基于同軸與光纖結合的2km數據傳輸的設計

摘 要：若采用沒(méi)有信號調節功能的LVDS芯片與設有驅動(dòng)器預加重功能和接收器均衡功能的LVDS集成電路構成系統傳輸數據，電纜的長(cháng)度便可最多到數百米。但這些系統想要進(jìn)行數十公里長(cháng)距離的數據傳送，便應將LVDS信號經(jīng)過(guò)光模塊轉成光信號來(lái)傳輸，并將之與LNDS系統一起搭配使用。采用DS92LV1023和lDS92LV1224型號的LWDS芯片與驅動(dòng)芯片CL006和CLCOl4相互配合構成LVDS系統，再與光模塊構成一個(gè)大系統便能夠傳輸數十公里的距離。該系統已投入使用，其性能可靠、穩定、支持。
關(guān)鍵詞：LVDS芯片：長(cháng)距離；同軸電纜：光模塊．

0 引言
隨著(zhù)各式各樣的接入通信設備的應用，數據傳輸的需求急劇增加。設備的電路系統必須提高傳輸的速度，設備采用LVDS技術(shù)，使其傳輸速度高達數百Mbps。但是，LVDS的出現只能滿(mǎn)足短距離(不超過(guò)幾米)傳輸條件下數據高速傳輸的要求。自適應均衡器可自動(dòng)為信號損耗提供補償，使電纜傳來(lái)的串行數字信號可以重新恢復其原有強度。利用這一特點(diǎn)采用高速串行數字接口(SDI)自適應電纜均衡器及電纜驅動(dòng)器芯片構建系統，可以擴大LVDS技術(shù)的數據傳送范圍到二、三百米。
隨著(zhù)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，光纖通信已成為通信的重要手段。光纖傳輸系統具有容量大，傳輸距離遠，抗干擾性強等優(yōu)勢，在通信傳輸方面有著(zhù)不可替代的地位，目前，單模光纖能以1．2Gbyte／s的速度傳輸20km。綜合以上兩個(gè)特點(diǎn)采用LVDS芯片與光模塊構建系統，可以在特殊環(huán)境下擴大數據傳送范圍，以滿(mǎn)足高速率條件下長(cháng)距離傳送的要求。
在導彈上面的電纜網(wǎng)有好幾級托插件構成，如果用光纖接口做托插件的話(huà)需要外圍電路，并且光模塊本身體積也很大，由于導彈上的空間有限，所以在導彈上面用光纖不合理。同軸電纜則不存在這樣的問(wèn)題，它通過(guò)標準SMA接插件就可以連接起來(lái)，SMA接插件比同軸電纜少粗一點(diǎn)，幾乎不占體積。因此，本文采用的就是高速串行數字接口(SDI)自適應電纜均衡器及電纜驅動(dòng)器芯片與LVDS芯片搭配構成彈上系統，在地面上采用光模塊將LNDS信號轉成光信號傳輸2km。整個(gè)系統主要完成導彈飛行前的實(shí)時(shí)檢測過(guò)程中的數據傳輸。

1 總體方案設計
本系統需要完成在100Mbps速度情況下數據的傳輸，傳輸距離為2km。并且需要光信號與電信號的轉換問(wèn)題。因此，在滿(mǎn)足傳輸速度為100Mbps的條件下，主要考慮的是數據的傳輸距離的問(wèn)題。也就是說(shuō)，需要解決兩方面的問(wèn)題：(1)延長(cháng)傳輸距離的問(wèn)題(2)速度匹配問(wèn)題。圖一為系統原理框圖。其中，導彈上的采編器采集到的數據通過(guò)LVDS發(fā)送模塊轉成串行數據，再經(jīng)過(guò)50m的同軸電纜傳到地面上的LVDS模塊與光模塊組合而成的模塊，這個(gè)組合模塊是收發(fā)一體的模塊。在地面上通過(guò)收發(fā)一體的模塊將電信號轉成光信號，經(jīng)過(guò)2km的光纖傳到控制室，在控制室內，又通過(guò)光模塊與LVDS模塊，將光信號轉成電平信號直接給了FPGA模塊與USB模塊。

2 硬件設計
如圖一所示，計算機與USB模塊通過(guò)USB電纜連接，計算機發(fā)給USB模塊讀數命令、啟動(dòng)DS92LV1224工作命令及其他工作命令，USB模塊將命令傳給FPGA模塊，再由FPGA來(lái)直接控制LVDS芯片的工作狀態(tài)。由于本系統USB模塊傳給計算機的速度最快為140Mbps，可以將100Mbps速度的數據適時(shí)的傳到計算機里。

