基于LVDS技術(shù)的實時圖像測試裝置的設(shè)計
1 LVDS技術(shù)簡介
LVDS技術(shù)的核心是采用極低的電壓擺幅高速差動傳輸數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)點對點或一點對多點的連接，具有低功耗、低誤碼率、低串?dāng)_和低輻射等特點，其傳輸介質(zhì)可以是銅質(zhì)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(tǒng)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1]。
圖1為LVDS器件單工通信基本原理框圖。它由一個驅(qū)動器、差分互連單元和一個接收器組成。驅(qū)動器和接收器主要完成信號電平和傳輸方式轉(zhuǎn)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(tǒng)中去，而性能不變?；ミB單元包含電纜、PCB上差分導(dǎo)線對以及匹配電阻。
2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計
系統(tǒng)采用USB接口電路實現(xiàn)計算機與FPGA的數(shù)據(jù)傳輸，以LVDS串行器與解串器構(gòu)建實時圖像的發(fā)送與接收電路。系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示。
系統(tǒng)的工作原理為：計算機將控制命令及實時圖像數(shù)據(jù)經(jīng)由USB接口發(fā)送給FPGA，F(xiàn)PGA將實時圖像數(shù)據(jù)部分存儲到高速SRAM，然后根據(jù)控制命令將SRAM中數(shù)據(jù)傳送給LVDS串行器；另外，F(xiàn)PGA還需將回讀的實時圖像數(shù)據(jù)以20 MB/s的速度經(jīng)由USB接口發(fā)送給計算機進行處理。
3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及其實現(xiàn)
3.1 USB接口實現(xiàn)
本系統(tǒng)所使用的USB單片機選用Cypress公司開發(fā)的EZ-USB FX2芯片CY7C68013。該芯片集成了51單片機內(nèi)核、USB2.0收發(fā)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(xiàn)無縫的、高速的數(shù)據(jù)傳輸[2]。用戶在使用該單片機與外圍設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳輸時，只需直接利用GPIF接口來實現(xiàn)與外圍設(shè)備之間的邏輯連接，就可以進行高速數(shù)據(jù)的傳輸。CY7C68013的GPIF接口有16位數(shù)據(jù)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(xù)采樣RDY信號。通常用來等待指定信號的某個狀態(tài)出現(xiàn)，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(chǎn)生簡單的脈沖信號[3]。 CY7C68013在高速模式下,發(fā)送數(shù)據(jù)的碼率可達到480 Mb/s，因此可將20 MB/s的實時圖像數(shù)據(jù)實時地傳送給計算機[2]。
本系統(tǒng)的USB傳輸部分主要實現(xiàn)將計算機發(fā)出的控制命令及實時圖像數(shù)據(jù)發(fā)送給FPGA，并將回讀的實時圖像數(shù)據(jù)發(fā)送給計算機。計算機發(fā)送的命令信號通過CY7C68013的PE端口傳送給FPGA，實時圖像數(shù)據(jù)通過CY7C68013的GPIF接口發(fā)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(yīng)在FPGA中設(shè)置兩個軟FIFO，分別用于圖像數(shù)據(jù)的上傳與下發(fā)。
3.2 LVDS數(shù)據(jù)發(fā)送與接收部分
本系統(tǒng)采用美國TI公司的10位總線型LVDS芯片SN65LV1023A和SN65LV1224A實現(xiàn)實時圖像的高速數(shù)據(jù)傳輸和回采。兩者發(fā)送和接收10 bit并行數(shù)據(jù)的速率在10 MHz~60 MHz之間。由于數(shù)據(jù)在并串轉(zhuǎn)換時，SN65LV1023A會自動加上1位起始位和1位停止位,則串行數(shù)據(jù)發(fā)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(nèi)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(fā)送及接收電路如圖3所示。FPGA根據(jù)計算機控制命令先從高速SRAM中讀取1 B的數(shù)據(jù)，然后的將該字節(jié)外加兩位的識別位共10位的并行實時圖像數(shù)據(jù)輸出到SN65LV1023A，再將轉(zhuǎn)化后的高速串行差分信號經(jīng)高速電纜驅(qū)動器CLC006驅(qū)動后遠程傳輸。CLC006能在最高400 Mb/s數(shù)據(jù)速率下驅(qū)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(diào)整R25/R27和R26/R28的阻值為驅(qū)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(qū)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(xiàn)信號的最優(yōu)化傳輸，將Rext-H與Rext-L之間電阻R36接為10 k?贅的可調(diào)電阻，根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)R36阻值實現(xiàn)輸出信號幅度范圍的調(diào)整。
由于傳輸線對信號有損耗，而且容易產(chǎn)生信號失真、畸變和碼元串?dāng)_等,本系統(tǒng)采用了自適應(yīng)電纜均衡器CLC014對遠程傳輸后接收到的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(nèi)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(shè)計，但是當(dāng)驅(qū)動器三態(tài)或LVDS接收器沒有連接到驅(qū)動器上時，連接電纜會產(chǎn)生天線效應(yīng)，此時LVDS接收器就有可能開關(guān)或振蕩。為避免此種情況的發(fā)生，傳輸電纜采用雙絞屏蔽電纜；另外在電路設(shè)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(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。具體實現(xiàn)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，F(xiàn)PGA先將從高速SRAM中讀取的1 B的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，另外在FPGA接收到1 B的數(shù)據(jù)后，先將其存入內(nèi)部FIFO中，當(dāng)FIFO中的數(shù)據(jù)達到512 B后通知USB單片機讀取數(shù)據(jù)，然后發(fā)送到計算機。
4 實驗結(jié)果
圖4與圖5分別為系統(tǒng)以20 MB/s的速度發(fā)送和接收的一幀512×512 B(每字節(jié)表示一個像素點)圖像數(shù)據(jù),分析結(jié)果表明發(fā)送與接收的圖像數(shù)據(jù)完全一致，滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。
采用LVDS技術(shù)與FPGA相結(jié)合的方法，實現(xiàn)了彈載圖像采集設(shè)備與地面測試臺之間高速數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)的傳輸速率可達到20 MB/s,并且提高了系統(tǒng)的可靠性和集成度。另外，整個系統(tǒng)的時序均由FPGA控制實現(xiàn)，具有很強的重構(gòu)性。本設(shè)計已成功應(yīng)用于某CCD圖像采集設(shè)備的測試中，系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定。
參考文獻
[1] 王冰,靳學(xué)明.LVDS 技術(shù)及其在多信道高速數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用,2003,29(3):55-57.
[2] 林剛勇,馬善農(nóng),許邦蓮.CY7C68013在數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用[J].微計算機信息, 2007(10):76-78.
[3] 徐志軍,徐光輝.CPLD/FPGA 的開發(fā)與應(yīng)用[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2002.
[4] 張國雄,測控電路[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006.
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