LVDS技术及其在多信道高速数据传输中的应用

LVDS技术及其在多信道高速数据传输中的应用（精选7篇）

篇1：LVDS技术及其在多信道高速数据传输中的应用

LVDS技术及其在多信道高速数据传输中的应用

摘要：介绍LVDS技术及其在雷达系统中的应用，应用LVDS技术解决雷达系统中多信道、高速数据的传输问题。

关键词：LVDS数据传输PCB阻抗匹配

在被称为信息时代的今天，为适应信息化的高速发展，高速处理器、多媒体、虚拟现实以及网络技术对信号的带宽要求越来越大，多信道应用日益普及，所需传送的数据量越来越大，速度越来越快。目前存在的点对点物理层接口如RS-422、RS-485、SCSI以及其它数据传输标准，由于其在速度、噪声/EMI、功耗、成本等方面所固有的限制越来越难以胜任此任务。在转达领域，随着技术的发展，新体制雷达的出现和普及，如DBF体制雷达、相控阵雷达等，所需处理的信号带宽和信号通道数大幅度增加，同样面临着大数据量的传输问题。因此采用新的技术解决I/O接口总是成为必然趋势，LVDS这种高速低功耗接口标准为解决这一瓶颈问题提供了可能。目前LVDS技术在通信领域的应用日益普及，本文结合雷达中的数据传输特点介绍LVDS技术，分析LVDS技术在雷达中的应用前景。

1LVDS技术介绍

LVDS(LOWVOLTAGEDIFFERENTIALSIGNALING)是一种小振幅差分信号技术，使用非常低的幅度信号(约350mV)通过一对差分PCB走线或平衡电缆传输数据。它允许单个信道传输速率达到每秒数百兆比特，其特有的低振幅及恒流源模式驱动只产生极低的噪声，消耗非常小的功率。同时，LVDS也是对高速/低功耗数据传输的一个多任务接口标准，在ANSI/TIA/EIA-644-1995标准中被标准化。

1.1LVDS工作原理

图1为LVDS的原理简图，其驱动器由一个恒流源(通常为3.5mA)驱动一对差分信号线组成。在接收端有一个高的直流输入阻抗(几乎不会消耗电流)，所以几乎全部的驱动电流将流经100Ω的终端电阻在接收器输入端产生约350mV的电压。当驱动状态反转时，流经电阻的电流方向改变，于是在接收端产生一个有效的“0”或“1”逻辑状态。

1.2LVDS技术的特点

LVDS技术之所以能够解决目前物理层接口的瓶颈，正是由于其在速度、噪声/EMI、功耗、成本等方面的优点。

1.2.1高速传输能力

LVDS技术的恒流源模式低摆幅输出意味着LVDS能高速驱动，例如：对于点到点的连接，传输速率可达800Mbps;对于多点互连FR4背板，十块卡作为负载插入总线，传输速率可达400Mbps。

1.2.2低噪声/低电磁干扰

LVDS信号是低摆幅的差分信号。众所周知，差分数据传输方式比单线数据传输对共模输入噪声有更强的抵抗能力，在两条差分信号线上电流以方向及电压振幅相反，噪声以共模方式同时耦合到两条线上。而接收端只关心两信号的.差值，于是噪声被抵消。由于两条信号线周围的电磁场也相互抵消，故比单线信号传输电磁辐射小得多。而且，恒流源驱动模式不易产生振铃和切换尖锋信号，进一步降低了噪声。

1.2.3低功耗

(1)LVDS器件是用CMOS工艺实现的，这就提供了低的静态功耗;

(2)负载(100Ω终端电阻)的功耗仅为1.2mW;

(3)恒流源模式驱动设计降低系统功耗，并极大地降低了Icc的频率成分对功耗的影响。与其相比，TTL/CMOS收发器的动态功耗相对频率呈指数上升。

1.2.4节省成本

(1)经济的COMS工艺实现技术;

(2)低成本实现高性能，对电缆、连接器和PCB材料无荷刻要求;

(3)低能耗;

(4)TTL/CMOS信号能被串行或混合到单个LVDS通道，减少板面、层数、接插件和电缆。

另外，由于是低摆幅差分信号技术，其驱动和接收不依赖于供电电压，如5V;因此，LVDS能比较容易应用于低电压系统中，如3.3V甚至2.5V，保持同样的信号电平和性能。LVDS也易于匹配终端。无论其传输介质是电缆还是PCB走线，都必须与终端匹配，以减少不希望的电磁辐射，提供最佳的信号质量。通常一个尽可能靠

近接收输入端的100Ω终端电阻跨在差分线上即可提供良好的匹配。目前LVDS技术在传输距离上其局限性，一般应用在20m以上。

2LVDS的典型结构和常用产品

目前LVDS产品主要有美国国家半导体公司全系列的LVDS产品和德州仪器半导体司的LVDS产品系列。美国国家半导体公司这方面更具优势，其产品主要有四种典型结构，是目前数据传输和交换常用的四种方式。

2.1典型结构

(1)点到点结构。基本的发展和接收结构，用于两点间固定方向信号传输;

(2)点到多点结构。广播式总线结构连接多个接收端到一个发送端，常用于数据分配;

(3)多点到多点结构。多点互连总线使点到点之间互连降到最少，同时提供双向，半双工通讯能力，在同一时间，只能有一个发送器工作;

(4)矩阵开关结构。通常应用于需要非常高的信号交换通路的系统中，实现全双工通信。

2.2常用产品

对应点到点或点到多点结构，有LVDS线路驱动/接收器和LVDS串行/解串器(Channellink)系列产品。对于多通道、宽带、大动态的数据传输，LVDS串行/解串器将是很好的解决方案。雷达系统中，分系统之间的数据传输，分系统内通过背板的数据传输应用LVDS串行/解串器将大大减少电缆、接插件以及PCB背板的复杂度。这种产品在雷达系统中有很好的应用前景。

(2)对应点对多点或多点到多点结构的应用，BusLVDS技术能最好地适应这些应用。BusLVDSjLVDS线路驱动/接收器系列的扩展，为多点应用场合而设计，这时总线两端都终接电阻。BusLVDS驱动器提供约10mA的输出电流，因而能被用于重负载的背板上，那里的等效阻抗低于100Ω,这里驱动器会有30～50Ω范围的负载。在一些大的数据通信系统中，要构造大的高速背板，LVDS技术是最理想的解决方案。

3LVDS的应用

了解LVDS技术的特性后，下面的问题就是如何在设计中应用好LVDS产品充分发挥其技术优点，优化系统设计。这里结合华东电子所某型号雷达系统中LVDS技术的应用来阐述用LVDS做设计的一些原则和技巧。

