~792 Mb/s之間。LVDS串行器和解串器都需一個外部時鐘。只有這兩個外部時鐘頻率同步時，串行器和解串器才能正常通信。利用FPGA內部時序邏輯，完全能夠解決工作時鐘頻率同步的問題。
實時圖像發送及接收電路如圖3所示。FPGA根據計算機控制命令先從高速SRAM中讀取1 B的數據，然后的將該字節外加兩位的識別位共10位的并行實時圖像數據輸出到SN65LV1023A，再將轉化后的高速串行差分信號經高速電纜驅動器CLC006驅動后遠程傳輸。CLC006能在最高400 Mb/s數據速率下驅動75 Ω傳輸線，還具有可控的輸出信號上升沿和下降沿時間，能使傳輸引入的抖動最小。通過調整R25/R27和R26/R28的阻值為驅動器提供正常輸入信號。其值大小參考芯片資料接口連接部分選擇，它隨其輸入電平類型及阻抗傳輸線而改變。驅動器的信號輸出幅度隨著Rext-H與Rext-L間電阻值的增大而增大。為了實現信號的最優化傳輸，將Rext-H與Rext-L之間電阻R36接為10 k?贅的可調電阻，根據實際情況調節R36阻值實現輸出信號幅度范圍的調整。
由于傳輸線對信號有損耗，而且容易產生信號失真、畸變和碼元串擾等,本系統采用了自適應電纜均衡器CLC014對遠程傳輸后接收到的數據進行均衡。CLC014具有同軸電纜和雙絞線的自動均衡、載波檢測與輸出靜音功能,適用數據速率范圍為50 Mb/s~650 Mb/s，且具有極低的抖動性能。
LVDS接收器在內部雖然提供了針對輸入懸空、輸入短路以及輸入不匹配等情況下的可靠性設計，但是當驅動器三態或LVDS接收器沒有連接到驅動器上時，連接電纜會產生天線效應，此時LVDS接收器就有可能開關或振蕩。為避免此種情況的發生，傳輸電纜采用雙絞屏蔽電纜；另外在電路設計上外加上拉和下拉電阻來提高LVDS接收器的噪聲容限。圖3中的R31為100 Ω的匹配電阻，R32和R30分別為提高噪聲容限的上拉和下拉電阻，阻值為1.5 kΩ。
FPGA主要通過控制LVDS串行器的TCLK、TCLK_R/F引腳以及LVDS解串器的RCLK、RCLK_R/F引腳實現數據的發送與接收。具體實現方法為：TCLK、RCLK引腳由FPGA分配同一時鐘(時鐘頻率為20 MHz)，在時鐘的上升沿，FPGA先將從高速SRAM中讀取的1 B的數據發送出去，另外在FPGA接收到1 B的數據后，先將其存入內部FIFO中，當FIFO中的數據達到512 B后通知USB單片機讀取數據，然后發送到計算機。
4 實驗結果
圖4與圖5分別為系統以20 MB/s的速度發送和接收的一幀512×512 B(每字節表示一個像素點)圖像數據,分析結果表明發送與接收的圖像數據完全一致，滿足系統的設計要求。
采用LVDS技術與FPGA相結合的方法，實現了彈載圖像采集設備與地面測試臺之間高速數據傳輸，系統的傳輸速率可達到20 MB/s,并且提高了系統的可靠性和集成度。另外，整個系統的時序均由FPGA控制實現，具有很強的重構性。本設計已成功應用于某CCD圖像采集設備的測試中，系統工作性能穩定。
參考文獻
[1] 王冰,靳學明.LVDS 技術及其在多信道高速數據傳輸中的應用[J]. 電子技術應用,2003,29(3):55-57.
[2] 林剛勇,馬善農,許邦蓮.CY7C68013在數據傳輸中的應用[J].微計算機信息, 2007(10):76-78.
[3] 徐志軍,徐光輝.CPLD/FPGA 的開發與應用[M]. 北京: 電子工業出版社, 2002.
[4] 張國雄,測控電路[M].北京:機械工業出版社,2006.