基于FPGA的LVDS高速數(shù)據(jù)通信卡設(shè)計(jì)

摘要 基于FPGA、PCI9054、SDRAM和DDS設(shè)計(jì)了用于某遙測(cè)信號(hào)模擬源的專用板卡。PCI9054實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交互，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)PCI本地接口轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)接收發(fā)送控制及DDS芯片的配置。通過WDM驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)及MFC交互界面設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)了10～200 Mbit·s-1的LVDS數(shù)據(jù)接收及10～50 Mbit·s-1任意速率的LVDS數(shù)據(jù)發(fā)送。
關(guān)鍵詞 PCI9054；LVDS；DDS：FPGA

    某遙測(cè)信號(hào)模擬源是用于產(chǎn)生模擬信號(hào)處理器、遙測(cè)組件測(cè)試和交付測(cè)試的前端輸入信號(hào)的專用設(shè)備。該信號(hào)源生成各種類型的信號(hào)，輸入給待測(cè)產(chǎn)品，測(cè)試時(shí)比對(duì)遙測(cè)信號(hào)模擬源生成的信號(hào)和其經(jīng)過待測(cè)產(chǎn)品以后的信號(hào)，以判斷產(chǎn)品的功能是否正常。設(shè)計(jì)中的板卡為該遙測(cè)信號(hào)模擬源的組成部分，主要用于測(cè)試產(chǎn)品的LVDS總線協(xié)議的功能是否正常。由于待測(cè)信號(hào)的特殊應(yīng)用，要求板卡能夠接收200 Mbit·s-1內(nèi)的高速串行數(shù)據(jù)并能發(fā)送10～50 Mbit·s-1的任意速率LVDs數(shù)據(jù)。因PCI總線速度高、兼容性好、可靠性高且成本低，使其在各種與主機(jī)通信的總線技術(shù)中優(yōu)勢(shì)明顯。FPGA資源豐富、速度快、開發(fā)方便快捷，因此在高速數(shù)據(jù)通信中應(yīng)用廣泛。DDS頻率合成技術(shù)通過頻率控制字、相位控制字及參考時(shí)鐘的控制來實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)的調(diào)頻調(diào)相，并且輸出信號(hào)具有頻率轉(zhuǎn)換快、頻率分辨率高和相位噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。綜合上述特點(diǎn)，設(shè)計(jì)運(yùn)用PCI9054實(shí)現(xiàn)PCI總線接口，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收發(fā)送控制及接口實(shí)現(xiàn)，DDS芯片AD9851產(chǎn)生任意LVDS數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)鐘，最后使用MFC實(shí)現(xiàn)板卡的交互界面并對(duì)板卡實(shí)現(xiàn)測(cè)試。

1 硬件設(shè)計(jì)
    數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)是將目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行采集、處理并存儲(chǔ)，形成計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)據(jù)格式，即包含信號(hào)輸入單元、信號(hào)處理單元和信號(hào)輸出單元。數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)是將目標(biāo)數(shù)據(jù)傳送給下位機(jī)，下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)格式處理，然后按照數(shù)據(jù)協(xié)議形式通過信號(hào)輸出單元發(fā)送出去。除此之外整個(gè)系統(tǒng)還需要緩沖區(qū)、時(shí)鐘以及電源等相關(guān)模塊支持。圖1所示為本板卡的硬件設(shè)計(jì)框圖。

1．1 PCI接口設(shè)計(jì)
    PCI總線是由Intel等公司制定的具有嚴(yán)格規(guī)范的外部設(shè)備互聯(lián)總線，是目前計(jì)算機(jī)中廣泛采用的局部總線，它的信號(hào)線包括32根地址數(shù)據(jù)復(fù)用線、仲裁、接口控制線、總線命令字節(jié)允許復(fù)用線和系統(tǒng)復(fù)位等。PCI接口設(shè)計(jì)一般采用兩種方法：(1)利用CPLD／FPGA實(shí)現(xiàn)，這種方法可以針對(duì)自己的需要定制功能，設(shè)計(jì)靈活性大。(2)用通用的接口芯片，如AMCC公司的S5933、PLX公司的PCI9054等。因PCI總線協(xié)議復(fù)雜，自行設(shè)計(jì)接口費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而PCI接口芯片具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大、可靠性好等特點(diǎn)，從而大大減少開發(fā)工作量。綜上所述，設(shè)計(jì)選用PCI90 54，C從模式工作，本地總線端輸入時(shí)鐘50 MHz，配置芯片為Mierochip Technology公司的93LC56串行EEPROM。
1．2 LVDS接口設(shè)計(jì)
    低壓差分信號(hào)(Low Voltage Differential Signaling，LVDS)采用極低的電壓擺幅高速差動(dòng)傳輸數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的連接。文中采用Cyclone I系列EP1C6Q240FPGA，它支持高速LVDS接口，利用其I／O的LVDS驅(qū)動(dòng)器把FPGA內(nèi)部邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)換為低壓差分信號(hào)對(duì)，經(jīng)過傳輸線傳送到對(duì)方差分接收電路。在Cyclone I系列FPGA中，使用LVDS接口只需在其配套的Quartus II軟件的MegaWizard中調(diào)用Alt lvds并進(jìn)行定制即可。