由于在系统中有几十路接收通道和数字中频接收机，数据线近500路。如应用传统的TTL/CMOS信号用双绞线并行传输，则需近千根导线，势必造成系统和背板都很复杂，其噪声/EMI性能的保证令设计者头痛，功耗也将很大。于是笔者在系统设计中应用了LVDS串行/解串器技术(Channellink产品)，将数据线压缩到几十对差分线，完成了数据传输，并在多种型号雷达中成功应用。在选定了产品后，用好LVDS技术关键就在于PCB板的设计。PCB布线总的原则是：阻抗匹配是非常重要的，差分阻抗的不匹配会产生反射，会减弱信号并增加共模噪声，线路上的共模噪声将得不到差分线路磁场抵消的好处而产生电磁辐射。所以要尽量在信号离开IC后控制差分阻抗的走向，尽力保持尾端<12mm。

3.1PCB板差分布线的设计

侧耦合的微带线、侧耦合的带状线、宽边的带状线都可作为很好的差分线。根据实际情况，应用中选择了侧耦合的微带线，示意如图2。

布线中注意了以下几点：

(1)应用微波传输线理论设计差分阻抗Zdiff或利用以下方程设计：

其中Z0为微带线的特性阻抗;

(2)所布的差分线对一离开IC就尽早尽可能靠近在一起走线，布线越近磁场的抵消就越好，有助于消除反射并保证噪声以共模方式耦合。也即图2中的S越小越好。

(3)对于差分布线不要依赖于自动布线功能，要匹配一对差分线的长度，确保各组差分线间的间隔;并使线上过孔最少;

(4)避免90°转弯(以防造成阻抗不连续)，用弧线或45°斜线代替。

3.2PCB板的设计

(1)至少用4层PCB板，将LVDS信号、地、电源、TTL信号分层布局。在实现设计中采用了8层板以尽量满足要求;

(2)将陡的CMOS/TTL信号与LVDS信号隔离，最好能布在不同层上，并用电源和地层隔开;

(3)保持发送器和接收器尽可能靠近接插件，连线长度愈短愈好(<1.5英寸)，以保证板上噪声不会被带到差分线上，而且避免电路板及电缆线间的交叉EMI干扰;

(4)旁路每个LVDS器件，分布式散装电容或表贴电容放在尽量靠近电源和地线引脚处;

(5)电源和地线应用宽的布线(低阻抗)，并保持地线PCB回路短而宽;

(6)终端负载用100Ω(误差<2%)表贴电阻靠近接收器输入端来匹配传输线的差分阻抗，终端电阻到接收器输入端的距离应小于7mm;

(7)将所有空闲引脚开路(悬空)。

3.3电缆和接插件的选择

应用中选择了双绞线平衡电缆，并在外层加屏蔽;接插件选择标准连接器，在连接器上差分信号通常连接在一行中靠近的两个连接脚上，示意如图3所示。

总之，应用LVDS技术在系统设计之前，应优先考虑以下几点：

(1)必须优先考虑电源和地在系统中的分布;

(2)考虑传输线的结构及其布局布线;

(3)完成其余电路部分设计，随时观察和修整布局。

LVDS数据传输标准比传统的RS-232、RS-422、RS-485等标准有很大的优越性。在雷达系统中应用LVDS技术来完成数据传输，将会降低系统设计的复杂，使系统有很高的可靠性、高数据率、低噪声/低电磁辐射和低成本。

篇2：LVDS技术及其在多信道高速数据传输中的应用

在我国目前的卫星业务管理控制系统的研制过程中,传统的方式采用为每一类型号卫星定制建立一套卫星业务管理控制系统,随着越来越多的对地观测卫星进入,仍然采用传统的方式无论从经济角度还是从管理角度都会给用户带来极大的不便。面对这一新的需求,国内外的发展方向是采用模块化设计思路,将多颗卫星的管理控制在一个体系结构框架中进行设计,可以根据需要灵活地增加,以实现相应卫星的管理控制。

多星业务管理控制系统工作过程具有极强的流程特性,且需要兼顾多种型号卫星任务,要求系统具有灵活性、快速反应能力和良好的可扩展能力的特点。因此,在体系结构的设计上采用多层分布式工作流系统;在接口设计上,管理控制系统与其他系统之间以及系统与工作流引擎之间采用XML作为数据交换的标准。

采用XML作为数据表示和交换的标准,既可以解决异构环境下的通信问题又能使系统具有很好的跨平台性;但是如果使用XML数据交换业务数据,就必须实现数据库的XML数据存取,因此如何对这些XML文档利用关系型数据库管理系统进行存储管理是目前工程研制中需要解决的问题。

1 XML概述及其文档特征

可扩展标记语言(Extensible Markup language,XML)是通用标识语言标准(Standard Generalized Markup Language,SGML)的一个子集,它是一套定义语义标记的规则,这些标记将文档分成许多部件并对该部件加以标识。它也是元标记语言,能够用来定义与特定领域有关的、具有语义信息的、结构化的标记语言的句法,从而有利于信息的表达和结构化组织,使数据检索和处理更加有效。XML具有简单性、易扩展性、易操作性和开放性的特点,以XML格式交换数据,可以轻而易举地合并来自不同来源的数据,便于信息的集成。

XML文档可以分为两大类:以数据为中心和以文档为中心。

以数据为中心的文档:这种文档结构规范、数据粒度好、很少或者没有混合内容。以数据为中心的文档主要用于数据存储或交换,便于机器理解和处理。

以文档为中心的文档:这种文档内部数据结构不规则,内容是混合的,其内部包含的信息自身的物理结构很重要。数据的粒度比较大。以文档为中心的文档便于人们的阅读。是典型的半结构化的文档,具有不规则的内容,如书本、电子邮件、广告等等。

多星业务管理控制系统中的XML文档主要是作为数据交换的标准,应采用以数据为中心的文档。

2 XML数据库

所谓数据库就是一组相互有关联的数据集合,而XML数据库是XML文档的集合,这些文档是持久的并且是可操作的。XML数据库作为一种新型的数据库技术,主要有2种类型: 原生XML数据库NXDB(Native-XML Database)和支持XML的数据库XEDB(XML-enabled Database)。

