文献标识码： A
文章编号： 0258-7998(2014)08-0044-04
随着科学技术的高速发展，高速处理器、多媒体以及网络技术等要求传输的数据量越来越大，需要的传输速度越来越快，尤其是现在许多设备要求具有长距离传送数据的能力，以确保可以传输千米以上的距离[1]。普通的并行总线由于自身的劣势，无法适用于长距离数据传输的系统中。
基于串行器/解串器构架的LVDS解决方案具有使用简单、传输速度高、抗干扰能力较强和使用节点少等特点，因此可以采用该方案来实现远程高速数据传输功能[2]。但在一些恶劣的环境（如超远距离或高干扰环境）中，LVDS数据仍然可能出现信号衰减或严重失真。基于此，本文给出了一种针对LVDS远程传输的延展卡的设计方案，将双绞线传输和光纤传输相结合，使数据传输距离可达几千米远。
1 系统方案设计
设计要求信号以400 Mb/s的速度传输2 km以上的距离。根据设计需求和方案合理性，采集存储系统到延展卡之间采用100 m双绞线通信，延展卡与远程测控台之间采用2 km光纤通信。总体设计如图1所示，分为FPGA核心控制模块、双绞线接口模块、光纤接口模块、光耦隔离模块、电源管理模块等几部分。系统指令由光模块接收，并通过光耦隔离并行发出；数据由双绞线传输并通过光模块转发。
图1 系统总体设计
2 硬件设计中的关键点
2.1 双绞线接口设计
双绞线传输伴随着信号大幅度衰减。图2中波形1为一组随机LVDS信号通过100 m电缆传输后的波形。显然有部分电平越不过零点门限，在接收端加上电缆均衡器CLC014，将之与SN65LV1224搭配使用，可以解决这个问题。CLC014最大可以均衡120 m的第五类未屏蔽双绞线。
图2 无均衡器时波形（上）与加均衡器后波形（下）
如图3所示为添加均衡器后的双绞线接收模块电路，R1和R2为匹配电阻，可参照公式
计算阻值。本系统双绞线特性阻抗Z0为100 Ω，R1、R2的阻值根据输出电平调整为25 Ω。隔直电容C1的容值为0.01 μF，为经双绞线衰减后的信号提供交流耦合。CLC014的输出取自输出晶体管的集电极，由正电源通过二极管和50 Ω的电阻建立PECL电平，从而获得理想的输出波形。电阻R3为媒质终端匹配电阻，阻值为100±20 Ω，用于防止信号在媒质终端发生反射，减少电磁，布局时要靠近接收器输入端放置。图2中波形2为增加均衡器之后的信号波形，可见波形恢复正常，高低电平明显。
图3 双绞线接收
2.2 光纤接口设计
光模块选用OCM3723，其输入信号电平范围为1.5～2.3 V，而LVDS串化器SN65LV1023的输出幅值约800 mV，所以需要增加驱动器CLC006，将信号增强到2 V之后再输入光模块。接收命令时，解串器SN65LV1224与均衡器CLC014搭配，将光模块输出的命令信号重新组构，并恢复其强度。光纤接收与发送部分电路如图4所示。
（a）光纤接收
（b）光纤发送
图4 光纤接收与光纤发送电路
OCM3723属于LVPECL接口电平，而CLC014和CLC006属于PECL接口电平，所以采用交流耦合方式连接。PECL/LVPECL的输出共模电压需固定在VCC-1.3 V上，直流偏置电阻需提供14 mA到地的通路，所以R4=(VCC-1.3 V)/14 mA，当VCC=3.3 V时，R4=142 Ω，应用中为了让输出波形达到最佳，R4可以从142 Ω～200 Ω之间选取。PECL/LVPECL输入直流偏压要固定在VCC-1.3 V上，输入阻抗应等于传输线路阻抗，可列出方程
=VCC-1.3 V且R5||R6=50 Ω，当VCC=3.3 V时，R5=82 Ω，R6=130 Ω。因为CLC014输入和CLC006输出在其芯片内部有偏置电路，所以无需设计外部偏置网络。
光纤发送端和接收端数据波形如图5所示。可以看出通过2 km光纤之后，信号波形仍然比较标准。对比双绞线端接收的数据波形，不难发现光纤比双绞线的传输效果好很多。
（a）光纤发送端 （b）接收端
（横轴坐标为50 ns/格，纵轴坐标为500 mV/格）
图5 数据波形
2.3 光耦隔离接口设计
因为系统指令切换的频率较数据传输的速率低得多，所以为了简化电路，增加指令传输的可靠性，经过FPGA重组后的指令由5条并行线传输。指令接口部分采用高速10 MB/s光电耦合器HCPL-2631进行电气隔离，6.3 mA电流即可导通工作，双通道单向传输，真正实现前后级互不干扰，提高了接口的可靠性。图6所示为HCPL-2631的单路传输接口电路。当FPGA接口为逻辑0时，HCPL-2631内部电路导通输出低电平；当FPGA接口为逻辑1时，HCPL-2631内部电路不导通，输出高电平。
图6 光耦隔离接口电路
3 逻辑设计中的关键点
3.1 防止指令误判
