基于FPDP的高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，越來越多的信號處理系統(tǒng)，需要高速的數(shù)據(jù)采集和大吞吐量的數(shù)據(jù)傳輸，來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速實(shí)時處理能力。在雷達(dá)系統(tǒng)中，原始數(shù)據(jù)中包含豐富的信息，及時獲得原始數(shù)據(jù)并進(jìn)行實(shí)時分析就顯得尤為重要，因此在雷達(dá)處理機(jī)中需要大量使用板間通信，并保證板間數(shù)據(jù)傳輸具有高速性和可靠性。單板系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足需求，需要多板共同實(shí)現(xiàn)。
    FPDP總線可用于兩個或多個VME板之間的高速數(shù)據(jù)傳輸，其數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)160 MB／s。FPDP總線位于VME板卡的前面板，完全不影響位于背板插槽的VME總線。在實(shí)際應(yīng)用中，一塊VME板卡允許有多個FPDP端口。因此，在雷達(dá)系統(tǒng)中，可使用FPDP總線必將提高數(shù)據(jù)傳輸和處理能力。

1 FPDP總線概述
    FPDP(Front Panel Data Port，前面板數(shù)據(jù)端口)總線最初是由加拿大的Interactive Circuits and Sys-tems Ltd(ICS)公司開發(fā)，后經(jīng)VSO(VITA Stand-ards Organization)組織提出并形成標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。FPDP總線是32位的并行同步總線，通過80芯的扁平連接電纜進(jìn)行板間連接。主要用于兩個或多個VME總線板卡間進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸。
    FPDP總線上的設(shè)備可以有：
    (1)FPDP主發(fā)送設(shè)備(FPDP／TM：FPDPTransmitter Master)，主發(fā)送設(shè)備是數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑炊耍a(chǎn)生所有其他板需要的時鐘及相關(guān)時序信號；
    (2)FPDP主接收設(shè)備(FPDP/RM：FPDP Re-ceiver Master)，主接收設(shè)備是數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪┒?，用于接收?shù)據(jù)和終止控制信號；
    (3)FPDP接收設(shè)備(FPDP／R：FPDP Receiv-er)，接收設(shè)備只是接收數(shù)據(jù)，沒有終止控制信號，允許數(shù)據(jù)傳輸繼續(xù)下去。
    FPDP總線上必須至少有一個主發(fā)送設(shè)備和一個主接收設(shè)備。但可以有多個接收設(shè)備，從而可以實(shí)現(xiàn)“多點(diǎn)”傳送。在某一時刻，總線中只有一個主發(fā)送設(shè)備，傳輸以單方向進(jìn)行，故在總線上的設(shè)備之間也就不存在總線的競爭和沖突問題。所以FPDP總線協(xié)議不包含地址和仲裁周期，從而可以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。
    雖然FPDP總線為單向傳輸，但可以通過硬件鏈路開關(guān)或者軟件手段對FPDP總線的發(fā)送設(shè)備與接收設(shè)備進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)分時復(fù)用的雙向數(shù)據(jù)傳輸。

2 設(shè)計(jì)實(shí)例
    在雷達(dá)系統(tǒng)中，原始數(shù)據(jù)(有關(guān)目標(biāo)的距離、方問、速度等狀態(tài)參數(shù))的變化對于成像結(jié)果有著十分重要的影響。因此能不能夠?qū)崟r傳輸采集到的原始數(shù)據(jù)并進(jìn)行有效分析，將直接影響到成像質(zhì)量的好壞。
    在該設(shè)計(jì)中，F(xiàn)PGA的數(shù)據(jù)通道采用FPDP總線結(jié)構(gòu)，分別與A／D板、DSP板相連，進(jìn)行實(shí)時高速數(shù)據(jù)傳輸。A／D板負(fù)責(zé)對回波信號進(jìn)行高速采集，DSP板接收FPGA發(fā)送過來的合成數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理。FPDP接收模塊負(fù)責(zé)接收來自A／D板的原始回波數(shù)據(jù)，F(xiàn)PDP發(fā)送模塊負(fù)責(zé)把原始回波數(shù)據(jù)及其他飛機(jī)參數(shù)打包并以FPDP協(xié)議的形式發(fā)送給DSP板。如圖1所示。

    A／D板與DSP板的數(shù)據(jù)接口均為FPDP總線結(jié)構(gòu)，發(fā)送方式為單幀模式。對于單幀數(shù)據(jù)傳輸模式，同步信號SYNCn應(yīng)該先于第一個發(fā)送的數(shù)據(jù)，此時數(shù)據(jù)有效信號(DVALIDn)仍為高，指示數(shù)據(jù)無效。在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，將DVALIDn信號有效，在時鐘STROB(或PSTROBE)上升沿的同步下將發(fā)送數(shù)據(jù)驅(qū)動到FPDP的數(shù)據(jù)總線上。在時鐘STROB(或PSTROBE)上升沿，接收設(shè)備對D[31．．0]和DVALIDn信號進(jìn)行采樣。若DVALIDn為低，則認(rèn)為發(fā)送過來的數(shù)據(jù)是有效的。單幀數(shù)據(jù)傳輸波形圖，如圖2所示。