XEDB是在传统数据库基础上扩展了XML支持模块,完成XML数据和数据库之间的格式转换和存取管理。XEDB的核心仍然是关系数据库,只不过加上了一层XML的转换接口。IBM、Oracle、Microsoft等主流关系数据库厂商都推出了XEDB系统,因为本质上仍然是关系数据库,所以它们主要用于以数据为中心的应用。XEDB对XML文档的处理主要通过XML网关模块完成,它处于用户逻辑模块和数据库逻辑模块之间,将传统数据库包装起来,给用户提供了一个透明的XML数据源。从存储粒度上看,可以把整个XML文档作为RDBMS(关系数据库管理系统)表中的一行,或把XML文档进行解析后,存储到相应的表格中。XEDB存取XML文档的主要技术特点如下:XML文档模式和XEDB模式的映射。从XML文档模式到关系数据库模式的映射及其反操作是XEDB中核心的问题。对数据的操作主要利用RDBMS提供的方法(如:SQL),当然也可以使用XML方法(如Xpath,DOM或SAX)。

NXDB即纯XML数据库,以纯XML格式存储XML文档,一般采用不同的DOM(Document Object Model文档对象模型)映射到其下层的数据存储,其中包括成为持久化DOM(PDOM)的实现。它主要应用于以数据和以文档为中心的应用。其特点是以自然的方式处理XML数据,以XML文档作为基本的逻辑存储单位。针对XML数据存储和查询特点专门设计适用的数据模型和方法。

NXDB方法保留了XML文档的原始结构和XML原有的优点,存储简单,同时有利于对文档的进一步的数据挖掘。但信息的格式、内容相对繁杂,建立索引庞大复杂。XEDB方法将XML文档的数据进行重新组织,存储相对规范,并且传统的关系数据库中的数据表(Table)很类似于以数据为中心的文档,因此由XEDB管理的以数据为中心的XML文档可以方便地存储到关系数据库中,关系数据库中的数据表也可以转换成XML文档由XEDB管理。

结合多星业务管理控制系统中的XML文档以数据为中心的特点,再加上各大关系型数据库生产厂商对XML数据库的支持使得XEDB数据库的技术很适于应用到多星业务管理控制系统中来。

3 多星业务管理控制系统体系结构

多星业务管理控制体系结构采用“表示层/业务逻辑层/数据层”多层分布式结构。表示层处于体系结构的顶层,实现客户与系统的交互。该层接收用户输入请求(任务),通过请求(任务)从业务层提取信息,将信息以各种方式展现,另外,该层也负责管理控制系统与外系统的接口,完成与外部系统的交互。

业务逻辑层是核心层,集中实现各种业务服务逻辑,处理系统中各类业务规则,该层接受表示层发来的请求,按照确定的业务规则,由相应的服务进行处理,并将结果提交表示层。并且在按照业务规则的处理过程中,调用数据层的持久化数据访问服务。

数据层由持久化数据访问服务与数据(及其存储)本身组成,统一负责系统中对业务数据的访问。负责存储、维护和管理与管理控制业务相关的数据信息,管理业务对象到数据库表的映射,把业务模型表示的对象映射到基于SQL的关系模型结构中,并提供数据查询和获取数据的方法。

另外,利用XML和规定格式的文本文件作为调度协调业务结构化信息交换的表示方法,基于此实现管理控制业务流程各节点业务单元之间的业务数据交换,提供给业务逻辑层中的调度协调工作流引擎和信息交换底层应用,支持管理控制一体化的统一调度协调和系统业务监控。

4 基于XML-Enabled数据库的数据层存储设计

数据层存储的数据包括业务数据、轨道数据、基础信息数据、测控数据、系统监控信息等。对于地图数据、气象预报数据等基础信息类数据和测控数据等特殊格式的交互数据仍采用传统的关系数据库存储方式。而对于业务数据、轨道数据和系统监控信息等使用XML标准在系统内部和外系统之间进行交换的数据信息采用XML-Enabled数据库的存储方式。

目前,主要的关系数据库厂商都提供了对XML的支持,开发出了大量的在XML文档和数据库之间数据转换的工具,如ORACLE、IBM、MICROSOFT和SYBASE等。但是,XML数据进出关系数据库的转换方法不同,各公司的解决办法也不尽相同。

Oracle提供对XML术语、DTD、模式和namespace的技术支持;Oracle的XML分析器与W3C的XML1.0标准相兼容,并支持SAX界面、XML1.0的DOM编程模型;Oracle XML SQL工具包(Java)提供数据库记录和XML元素之间相互转换的功能,SQL工具包能够从SQL查询得到XML文档,并且把XML输入到数据库表、视图。

因此,多星业务管理控制系统中的XML-Enable数据库基于ORACLE数据库进行设计,为了在数据库中存储XML,一般采用2种基本策略:标记内容保持不变的整体式存储,以及在一组表格上进行的分布式存储。整体式存储保留未解析的整个文本,而分布式存储通常解析文本并丢弃标记把元素和其他属性分散存储在表格名字段上。在Oracle中将管理控制系统的XML文档映射到数据库模式时可结合以上2种方法实现。

对于轨道数据类型的XML文档,由于整个文档的格式比较严谨,结构也比较简单,可以将XML元素映射为数据库模式中的对象-关系表和列,利用XSQL Servlet或XMLSQL 把XML文档分解从而存储到Oracle数据库。XMLSQL Utility提供了把XML文档映射为表行的能力,使用简单映射将元素标记名映射为列,通过缺省映射,将XML字符串转换为合适的数据类型。

对于业务数据和系统监控信息类的XML文档,由于结构复杂,尤其对于不同类型的卫星生成的请求或计划类XML文档在格式上也有很大的不同,在进行数据库映射时可采用将XML文档中结构化的部分映射为对象-关系表而把文档中非结构化的部分映射为CLOB、BLOB或者XMLType数据对象。在oracle数据库中采用这种混合存储模式,服务器能够自动从不同的来源中构造XML,生成正确的查询,这样既可以用对象关系格式存储有用的、可查询的信息,又保证了完整的文档没有被分解,在重新构造文档时可以节约时间。

5 结束语

通过将XML数据库技术引入到多星业务管理控制系统的数据存储设计中,使得数据层的数据能够更好地为表示层和业务逻辑层提供服务。在系统的实际运行过程中也取得了较好的效果。XML和关系数据库之间的互补为基于不同平台、语言的分布式应用提供了强有力的支持。但是,与传统的数据库系统相比,基于XML-Enabled 数据库在存储、索引、安全、多用户访问和事务管理等方面还存在不足之处,有待进一步研究。

参考文献

[1]胡欣杰.Oracle9i XML网络数据库开发指南[M].北京:希望电子出版社,2002.

[2]常选.XML数据库技术[M].北京:清华大学出版社,2005.