为了防止接收端指令的误判，首先对指令进行奇校验。设计时将指令中1的个数定为奇数个。接收指令的奇偶性判断是通过对指令的各个数据位进行异或操作（XOR）实现的，即：
只有当oddverify为1时，才认为当前传输的是有效指令,并用5位数组f_state重新定义当前指令[3]。新定义的f_state指令信号需再经过双重计数器消抖才能最终输出。外部计数器对所有有效指令进行消抖计数，而内部计数器针对某一个指令进行消抖计数，消抖后的state指令为最终的5线指令。
图7所示为部分指令判别的时序仿真图。从图中可以看出，“0110001111”经过奇校验后被过滤，指令切换时出现的误指令“0101100110”被外部计数器隔断，之后传输中的误码指令“0110011111”也被内部计数器过滤。
图7 指令判别时序仿真图
3.2 LVDS接口时钟与采集速率匹配问题
LVDS接口时钟是固定的，而采集设备的采集速率根据需求可控，二者速度不匹配，所以数据链路中经常出现传输空白；如果数据采用间歇式传输，则LVDS芯片中断后再同步会有500 μs的数据丢失。
针对这一问题，设计中引入无效数与有效数交替发送的模式。当链路中无数据传输时，FPGA自编译无效数据，使链路保持通信状态。LVDS芯片有10位数据管脚，有效数据占用了其中的低8位，高2位作为区别有效数和无效数的标志位。定义“01”为有效数标志，“00”为无效数标志。实验证明无效数发送“00011111”同步稳定性高，原因可能是“00011111”配合标志位“00”正好构成同步码“0000011111”，而LVDS芯片同步的过程就是不断识别同步码的过程。所以这样不但解决了速度匹配问题，也提高了系统数据链路的可靠性。
3.3 光纤接口LVDS失锁问题
光模块与LVDS接收模块之间连续传输“FF”数据出现失锁，表现为SN65LV1224的锁存标志LOCK出现高电平脉冲。经分析，交流耦合电路中的耦合电容隔断了信号的直流分量，因此LVDS接收端只能观察到输入信号的前后沿。当数据1连续出现时，电容会造成接收端电压下降，信号产生抖动[4]。所以连续传输“FF”数据容易造成LVDS失锁。一种高效的解决办法是使用8B/10B编码实现直流平衡，或者选用带有8B/10B编码的串/并转换芯片[5]。为了配合前端逻辑设计，同时考虑到只有传输“FF”时才会出现失锁的情况，本设计中采取的优化措施是将“FF”数据转变为“1F”数据发送，即将二进制8位数据“11111111”转变为“00011111”发送，且高两位标志位定义为“10”，发送的10位LVDS数据为“1000011111”，这与同步码数据近似。光纤数据链路中共有3种数据类型，图8为优化后的数据编码发送流程图。经过大量测试，优化后的数据编码方式能够有效解决LVDS失锁的问题。
4 试验方法与测试
针对总体设计方案，配合数据采集存储装置和远程测控台，对系统进行恶劣环境下数据传输的性能测试，双绞线长度为100 m，光纤长度为2 km。采集存储装置启动自发数模式，测试数据帧格式为：1～250 B是0～249的递加数，251～254 B是32 bit二进制帧计数，255～256 B为同步字EB 90。图9所示为上位机接收到的部分数据截图，帧结构严格对齐。采用上位机分析软件对数据进行分解，分解报告显示传输数据无误码，无丢帧。
图9 测试数据部分截图
基于LVDS技术的远程数据传输延展卡的设计充分发挥了双绞线、光纤以及光电耦合器的接口传输优势，并且解决了速度匹配和光纤接口LVDS芯片易失锁的问题，有效保证了指令的可靠下发以及数据传输的准确性，成功将数据传输距离扩展至几千米远。该卡抗扰能力强，传输稳定性高，为高速数据超远距离传输开辟了新的领域。
参考文献
[1] 刘利生，苏淑靖，张凯琳.基于LVDS的远程数据传输系统[J].仪表技术与传感器，2011（12）：38-39.
[2] 姚永兴，焦新泉，马培娇.高可靠性远程数据传输系统设计[J].计算机测量与控制，2011，19（8）：1968-1971.
[3] 刘欣，张会新.基于LVDS总线的分布式数据综合器测试系统[J].科学技术与工程，2013，13（34）：10354-10358.
[4] 刘泳锐，张彦军，刘龙飞.8b/10b编码实现LVDS交流耦合传输中的直流平衡[J].科学技术与工程，2012，12(35)：9693-9696，9701.
[5] 何林飞，田佳月，张晓林.基于光纤传输的多路高速数据采集系统[J].电子技术应用，2013,39（3）：77-79.
(收稿日期：2014-03-27)
作者简介：
甄国涌，男，1971年生，副教授，硕士生导师，主要研究方向：测试系统集成技术与应用软件技术。
瞿林，男，1989年生，硕士研究生，主要研究方向：电路与系统、高速数据采集。
刘东海，男，1982年生，硕士研究生，主要研究方向：高速数据采集。