    為了滿足信號處理機(jī)實(shí)時處理的要求，要求輸入到DSP板的原始數(shù)據(jù)符合處理的數(shù)據(jù)格式。而采集到的數(shù)據(jù)需按一定格式打包，稱為數(shù)據(jù)合成。FPGA要將來自不同設(shè)備的數(shù)據(jù)合成為所需的幀格式后轉(zhuǎn)發(fā)到DSP板。這樣，DSP板在獲得數(shù)據(jù)幀后就可以直接進(jìn)行處理而不必再有格式轉(zhuǎn)換的開銷。其原理圖，如圖3所示。

    由于FPDP總線傳輸實(shí)時性要求很強(qiáng)，在傳輸過程中不允許數(shù)據(jù)丟失，具有數(shù)據(jù)量大、傳輸速度高等特點(diǎn)。因此，F(xiàn)PDP接收邏輯應(yīng)在接收到原始回波數(shù)據(jù)后，盡快發(fā)送給DSP板。否則，將造成數(shù)據(jù)堵塞、丟失及紊亂，嚴(yán)重影響后端的成像處理，因此在FPDP總線收發(fā)邏輯之間引入一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)FIFO，暫存原始回波數(shù)據(jù)。[!--empirenews.page--]
    FPDP接收邏輯接收來自A／D板的回波數(shù)據(jù)，主要負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)緩沖區(qū)FIFO的寫入操作。其工作流程如下：在FPDP總線數(shù)據(jù)有效(DVALIDn為低)時，F(xiàn)IFO的寫請求Wr-req信號有效，此時數(shù)據(jù)隨著寫時鐘信號(Wr-clk即AD板發(fā)送過來的Ad-strob信號)寫入FIFO。若FPDP總線數(shù)據(jù)無效，此時FIFO的寫請求信號也無效，數(shù)據(jù)不能寫入FIFO。
    FPDP發(fā)送邏輯接負(fù)責(zé)將回波數(shù)據(jù)和其他飛機(jī)參數(shù)按照一定的格式打包，并經(jīng)由FPDP總線發(fā)送出去。其工作流程如下：FIFO的讀請求Rd-req信號由發(fā)送時序計(jì)數(shù)器產(chǎn)生，當(dāng)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值為一定值(A／D采集滿一幀數(shù)據(jù))時，Rd-req有效，隨著讀時鐘(Rd-clk即A／D板時鐘AD_strob)信號，數(shù)據(jù)從FIFO中讀出，此時計(jì)數(shù)器清零。數(shù)據(jù)按一定格式打包后，按FPDP單幀傳輸模式將打包數(shù)據(jù)送入DSP板。
    FPDP發(fā)送邏輯應(yīng)當(dāng)在FPDP同步信號SYNCn到來后立即啟動數(shù)據(jù)發(fā)送，這樣大大增強(qiáng)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性和可靠性。值得注意的是，A／D板傳來的第一組回波數(shù)據(jù)來不及打包傳送給DSP板，因此要在FIFO中累積一組回波數(shù)據(jù)后再開始往DSP板發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣每次發(fā)給DSP板的一幀數(shù)據(jù)中，回波數(shù)據(jù)應(yīng)為上一次A／D板發(fā)來的數(shù)據(jù)，這樣可以保證不丟失回波數(shù)據(jù)，只是最后一組回波數(shù)據(jù)仍然會存在于時序板中，采集不到，應(yīng)當(dāng)丟棄。
    特別地，由于模塊的輸入輸出功能已確定，所以作為A／D板接收端的方向信號DIRn不被使用，而作為DSP板發(fā)送端的DIRn信號則常接低。對于輸入的SUSPENDn和NRDYn信號，A／D采集板對NRDYn信號不響應(yīng)，所以FPGA對這兩個信號也不響應(yīng)，避免干擾AD采集板的數(shù)據(jù)采集。

3 設(shè)計(jì)仿真
    以下給出了基于Quartus 6．0的一段波形仿真圖，如圖4所示。

    如圖4所示，為FPDP發(fā)送邏輯的仿真圖，其中FPDI_SUSPEND和FPDI_NRDY始終無效(為高)，在發(fā)送數(shù)據(jù)前FPDO_SYN先有效(為低)，此時FPDO_DVALID仍無效(為高)。在傳輸數(shù)據(jù)時，F(xiàn)PDO_DVALID有效(為低)，在時鐘FPDO_STROBP的上升沿將數(shù)據(jù)通過FPDP總線送出。

4 結(jié)束語
    從以上的分析得出以下結(jié)論：
    (1)該設(shè)計(jì)中，F(xiàn)PDP總線以其特有的前面板方式和傳輸機(jī)制，有效地解決了多塊板卡間的高速數(shù)據(jù)傳輸問題；
    (2)FPDP數(shù)據(jù)的高速、實(shí)時接收和發(fā)送是難點(diǎn)。該設(shè)計(jì)采用了一個片內(nèi)FIFO緩沖區(qū)解決了此問題。片內(nèi)FIFO集成度高、占用資源少，有效地解決了系統(tǒng)需求；
    (3)該設(shè)計(jì)使用同步信號作為接收幀的有效標(biāo)志，提高了系統(tǒng)的實(shí)時性和可靠性。