篇3：LVDS技术及其在多信道高速数据传输中的应用

关键词:数据简化矢量曲线 多波束测深

中图分类号:TB565文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)05(c)-0079-02

1 簡介

多波束测深仪具有几百到上千个波束,一次扇区(ping)扫描能获得成百上千个测深数据,可对水下地形地貌进行大范围、全覆盖的测量,极大地提高了测量的精度和效率,现已广泛应用于河道测量、港湾测量、浅海测量、深海测量等领域[1]。如此巨大的数据在实际应用中,存在很大的冗余性,也为数据的后处理和存储带来庞大负担[3]。因此,在进行数据存储、应用前,有必要在保持测区地形特征的前提下,对数据进行一定的精简。

2 基于ping的简化方法

2.1 ping数据抽取

多波束测深数据是沿测线逐ping记录和存储的部分有序、均匀分布数据,因此其数据后处理可以ping为单位进行。每ping中的数据邻点相连,就形成了一条三维曲线段,然后采用基于矢量曲线的简化方法进行简化处理。

ping数据的抽取方法有两种:(1)曲率判定法,根据当前点与前后数据点在x,y平面上相连接的直线曲率差值来确定;(2)距离确定法,通过计算当前点与前一点的平面距离来确定。

2.2 常用的矢量简化方法

常用的曲线简化方法有以下几种:步长法、线段过滤法、垂距限值法、道格拉斯-普克法(Douglas-Peucker,简称DP)等等[4]。在实际的数据简化应用中,使用较为广泛的是垂距限值法和道格拉斯-普克法。

2.2.1 垂距限值法

从第一点开始逐点筛选特征点。首先以第一点为起点,计算第二点到第一、第三点所构直线的距离,若大于某一阈值,则保留第二点,并以该点作为新起点,计算第三点到第二、第四点所构直线的距离;否则,去掉第二点,仍以第一点为起点,计算第三点到第一、第四点所构直线的距离。依此类推,直至曲线上最后一点。该方法的阈值一般取相应地物最大允许误差或更小。

垂距限值法简化结果具有较好的精度、算法简单、易于编程和计算机处理,所以在曲线简化中应用较广。缺点是它没有考虑到曲线各点的斜率,即不能完全保证特征点不被删减。

2.2.2 道格拉斯-普克法

DP算法是一次对整条曲线段进行考虑。首先连接曲线段两端点,计算线段内各点(称中间点)到两端点所构直线的距离。若最大距离值小于某一阈值,则保留两端点,舍去所有中间点;若大于阈值,则保留对应中间点,并以此点将线段分为前后两段,再分别对这两段重复上述过程,直到没有点需要被舍去为止。

DP法在简化精度方面较垂距限值法有显著的提高。但由于DP算法中用到了较多的循环和递归,在编程的难易程度和计算机处理速度方面逊于垂距限值法。

2.3 简化性能评价

数据简化算法的效果可以从三个方面来度量[5]:(1)精度,即利用简化后数据重构的曲面与由原始数据所构曲面之间的误差;(2)简度,也称简化率,即简化前后数据点个数的比值;(3)速度,即计算机进行简化处理的时间。实际上,任何一种简化算法要想同时在以上三个方面都具有优秀的表现是很困难的,很多算法只能达到其中一个或两个要求,对于海量的多波束测深数据来说更是如此。

3 简化实例

对某实测多波束测深数据分别采用垂距限值法和DP法进行简化处理(原始测深数据见图1),垂距限值均选取0.05m。精度评定采用反距离平方加权内插法。两种方法简化效果见图2、图3、图4、图5(图中五角星标定点为简化后保留点),简化性能情况见表1。

由图2、图3、图4、图5及表1可见,经过简化后的数据均较好地保留了原始数据的地形特征点,且数据量得到了较大地减少。从精度上讲,两种算法的简化精度均远小于0.1m,满足《水道观测规范》要求;从简度上看,两种方法在满足精度要求的前提下,都达到了50%以上的简化率,大大地减小了原始数据量;从速度上比较,垂距限值法比DP法快,这是由于DP法的迭代循环增加了处理时间。

4 结语

从文中实例应用分析可得,虽然垂距限值法和DP法在矢量曲线数据简化中均具有较好的简化效果,但因为DP法在编程中采用迭代计算,增加了编程的难度及数据处理时间,因此,综合算法的精度、简度、速度及算法实现难易度,垂距限值法在海量多波束测深数据的简化处理中更具适用性。

参考文献

[1]郑庆涛.多波束与单频测深技术应用比较[J].水利水文自动化,2007,(1):25～29.

[2]Kammerer E.Charlot D.,Guillaudeux S.Michaux P.Comparative study of shallow water multibeam imagery for cleaning bathymetry sounding errors[C].Oceans Conference Record (IEEE), v4,2001:2124～2128.

[3]周绿,林亨,钟约先,等．曲面重构中测量点云的精简方法的研究[J]．中国制造业信息化,2004,33(5):102～104．

[4]刘彦花,叶国华.矢量曲线抽稀算法分析[J].城市勘测,2001,(4):1～4.

篇4：LVDS技术及其在多信道高速数据传输中的应用

随着计算机技术的发展,嵌入式系统对内部数据传输的带宽要求越来越高,设计师逐渐从并行数据转向高速差分信号。低电压差分信号(LVDS),由于它传输速度快,功耗低的优点,被广泛应用于嵌入式系统。Xilinx在其最新的Virtex系列产品中,大量的集成了LVDS电平,使得在嵌入式领域面对高速并行传输时,可以选择通过FPGA实现多路高速LVDS并行传输数据这种方式进行解决。

本文基于Xilinx Virtex-5平台,设计并实现了一种多路LVDS高速并行数据传输互联系统,并对其进行仿真验证。

2 高速互联系统需求

在某种专用网络交换模块中,要求实现32通道2Gbps速率的高速无阻交换,由于单FPGA逻辑资源不足,在实际设计中,采用三块大规模FPGA实现交换功能,如图1所示。

其中,两块FPGA用来实现网络适配器功能,每块FPGA实现16路独立的网络适配器,另外一块FPGA用来实现交换单元,网络适配器和交换单元之间通过LVDS互联。

网络适配器主要负责处理通信协议解析、分片/组装、路由选择、提供交换结构的通信接口,交换单元主要负责实现高速无阻交换功能。

根据设计需要,32路网络适配器需要和交换单元进行互联,每路接收和发送数据位宽均为32位,最大传输速率需求约为2Gbit。如果采用传统并行总线连接,FPGA连接复杂,每路至少需要70个管脚,32路共需要2240个管脚。而在设计中采用LVDS进行互联,将32位并行数据转换为4对LVDS输出,利用串行LVDS在FPGA之间进行数据通信,这样每路仅需要20个管脚,32路共需要640个管脚,即可实现设计需求。

