LVDS长线传输方案的优点及应用前景
1 引言
某飞行器发射前，需测试飞行器各项参数，参数测试是通过数据记录器记录飞行器数据并传至地面测试台。测试过程中，为了保证测试人员人身安全，飞行器和地面测试台间距需有300 m，两者间采用长线数据传输。现有的技术有：rs一485总线，在几百米时，传输速度较低；can总线虽具有较高的可靠性，但传输速度也较低；而千兆以太网接口的传输速度很快，但以太网协议复杂，不适用。为此，这里提出一种基于fpga和lvds接口器件的光缆传输技术。
2 lvds简介
低电压差分信号(low voltage differential signaling，简称lvds)是一种适应高速数据传输的通用点对点物理接口技术。它采用低摆幅差分信号技术，使其信号能在差分pcb线对儿或平衡电缆上以几百mb／s的速度传输．其低摆幅和低电流驱动输出实现低噪声和低功耗。
每个点到点连接的差分对儿由驱动器、互连器和接收器组成。驱动器和接收器主要完成ttl信号和lvds信号之间的转换。互连器包含电缆、pcb上差分线对儿以及匹配电阻。lvds驱动器由一个驱动差分线对儿的电流源组成，lvds接收器具有高输入阻抗，因此驱动器输出的电流大部分都流经100ω的匹配电阻，并在接收器的输入端产生约350 mv的电压。当驱动器翻转将改变流经电阻的电流方向，因此产生有效的逻辑1和逻辑o的低摆幅驱动信号实现高速操作并减小功耗，差分信号提供适当噪声边缘。不管使用的是pcb线对儿还是电缆，都必须防止反射，减少电磁干扰。lvds要求使用一只与介质相匹配的终端电阻，应将其尽可能地靠近接收器放置。lvds接收器可以承受1 v的驱动器与接收器间对接地的电压差。由于lvds驱动器典型的偏置电压为1．2 v，所以其电压差驱动器典型的偏置电压以及轻度耦合噪声之和范围为0．2～2．2 v。建议接收器的输入电压范围为0～2．4 v。
3 总体设计方案
系统设计要求传输速度应在1~16 mb／s自动适应，传输距离不小于300 m，且必须与其他系统电磁隔离，避免电磁干扰。因此，该系统设计采用集成的lvds接口器件ds92lvl021，其数据传输速度是1*0 mb／s，10位数据位。而clc001，clc012为专用长线电缆驱动器，与光模块相结合可将传输距离扩展2 km，且外部电路简单，功耗低。fpga选用spartan一2系列器件，其最高工作速度为200 mhz，逻辑宏单元丰富，满足系统设计要求。因此，该系统设计选用lvds接口器件实现lvds长线传输，而记录器、测试台和lvds器件接口的时序匹配则选用fpga实现。
图1为系统设计的框图，测试台发送的state、ctll、ctl2等状态及控制信号传送至记录器，并将记录器发送的数据及同步时钟传送至地面测试台。其中，记录器、lvds发送端、lvds接收端的电源均由测试台提供，电压为+9 v。
lvds长线传输模块分为lvds发送电路和lvds接收电路。lvds发送电路将从记录器接收到的并行数据进行速度匹配后转换成lvds串行数据流，并通过双绞线发送。lvds接收电路将接收到的lvds串行数据流还原成并行数据进行速度匹配后送至测试台。
4 硬件设计
该系统设计的关键部分为lvds的接口设计，由于传输数据速度很高，因此应按照高速电路的要求进行设计，所有布线应尽量短，传输线路阻抗匹配。传输模块发送端工作时首先由fpga给ds92lv1021的使能端den及tclk-r／f触发沿选择高电平，并向tclk引脚输出20 mhz的工作时钟，接着ds92lv1021将从fpga处接收到的ttl并行信号转换为lvds标准的串行信号，再由do一及do+输出至clc001驱动器，经电光转换后，由光缆传输至接收板电路，并由接收电路的光电转换器送至clc012，从而补偿已衰减的信号，再由ds92lv1212解串器还原出10位并行数据及l位时钟位。图2为发送电路原理图。
传输模块接收端主要由clc012均衡器及ds92lv1212解串器组成。ds92lv1212的d00~d09将还原出的并行数据输出，rclk为还原出的同步时钟，refclk为解串器的工作时钟，由fpga给出。
5 软件设计
系统上电后，测试台先向采编器发出读数命令，采编器接到命令后，以l mb／s的速度输出8位并行数据，而lvds传输器件最低工作速度为16 mb／s，为了实现速度匹配与自适应，该系统设计采用了soatan-2e型fpga内部双口ram实现fifo，其时钟最高工作频率为200 mhz，满足要求，当采编器以1 m b／s速度输出数据时，首先进入fpga内部fifo，fpga内部对数据计数，当存满512个数后，fpga以20 mb／s的速度输出8位并行数据，为了保证ds92lvl021一直处于工作状态，fpga在两次发送数据的间歇所输出的无效数，有效数和无效数通过lvds传输器件的lo位数据位的高2位数据位作为标志位进行区分，在接收端fpga通过判断标志位来识别有效数或无效数，舍弃无效数，保证数据正确传输。fpga在整个系统中起数据缓冲作用，由于采用fifo作为外部数据接口，所以可实现对外部数据的自适应要求。整个程序用vhdl语言编写，流程图如图3所示。
6 试验结果
为了测试最终效果，在发送电路和接收电路之间用不同长度的单模光纤连接，系统上电后，发送端发送数据速度为20 mb／s，使用示波器捕获接收端数据波形，并进行对比，实验结果记录如表1所列。图4和图5分别给出100 m和300 m光缆的数据波形。由数据波形图知，在传输过程中，波形畸变非常小，没有出现误码和丢数的现象，完全满足系统要求。
7 结语
本文所述lvds长线传输方案具有电路设计简单，传输速度快，传输距离远的优点，并且对传输速度能够自适应，在需远距离传输的环境中有广阔的应用前景。
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