    LVDS接口電路的設(shè)計(jì)如圖2所示，F(xiàn)PGA發(fā)送端通過LVDS發(fā)送差分信號(hào)，在差分線上分別串接一個(gè)120 Ω電阻，再在其間并接一個(gè)170 Ω電阻，削弱差分信號(hào)的幅值，防止信號(hào)產(chǎn)生震蕩；FPGA接收端在差分線間并接一個(gè)100 Ω的終端電阻，電流主要通過終端電阻形成回路，從而在接收器的輸入端形成差分接收的信號(hào)電壓；PCB布線時(shí)防止LVDS高速信號(hào)串?dāng)_和互擾，避免其他信號(hào)耦合到LVDS傳輸線上，應(yīng)盡量將LVDS信號(hào)和其他信號(hào)分別布在兩個(gè)信號(hào)層上。
1．3 其他接口設(shè)計(jì)
    為滿足PCI總線的DMA傳輸特性，需要在硬件上加入緩沖區(qū)。輸入的LVDS速率越高，需要的緩沖區(qū)容量越大，以保證不丟失數(shù)據(jù)。因此設(shè)計(jì)選用Micron公司提供的MT48LC2M32 SDRAM作為緩沖區(qū)，它是一款64 MB全同步SDRAM。另外，輸出的LVDS信號(hào)要求10～50 MHz頻率范圍內(nèi)任意可調(diào)，因此選用AD公司采用CMOS技術(shù)生產(chǎn)的直接數(shù)字合成器AD9851，它的最高工作時(shí)鐘為180 MHz，內(nèi)部除了完整的高速DDS外，還集成了時(shí)鐘6倍頻器和一個(gè)高速比較器，并且它的接口控制簡(jiǎn)單，可以用8位并行口或串行口直接輸入頻率、相位等控制數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)中通過FPGA中PLL輸出30 MHz時(shí)鐘，倍頻器將參考時(shí)鐘倍頻至180 MHz，控制接口采用并行口傳輸。
    除此之外，時(shí)鐘模塊采用有源晶振為系統(tǒng)提供50 MHz時(shí)鐘，SDRAM時(shí)鐘由FPGA內(nèi)部PLL合成。電源模塊采用外圍電路簡(jiǎn)單的LDO(Low Dropout Regulator)提供3．3V及1．5V電源電壓。[!--empirenews.page--]
1．4 FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)的邏輯設(shè)計(jì)是本板卡設(shè)計(jì)的核心部分，圖3所示為本系統(tǒng)FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。