由于32路网络适配器和交换单元的互联完全独立,在下一部分内容中,将以一路为例,详细描述通过多路LVDS实现高速数据并行传输的过程,包括接口电路设计、发送单元设计、接收单元设计以及仿真验证。

3 接口电路设计

LVDS信号电平主要用于低压差分信号点到点的传输,在本设计中需要4路L V D S信号传输并行数据,因此需要额外增加1路LVDS作为时钟,用于数据同步。接口电路设计的主要工作为电平匹配设计、阻抗配置和信号等长。

LVDS传输的信号摆幅小,功耗低,LVDS信号都需要在接收端进行端接匹配,匹配值为100ohms。LVDS的匹配电阻主要起到吸收负载反射信号的作用,因此要求放置的距离接收器端尽量靠近。Xilinx在其Virtex-5系列FPGA普通I/O管脚中都提供一个跨接输入差分接收器两端的100Ω差分终端。使能该功能不需要在外部硬件电路做额外设计,只需在例化LVDS接口逻辑时打开DIFF_TERM属性。

4 发送单元设计

发送单元的主要作用是将32位并行数据和采样时钟转换为LVDS信号输出。设计主要采用FPGA提供的I/OSERDES资源实现。I/OSERDES是专用的并串转换器,在Virtex-5系列中每个I/O管脚都分配了一组I/OSERDES资源。在发送单元设计中主要使用OSERDES资源,实现8:1并串转换器。

注意:R X C L K D IV和R X C L K驱动所用的IS E R D E S,包括M aster和S la v e

发送数据分为测试数据和正式数据两个阶段,阶段切换由一个多路选择器进行。系统初始化后开始发送默认的测试数据,等待接收端进行自动对齐。接收端自动对齐后,将TRAINING_DONE信号置为有效,通过多路选通器发送正式信号。默认的测试数据为0x2C。

5 接收单元设计

5.1 接收单元结构

接收单元负责将LVDS信号转换为32位并行数据。接收单元框图如图2所示。

串并转换模块由FPGA中自带的ISERDES单元实现,实现方法同发送单元。

位对齐控制模块通过调节INC、ICE和BITSLIP3个参数的值来对接收的LVDS数据进行调整,以消除抖动并对数据位进行对齐。其中INC和ICE参数用于控制IODELAY单元产生的接收数据延迟。BITSLIP参数用于控制ISERDES单元输出并行数据的顺序。

资源共享控制模块确保在多路选通器切换到下一通道之前,当前通道完成数据对齐。

6 仿真与验证

LVDS互联系统设计完成后,采用Modelsim6.5d进行仿真验证,完成仿真后,将接口逻辑加入完整FPGA逻辑进行系统测试,实际测试结果表明:基于LVDS接口设计的高速并行数据传输系统功能正确,传输速率达到了设计要求。

7 结语

本文通过FPGA设计实现了一种基于LVDS接口的高速并行数据传输系统,并应用于实际工作环境。实际结果表明该设计对于大量多路并行数据传输有较好的应用前景,同时也为设计需要多个FPGA协同工作的大型应用提供了一种较为便捷的数据传输方案。

参考文献

[1]Xilinx Inc.Virtex-5 User Guide(UG190(v3.1)).2007,11.

[2]Xilinx Inc.16-Channel,DDR LVDS Interface with Per-ChannelAlignment(XAPP855(v1.0)).2006,10.

篇5：LVDS技术及其在多信道高速数据传输中的应用

【摘 要】随着我国城市化进程的不断发展，人们对于道路质量的要求也越来越高，高速公路作为公路系统之中最为重要的组成部分，它的施工好坏直接关系到我国社会的发展。冲击碾压技术的出现不仅仅加速了高速公路建设的发展，而且还弥补了旧工艺和旧技术的缺陷。本文主要对冲击碾压技术的技术特点进行了研究和浅析，并对冲击碾压技术施工工艺在高速公路中的应用做了重点介绍。最后，针对冲击碾压技术在施工中存在的一些问题提出了注意事项，为冲击碾压技术的广泛应用和发展提供了依据。

【关键词】冲击碾压技术；高速公路；技术研究；施工工艺

0.引言

随着我国经济总量的快速增长和社会主义建设的繁荣昌盛，我国的高速公路发展事业进入了一个高速行驶的阶段。大吨位车辆的日渐增多对高速公路的路基施工质量提出了更高的要求。路基的施工质量直接影响到道路的整体质量和道路安全，而冲击碾压技术具有施工快，效率高，费用低等特点，应用冲击碾压技术对路基进行压实施工可以有效提高路基的整体强度和压实度，减少沉降量，进而降低高速公路的破坏，延长高速公路的使用寿命。

冲击碾压技术在我国起步较晚，没有形成一套有效的规范用于指导冲击碾压技术的施工，因此，我们在前人研究的基础上需要对冲击碾压技术进行进一步的探索和研究，争取早日形成一套完备的体系用于指导该技术的实施和应用。

1.冲击碾压技术的技术特点研究

冲击碾压技术是一种最新的压实技术，它的碾压速度可达每小时10到15公里左右，铺土厚度也能超过1米，对压实效果和压实生产率的提高产生了重要的作用。冲击碾压技术还具有低频率、高振幅、冲击能量大、压实效果好等特点。在高速公路路基中所使用的冲击碾压技术的技术特点主要有：

（1）冲击碾压速度。一般情况下，冲击碾压速度的快慢对碾压效果有着实质性的影响，冲击碾压速度越快，碾压效果越差。因为在冲击碾压过程中，一些土壤还没有来得及被碾压密实就失去碾压应力，这就使得这部分土壤的变形成为可恢复的变形，碾压效果变差。但过低速度的冲击碾压也不利于提高施工效率，这就要求在冲击碾压施工过程中应合理控制好压实机械的碾压速度，较为合理的冲击碾压速度应该在每小时3到6公里。

（2）铺土厚度。在实际工程施工中，铺土厚度的选择应该根据具体的工程情况来进行，铺土厚度的大小对碾压效果会产生较大的影响。普通碾压技术的铺土厚度一般都较小，为30毫米左右，而冲击碾压技术的铺土厚度一般可达到100毫米到120毫米，大量的实际工程也表明，在此铺土厚度情况下所施工的高速公路具有较好的压实效果和经济效益。

（3）冲击碾压遍数。随着冲击碾压遍数的增加，土壤的压实度也会随着增加，当土壤的压实度到达极限后冲击碾压遍数便不会再对其产生明显的影响，这个时候再增加冲击碾压遍数只会降低冲击碾压的施工效率。所以，在实际冲击碾压施工过程中应严格控制好冲击碾压的遍数，使之即满足冲击碾压技术的需要，又能够最大限度地提高冲击碾压施工的效率。

