基于PCI Express總線(xiàn)的高速數據傳輸卡設計與實(shí)現

地面測控系統由上位機軟件、工業(yè)控制計算機、地面控制臺及相應電纜網(wǎng)組成。在系統聯(lián)試前它可以和采編器、存儲器構成閉環(huán)反饋，對采編器、存儲器實(shí)施自檢。地面控制臺在上位機軟件的控制下，真實(shí)模擬機上接口信號，為采編器提供不同的數字量信號,并對回收后的存儲器進(jìn)行數據的讀取分析。以前地面測試系統中的上位機軟件系統和地面控制臺之間的通信是由USB接口來(lái)完成的，傳輸速率較低。為了解決大容量數據高速讀取的瓶頸問(wèn)題，采用PCI Express總線(xiàn)來(lái)讀取數據。PCI Express 采用了目前業(yè)內流行的點(diǎn)對點(diǎn)串行連接, 每個(gè)設備都有自己的專(zhuān)用連接, 不需要向整個(gè)總線(xiàn)請求帶寬, 而且可以把數據傳輸率提高到一個(gè)很高的頻率, 達到 USB 所不能提供的高帶寬。本文設計并實(shí)現的數據傳輸卡基于PCI Express總線(xiàn)，提高了系統的讀寫(xiě)速度,滿(mǎn)足了目前大容量高速實(shí)時(shí)傳輸記錄的要求。

　　1 系統結構

　　地面控制臺是模擬機上信號源功能，信號源由上位機生成，然后下載到地面控制臺的RAM中。為了正確地發(fā)送信號源數據需要對下載的信號源數據進(jìn)行自檢，即將地面控制臺RAM中的數據讀入上位機來(lái)驗證控制臺中信號源是否正確。本系統通過(guò)PCI Express傳輸卡實(shí)現了信號源自檢功能。

　　如圖1所示，上位機通過(guò)PCI Express接口將信號源的數據下載到FIFO1存儲器當中，同時(shí)將相應的控制命令發(fā)送給FPGA。FPGA檢測到相應控制命令后，開(kāi)始讀取FIFO1中的數據，并將該數據經(jīng)過(guò)串并轉換寫(xiě)到地面控制臺RAM中。為了保證上位機下載到靜態(tài)存儲器中的數據的正確性，上位機可以通過(guò)PCI Express接口將地面控制臺RAM中的數據寫(xiě)到FIFO2存儲器當中，讀取其中的數據并進(jìn)而對該數據進(jìn)行判讀以驗證信號源數據的正確性。

　　2 硬件設計

　　2.1 差分傳輸

　　低壓差分傳送技術(shù)是基于低壓差分信號LVDS的傳送技術(shù)，其主要特點(diǎn)是抗干擾能力強、傳輸速率高、低功耗、噪聲性能好。

　　傳輸卡接收LVDS數據時(shí)，考慮到在遠距離的數據傳輸過(guò)程中會(huì )遇到一系列的干擾而導致信號的衰減，在接收端設計了CLC014驅動(dòng)芯片，發(fā)送端設計了CLC001驅動(dòng)芯片，其作用是把傳輸來(lái)的信號增強。CLC001與CLC014是配芯片,在設計中要一起使用才能夠起到對長(cháng)距離傳輸時(shí)信號衰減的恢復。串并/并串轉換電路中采用LVDS DS92LV1801芯片，它是一款18位的串并/并串轉換芯片，實(shí)現16位數據傳輸。

　　2.2 PCI Express接口設計

　　PCI Express總線(xiàn)接口的設計方法大體有兩種:使用可實(shí)現PCI Express物理接口的可編程邏輯器件FPGA或使用專(zhuān)用接口芯片。前者的優(yōu)點(diǎn)是其靈活的可編程性,缺點(diǎn)是開(kāi)發(fā)難度比較大,開(kāi)發(fā)周期比較長(cháng);而專(zhuān)用接口芯片實(shí)現了PCI Express的物理層和數據鏈路層、事務(wù)層的控制邏輯,這使用戶(hù)可以專(zhuān)心于其應用方面的開(kāi)發(fā),而不必費力再調試PCI Express接口,降低了開(kāi)發(fā)的難度,是一般用戶(hù)實(shí)現PCI Express接口的有效方法。該設計采用美國PLX公司推出的PEX8311作為本地總線(xiàn)與PCI Express總線(xiàn)的接口。

　　2.2.1 PEX8311的性能簡(jiǎn)介

　　PEX8311是一款x1的PCI Express接口芯片,本地端總線(xiàn)頻率最高可達66 MHz，數據位寬32 bit。PEX8311有主模式、從模式和DMA三種數據傳輸模式。主模式是由 Local總線(xiàn)主設備通過(guò)PEX8311訪(fǎng)問(wèn)PCI Express總線(xiàn)存儲空間和I/O空間；從模式是由PCI Express總線(xiàn)主設備通過(guò)PEX8311訪(fǎng)問(wèn)Local總線(xiàn)存儲空間和I/O空間；DMA傳輸模式由PEX8311作為兩總線(xiàn)的主設備,能在PCI Express總線(xiàn)存儲空間和Local總線(xiàn)存儲空間之間互傳數據。這三種數據傳輸方式中,從模式的優(yōu)先級最高,主模式次之,DMA方式最低。PEX8311橋高速數據傳輸的內部塊圖解如圖2所示。

　　PEX8311有6個(gè)內部FIFO，分別作為主模式、從模式、DMA這三種數據傳輸模式的讀寫(xiě)數據通道,這些FIFO用于使兩條總線(xiàn)的操作相對獨立,從而保證高性能的數據突發(fā)傳輸。