3 延長(cháng)距離設計。
(1)彈上延長(cháng)距離設計：
LVDS信號的傳輸是依靠串行器和解串器成對出現相互搭配來(lái)完成的，串行器和解串器都需要外部給它們一個(gè)工作時(shí)鐘。只有這兩個(gè)工作時(shí)鐘頻率相等，串行器和解串器之間才能正常通信。由于FPGA管腳與內部邏輯的靈活性，完全可以解決時(shí)鐘頻率相等的問(wèn)題。
發(fā)送端：串行器DS92LV1023是將外部并行數據串化成串行數據，此時(shí)該串行器輸出的差分壓差是lOOmV左右，這種小壓差只能傳輸不到十米的距離，但加上CLC006這款電纜驅動(dòng)芯片后，其輸出壓差可達到2V(壓差可通過(guò)電阻R23調節)，這樣就可以驅動(dòng)同軸電纜傳輸300米的距離。其部分電路圖如圖二所示。

接收端：其部分電路如圖三，解串器DS92LV1224解串出來(lái)的數據先經(jīng)由FPGA模塊再送給LVDS發(fā)送芯片，再經(jīng)過(guò)驅動(dòng)芯片CLC006之后信號變得很強，足以使光模塊接收到此信號。
(2)地面上延長(cháng)距離設計：
如下圖四，將圖三的LVDS電平直接接到下電路的光模塊的發(fā)送端，經(jīng)過(guò)反復試驗，已經(jīng)可以傳輸10km的距離。在光模塊的接收端將光信號轉成LVDS電平，再經(jīng)過(guò)LVDS模塊轉化成數字信號，再做進(jìn)一步處理。

4 速度匹配
由于LVDS所傳輸的信號是數據采集系統剛采集到的數據，這個(gè)數據的速度只有幾百KByte／s，而這一款LVDS芯片傳輸速度范圍是10一66MByte／s?？梢圆捎瞄g歇式傳輸，但是這種LVDS芯片在傳輸過(guò)程中進(jìn)行中斷后，再次傳輸需要500μs的同步時(shí)間，所以如果LVDS芯片進(jìn)行間歇式傳輸時(shí)，會(huì )丟失掉500μs的數據，不能采用這種方式。
串行器DS92LV1023和解串器DS92LV1224的芯片有10個(gè)數據管腳，一般數據都是8位，其中有兩位一般不用。在這里這兩位空數據位就起到作用了：先將采集回來(lái)的數據暫存到FPGA中的內部Fifo里，等到Fif0中數據達到10個(gè)字節以上就通知FPGA模塊將數據和時(shí)鐘賦到串行器DS92LV1023的管腳上傳輸數據，同時(shí)通過(guò)FPGA給串行器DS92LV1023的第Data8位賦值為“0”；當傳完采集回來(lái)的數據后，我們可以加一些我們自己產(chǎn)生的數據，使LVDS可以持續的傳輸下去，與此同時(shí)通過(guò)FPGA將串行器DS92LV1023的第Data8位賦值為“1”。
以上是數據源發(fā)送端速度配合的處理，下面再談?wù)剶祿邮斩说缴蟼鞯接嬎銠C上的速度配合。
USB模塊給計算機上傳數據也是間歇式傳輸，也就是說(shuō)USB模塊每傳512個(gè)字節，就要停頓幾個(gè)μs。所以就在FPGA中做一個(gè)內部Fifo先將數據暫存到內部Fifo里，等到Fifo中數據達到512個(gè)字節以上就通知USB模塊可以讀數了，這樣就將數據讀回到計算機里。
通過(guò)FPGA控制解串器DS92LV1224PWRDN、REN、RCLK、RCLK_R／F、及REFCLK管腳使LVDS芯片開(kāi)始解串，由于解串器DS92LV1224解串出來(lái)的數據分了兩部分：一是采集的真正數據，二是我們自己加的數據。所以，要先把自己加的數據過(guò)濾掉，這個(gè)工作讓FPGA來(lái)做就可以了，通過(guò)FPGA判斷DS92LV1224的Data8位，如果Data8為“0”，則將數據存到FPGA的fifo里。

5 結論
本文介紹了一種基于LVDS總線(xiàn)與光纖結合的高速數據傳輸系統的設計方法，并對設計中整個(gè)數據流程、FPGA對LVDS芯片工作狀態(tài)和FPGA與單片機的配合作了詳細描述。本系統已經(jīng)投入實(shí)際應用，其性能可靠、穩定，適用性強，該方法值得推廣。