（4）冲击碾压方式。目前采用较为常见的冲击碾压方式为前轻后重，先慢后快，由弱到强。宜先对土壤进行初步碾压使之具有一定的承载力，最后在保证碾压均匀性的基础上进行冲击碾压，碾压时应先起步后起振，先停振后停机。

2.冲击碾压技术施工工艺在高速公路中的应用

2.1冲击碾压技术对软土地基的加固处理

采用冲击碾压技术对软土地基进行加固处理可以有效地加快软土地基的沉降速度。利用排水固结的方法运用冲击压路机对软土地基进行冲击碾压加压，软土地基中的自由水便会迅速的排出，软土地基的沉降速度明显加快。软土地基中的天然稠度较大，需利用冲击碾压技术对粗粒材料垫层进行综合加固。该垫层厚度的大小由稠度确定，稠度越大，垫层厚度越小。一般情况下，当稠度大于0.9小于1.0时，垫层厚度选为20厘米；当稠度大于0.75小于0.9时，垫层厚度选为30厘米；当稠度大于0. 5小于0.75时，垫层厚度选为50厘米。

2.2冲击碾压技术对高填方的补强处理

在对高填方路段进行施工后，会出现一定程度的沉降现象，沉降过大会造成路面开裂。针对这种现象，在采用冲击碾压技术对其进行施工时，采取每隔两米的厚度便进行一次碾压的措施，以此在最小的投入情况下获得最佳的碾压效果，从而解决高填方土的沉降问题，增强高速公路路基的稳定性和耐久性。

2.3冲击碾压技术对旧路的改造處理

采用旧工艺和旧技术对旧路就行改造并不能真正的减少工程的造价。采用冲击碾压技术能够在充分利用原路基的基础上对其进行冲击碾压施工，以使旧路基能够达到一定的质量要求，满足使用的需要。在实际操作中，对新老路基的结合部进行冲击碾压补压和加铺土工格栅，能够从根本上解决新老路结合部所引起的沉降不均的问题。

3.冲击碾压技术在高速公路施工中的注意事项

高速公路的施工质量事关人民的生命财产安全和国家的稳定繁荣，采用冲击碾压技术在高速公路进行施工需要注意以下几点。

首先，应该选用正确合理的冲击压路机。现在市场上的冲击压路机种类繁多，选择错误的机型不仅很难达到所要实现的目的而且会对高速公路的施工质量带来影响。如：若要对路基和路床进行补压或者对填石、土石路坝进行分层压实，宜采用25KJ三边形双轮冲击压路机；若要对水泥路面进行改建或者对土质路坝进行分层压实，宜采用25KJ五边形双轮冲击压路机。

其次，需要对路表以下50厘米内的含水量进行严格的控制。因路表50厘米内的土体含水量较大，且冲击压路机的冲击能量过大，容易使冲击碾压产生翻浆等现象，故需对含水量进行控制，采取晾晒等措施进行解决。

再次，距离建筑物10米内的土体禁止使用冲击压路机对其进行冲击碾压，为避免建筑物遭受破坏，冲击压路机的轮边与构造物应至少留有1米的安全距离，且桥涵建筑物上的填土距离不应少于2.5米。

最后，尽量在较长的连续冲击碾压段利用冲击压路机进行冲击碾压，这样可以解决因机械调头范围较大而使接头过多影响路基整体稳定性的问题，也可以提高冲击碾压的效率。另外，在对薄弱地带进行冲击碾压时可利用高速液压夯实机进行局部的补充冲击碾压，用以补强薄弱部位。

4.结语

冲击碾压技术的作为高速公路路基施工中最主要的技术之一，它的施工技术的高低将会对高速公路的整体质量起到关键性的作用。因此，掌握好冲击碾压技术，加强冲击碾压技术的施工质量控制尤为重要。只有确保冲击碾压技术的施工符合要求才能够避免施工中出现的一系列问题，才能降低路基沉降对高速公路带来的危害，保证高速公路整体的施工质量，最大程度地实现经济效益和社会效益。 [科]

【参考文献】

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[2]邵云冲，梁丽华.浅谈高速公路路基施工冲击碾压技术的应用[J].经营管理者，2013，（8）：368.

[3]陈静.公路路基施工冲击碾压技术的施工应用研究[J].科技传播，2015，（5）：156-157.

[4]初磊.冲击碾压技术在高速公路路基施工中的运用分析[J]. 科技传播，2012，（7）：23-24.

[5]王秉泽.冲击碾压技术在高速公路施工中的应用[J].道路工程，2013，65（12）：52-54.

篇6：LVDS技术及其在多信道高速数据传输中的应用

20世纪末出现的低电压差分信号(LVDS)数据传输接口技术,以其低摆幅以及采用电流模式输出驱动,使之在很宽的频率范围下,可抵抗噪声干扰,并且功耗极低。目前采用LVDS系统的产品很多,广泛用于传输速率较快(可达几百Mb/s),功耗较低的场合,一些典型的应用有:平板显示器接口、交换机、路由器、机顶盒等。

图1为LVDS传输模式原理示意图,LVDS输出为一个电流源,其标称电流为3.5mA,驱动方式为差分形式。电流流过终端电阻(一般为100Ω),将产生约350mV的电压,根据驱动器控制电流的方向,产生1或者0的逻辑状态。其中LVDS驱动器和接收器通过100Ω差分阻抗的介质(差分线对)进行连接。LVDS使用差分线对(两根信号线)以差分方式传输信息时,当线路没有受到干扰时,发送端IN=IN+-IN-,接收端OUT=IN+-IN-,即OUT=IN;当线路存在传输干扰t时,传输干扰同时作用于差分线对两根芯线上,发送端IN=IN+-IN-,接收端OUT=(IN++t)-(IN-+t)=IN+-IN-,即OUT=IN,此时与未受干扰时的情况一样。因此,采用LVDS技术以差分模式传输信息的优势是可通过共模抑制的方式提高噪声容限,增强抗干扰能力;信号的摆幅可以极小,故信号的上升时间短,由此得到了更快的数据速率和更低的功耗。

2 性能要求

LVDS传输系统中差分信号的传输方式具有低电压、抗干扰的特性,但同时差分信号的高速传输也对差分信号线对提出了更高的要求,如在传输高速信号时时延差应小于0.4ns/m;在100 MHz频率下衰减应不大于0.4dB/m,以保证信号的传输质量。在LVDS传输系统用于航空航天等领域时,差分信号线对还必须满足耐高低温、耐辐照等环境性能要求。