    LVDS信號(hào)接收器接收外部的LVDS數(shù)據(jù)幀，檢出幀頭，并將幀數(shù)據(jù)傳送給雙口RAM進(jìn)行處理，一個(gè)數(shù)據(jù)幀包含32 bit的幀頭和256×32 bit的幀數(shù)據(jù)。接收的雙口RAM實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的乒乓存儲(chǔ)，寫數(shù)據(jù)的寬度為1 bit，讀數(shù)據(jù)的寬度為32 bit，以此來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換，同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)時(shí)鐘域的轉(zhuǎn)換。LVDS接收數(shù)據(jù)控制模塊用于產(chǎn)生雙口RAM和SDRAM控制器的地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線，實(shí)現(xiàn)各接收模塊聯(lián)合控制和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移，同時(shí)它還負(fù)責(zé)從SDRAM控制器讀取數(shù)據(jù)送至FPGA內(nèi)的FIFO緩沖區(qū)，用于PCI總線交互。
    LVDS信號(hào)發(fā)送部分由LVDS發(fā)送數(shù)據(jù)控制、雙口RAM、FIFO緩沖、LVDS信號(hào)發(fā)送器和DDS控制器組成。LVDS發(fā)送數(shù)據(jù)控制用于產(chǎn)生各模塊的地址、數(shù)據(jù)和控制總線，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移和交互。雙口RAM實(shí)現(xiàn)并串轉(zhuǎn)換和乒乓存儲(chǔ)。LVDS信號(hào)發(fā)送器為數(shù)據(jù)幀添加包頭，并連同幀數(shù)據(jù)以AD98 51產(chǎn)生的發(fā)送頻率串行發(fā)送出去。
    另外，SDRAM控制器是FPGA內(nèi)用于外部SDRAM控制的模塊，PCI本地總線控制器是FPGA內(nèi)用于控制PCI9054本地總線交互的模塊，DDS控制器是FPGA內(nèi)用于外部AD9851控制的模塊。PLL是Ahera FPGA內(nèi)提供的模擬延遲鎖相環(huán)模塊，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)鐘的倍頻、分頻及延遲等時(shí)鐘控制操作。通過該模塊可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)不同時(shí)鐘域的時(shí)鐘分配。

2 軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序采用Windows下的WDM(Windows Driver Model)驅(qū)動(dòng)程序。目前開發(fā)WDM驅(qū)動(dòng)程序通常有3種工具，即Windows DDK、DriverStudio和WinDriver。由于DriverStudio包含完善的源代碼生成工具以及相應(yīng)的類庫(kù)和驅(qū)動(dòng)程序樣本，提供了在VC++下進(jìn)行驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)的支持，因此設(shè)計(jì)中使用DdverStudio來開發(fā)WDM驅(qū)動(dòng)程序。
    設(shè)計(jì)的上層應(yīng)用程序采用Microsoft Virtual Studio作為開發(fā)平臺(tái)，通過MFC設(shè)計(jì)了人機(jī)交互界面，主要用于完成接收數(shù)據(jù)顯示存儲(chǔ)、發(fā)送數(shù)據(jù)載入、發(fā)送頻率控制字以及PCI控制命令等功能。其程序面板如圖4所示。

3 結(jié)果測(cè)試
    在Ahium Designer 2009平臺(tái)上進(jìn)行板卡硬件原理圖和PCB圖設(shè)計(jì)，F(xiàn)PGA芯片采用Altera公司的EP1C6Q240C6，使用Quartus II 9．0開發(fā)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)編程和仿真，完成對(duì)電路設(shè)計(jì)的功能仿真和時(shí)序仿真。
    在Quartus II中進(jìn)行引腳分配并編譯完工程后，將設(shè)計(jì)文件下載到FPGA的配置芯片中。在硬件上將LVDS的發(fā)送端和接收端連接以實(shí)現(xiàn)自發(fā)自收。在PC機(jī)的應(yīng)用程序中設(shè)置發(fā)送頻率為50 MHz，然后點(diǎn)擊“發(fā)送頻率控制字”按鈕發(fā)送頻率控制字，載入從0開始的連續(xù)累加數(shù)字，點(diǎn)擊“開始發(fā)送”按鈕發(fā)送數(shù)據(jù)，然后點(diǎn)擊“開始接收”按鈕接收數(shù)據(jù)。從圖4所示的發(fā)送與接收數(shù)據(jù)顯示可以發(fā)現(xiàn)，接收到的LVDS數(shù)據(jù)與發(fā)送的LVDS數(shù)據(jù)完全一致，系統(tǒng)的發(fā)送功能與接收功能符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)
    介紹了基于FPGA和PCI9054的LVDS數(shù)據(jù)通信卡的設(shè)計(jì)，通過FPGA實(shí)現(xiàn)了LVDS數(shù)據(jù)的接收發(fā)送控制、PCI9054實(shí)現(xiàn)了與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)了10～200 Mbit·s-1速率的LVDS數(shù)據(jù)接收以及10～50 Mbit·s-1任意速率的LVDS數(shù)據(jù)發(fā)送。此板卡的設(shè)計(jì)，可以有效地應(yīng)用于某遙測(cè)模擬信號(hào)源，并對(duì)待測(cè)設(shè)備的LVDS總線協(xié)議進(jìn)行全面測(cè)試。