3 结构与选材

3.1 结构设计

根据LVDS传输系统中差分信号的传输原理,以及差分信号的高速传输时对差分信号线对的性能要求,我们选择了双绞线屏蔽电缆作为差分信号线对,应用于阻抗为100Ω的接口上,并基于接线结构的要求,在双绞线屏蔽电缆结构中增加了一根排扰线,以提高电缆的接线安装方便程度和可靠性。本双绞线屏蔽电缆的结构如图2所示。

3.2 材料选择

3.2.1 导体

影响电缆衰减的主要因素之一是电缆导体的电阻损耗,因此为了降低本双绞线屏蔽电缆的衰减,导体应选用导电性能较好的材料。在目前常用金属材料中,铜和银的导电能力是最好的,考虑到成本因素,我们采用了镀银铜线作为导体材料。根据高频趋肤效应,按照传输频率的要求确定镀银铜线的镀银层厚度,一般不小于1μm为宜。为提高导体的柔软性和可靠性,本双绞线屏蔽电缆中导体采用了绞合形式,且单根线径较细,绞合导体规格为7根0.10mm单线或7根0.16mm单线等。

3.2.2 绝缘和绕包

在充分而全面地考虑了本双绞线屏蔽电缆各项性能的苛刻要求,特别是对传输速率、衰减、工作温度范围等要求,绝缘材料我们选择了微孔聚四氟乙烯。微孔聚四氟乙烯是一种性能优异的绝缘材料,其长期使用温度范围较广,可达-200～250℃,而且等效介电常数较小(1.4～1.5),可以得到较低的介质衰减,从而降低本双绞线屏蔽电缆的衰减[2]。本双绞线屏蔽电缆中绕包层的作用主要是为了平衡阻抗,因此绕包材料我们选择了与绝缘相同或相近的材料,在此不再赘述。

3.2.3 排扰线

一般而言,LVDS传输系统中差分信号线对在安装时,其屏蔽层必须接地以保证信号的基准,但通常线缆屏蔽层接地较为困难,因此在本双绞线屏蔽电缆中设计了一根排扰线来连接线缆的屏蔽层和连接器的地线端。参照国外LVDS传输系统用某电缆中排扰线的设计,如图3所示,在本双绞线屏蔽电缆的初步设计时我们选择了与导体规格相同的镀银铜绞线作为排扰线。但试样电缆在之后的使用过程中发生了多次短路、击穿等失效情况,根据失效分析,我们发现正是试样电缆中排扰线采用了与导体规格相同的镀银铜绞线,在电缆多次弯曲后,致使排扰线弯折,如图4所示。当排扰线的弯折处正好抵在绝缘芯线的绝缘层上,导致绝缘芯线的绝缘变形,甚至残破,严重时就会出现短路或者击穿现象。因此,在本双绞线屏蔽电缆中我们采用了单根铜扁线作为排扰线,这样既可保持电缆的圆整性,又可使铜扁线在电缆多次弯曲之后不对绝缘芯线造成损伤,确保电缆使用的可靠性。应根据载流量的要求选择铜扁线宽度和厚度,且厚度不应过大,以有利于保持电缆的圆整性和柔软性,宽度可根据电缆的外径作适当调整。

3.2.4 护套

由于本双绞线屏蔽电缆将用于航空航天场合,因此我们选择的护套材料必须能满足耐高温性能要求。通常氟塑料在耐高温和耐辐照性能方面较为突出,表1中列出了三种适用于挤塑的氟塑料的性能参数,具体包括聚全氟乙丙烯(FEP)、四氟乙烯—全氟烷氧基乙烯基醚共聚物(PFA)、乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)。由表中可见,虽然这三种材料都可满足电缆护套的性能要求,但考虑到材料的质量轻、强度高、耐辐照等可靠性要求,最后我们选择了ETFE作为本双绞线屏蔽电缆的护套材料。

4 制造工艺

本双绞线屏蔽电缆的制造工艺流程如图5所示,下面将对电缆制造工艺中的要点进行详细阐述。

4.1 导体

虽然镀银铜绞线可在市场直接购得,但在使用前必须进行严格检验,特别需要注意的是镀银层外表面必须光亮平滑,镀层附着力、镀层致密性和镀层厚度等均应满足相应规范要求,一般情况下镀银层厚度应不小于1μm。

4.2 绝缘绕包及烧结

由于本双绞线屏蔽电缆对传输性能要求较高,特别是电缆特性阻抗的精度、稳定性及电缆时延差等,因此为了提高电缆的传输性能,在绝缘芯线生产时绝缘精密绕包工艺必须保证绝缘芯线结构的均匀性及稳定性。绝缘芯线外径越稳定,电缆的结构也越稳定;绝缘芯线外径越精确、越均匀,电缆的阻抗就越接近设计值,不易产生回波,并且绝缘芯线之间的电气长度差异越小。此外,精密绕包工艺还应保证绝缘芯线的绝缘绕包接缝处不发生电击穿,以提高电缆的耐电压水平。为了使微孔聚四氟乙烯薄膜能外径均匀、表观平整地绕包在芯线上,在精密绕包过程中需要施加适当的张力。绕包时薄膜的恒张力控制对本双绞线屏蔽电缆的性能起着关键影响,在整个绕包过程中张力必须始终保持恒定。如果施加的张力过小,会使绕包层不紧密、不平整;如果施加的张力过大,会使薄膜在绕包过程中被拉伸,薄膜厚度变薄,进而导致绕包绝缘外径变小。

常用的绕包机是采用摩擦片以摩擦力的形式对绕包薄膜施加张力,这种薄膜张力控制方式会因摩擦面状态变化而使摩擦系数不稳定,导致在绕包过程中薄膜张力的不稳定,且随着在绕包过程薄膜带卷的不断消耗(即盘形薄膜带的直径逐渐变小),在同样的摩擦张力下薄膜放带张力也将逐渐变大。因此,常用绕包机这种机械张力控制已经难以满足精密绕包工艺的要求。

为此我们在本双绞线屏蔽电缆的精密绕包工艺中用恒张力电控制系统取代张力机械控制系统,保证了薄膜张力的稳定控制,并且利用微机连续监控薄膜用量及薄膜带卷的外径,恒张力电控制系统根据微机监控结果不断地修正施加于薄膜的张力,从而使薄膜张力始终保持稳定(一般不超过设定值的±15%)。在精密绕包工艺中,精确而稳定的绕包节距对获得结构均匀、稳定的绕包绝缘也是至关重要的,因此在本双绞线屏蔽电缆的精密绕包工艺中采用无级变速的步进电机驱动绕包头,从而实现对绕包节距的高精度控制(在设定值的±2%以内)。

由于绕包绝缘的烧结工艺过程是薄膜绕包绝缘内应力释放的过程,在烧结过程中常常伴随着薄膜绕包绝缘搭盖率的降低,因此在本双绞线屏蔽电缆的精密绕包工艺设计时考虑了烧结后绕包绝缘搭盖率的降低,将原绕包节距设计值缩短,使绕包绝缘搭盖率增大2%～5%。在烧结过程中,应注意生产速度不能过快,以保证薄膜绕包绝缘完全烧透粘结。我们在整个烧结工艺过程中采用了DSC(差示扫描量热仪)跟踪薄膜绕包绝缘的烧结程度。

4.3 绝缘芯线对绞

由于本双绞线屏蔽电缆将用于差分信号传输,在两根绝缘芯线中传输的两路信号的同步性决定了差分信号传输的有效性,因此本双绞线屏蔽电缆中两根绝缘芯线之间的电气长度必须一致,以保证差分信号在两者中的传输时延差较小。在结构、材料一致的情况下,两根绝缘芯线的电气长度将取决于它们的物理长度。如两根绝缘芯线物理长度不一致,将导致两路信号在两根绝缘芯线中的传输时间不一致,即时延差较大,最终导致信号畸变。只有在两根绝缘芯线物理长度达到高度一致时,才能使电缆的时延差满足本双绞线屏蔽电缆的设计要求。

两根绝缘芯线对绞时对称性越好,它们物理长度的一致性就越好,传输信号的同步性也越好。两根绝缘芯线对绞时的对称性包括两根绝缘芯线外径及介电常数的一致性和对绞结构一致性两个方面。前者是由上述精密绕包工艺来保证,后者是由对绞工艺决定。为了使对绞结构达到高度一致,我们在对绞工艺中严格控制了以下三个环节:

(1)在对绞前对绝缘芯线进行了预退扭。由于我们目前采用的对绞机是无退扭的,在绞合过程中两根绝缘芯线的接触点(即绞合点)的轨迹是一条沿绝缘表面的螺旋线,在绕包过程中绝缘芯线受到牵引轮、收排线导轮等碾压,以及收线时相邻线芯的挤压,使绝缘芯线的横截面不再是严格意义上的圆形,而呈椭圆形,致使对绞线两导体间的中心距不断变化,进而造成电缆特性阻抗的波动,以及各对绞节距之间绝缘芯线绞入长度不断改变,因此为改变上述情况,在本双绞线屏蔽电缆绝缘芯线对绞前必须进行预退扭,使对绞过程中两根绝缘芯线的接触点(即绞合点)的轨迹是一直线而不再是一条螺旋线,以保证对绞时两导体间中心距稳定。

(2)在对绞时对绝缘芯线放线进行恒张力控制。为保证每个对绞节距中绝缘芯线的绞入长度一致,除了在对绞时确保两导体间中心距稳定外,我们还对两根绝缘芯线放线进行了恒张力控制,并保持其一致。如果两根绝缘芯线放线张力不一致,则会造成同一节距中放线张力较大的那根绝缘芯线的长度要短于放线张力较小的那根绝缘芯线的长度,使得两根绝缘芯线绞入的物理长度不一致。有时即使两根绝缘芯线的放线张力一致而稳定,但因两根绝缘芯线中导体(镀银铜线)在退火时温度波动使之柔软程度(物理状态)有所差异等,致使硬度较高的导体绞入的物理长度会稍短一点,也会造成两根绝缘芯线绞入的物理长度不一致。为解决这一问题,我们在退扭装置与对绞装置中加入等长度输线装置,使进入对绞机的两根绝缘芯线的长度完全一致。

(3)在对绞结束后对对绞绝缘芯线收线进行恒张力控制。对该环节的控制是为了避免收线张力波动对对绞节距的影响,即拉伸对绞绝缘芯线导致对绞节距不一致,以及两导体的中心距变化。此外,还应注意收排线的平整,以免影响收线张力的稳定性。

4.4 绕包、编织和护套挤制

绕包层的作用是平衡对称电缆的线间阻抗。在某些LVDS传输系统用电缆中,由于常规材料的规格与设计值正好匹配,则无需采用绕包层进行阻抗平衡。我们在本双绞线屏蔽电缆中采用与绝缘材料相同的微孔聚四氟乙烯薄膜(也可采用半定向聚四氟乙烯薄膜)进行绕包,并根据阻抗平衡要求进行绕包工艺参数(绕包厚度和搭盖率)设计。虽然相比于绝缘绕包,绕包时的控制精度较低,但也应保证绕包平稳,搭盖率变化不宜过大。

在本双绞线屏蔽电缆中屏蔽层采用常规编织工艺,但值得注意的是在编织过程中应将扁平排扰线与芯线并排进行编织。在本双绞线屏蔽电缆中护套采用常规挤塑工艺挤制,本文不再赘述。

5 性能测试

根据本文所述的结构设计、材料选择与生产工艺,选取7根×0.16mm结构的镀银铜绞线作为内导体,我们进行了本双绞线屏蔽电缆的加工。本双绞线屏蔽电缆的外径为3.4 mm左右,线质量为18.5g/m,在100MHz频率下衰减为0.27dB/m,时延差为0.008ns/m,图6为采用2Gb/s信号发生器时测得的眼图。

可见采用本文所述的结构设计、材料选择与生产工艺制作的LVDS信号传输系统用对称电缆已具备适应LVDS传输接口的高速数字对称信号传输能力,并具有衰减低、时延差小的性能,以及外径小、可靠性高的特点,可适用于高速LVDS信号传输场合,尤其适用于航空航天领域使用。

参考文献

[1]LVDS用户手册[R].3版.美国:美国国家半导体公司,2004.

篇7：LVDS技术及其在多信道高速数据传输中的应用

1 硬件设计

数据接收系统是将目标信号进行采集、处理并存储,形成计算机可以处理的数据格式,即包含信号输入单元、信号处理单元和信号输出单元。数据发送系统是将目标数据传送给下位机,下位机进行数据格式处理,然后按照数据协议形式通过信号输出单元发送出去。除此之外整个系统还需要缓冲区、时钟以及电源等相关模块支持。图1所示为本板卡的硬件设计框图。

1.1 PCI接口设计

PCI总线是由Intel等公司制定的具有严格规范的外部设备互联总线,是目前计算机中广泛采用的局部总线,它的信号线包括32根地址数据复用线、仲裁、接口控制线、总线命令字节允许复用线和系统复位等。PCI接口设计一般采用两种方法:(1)利用CPLD/FPGA实现,这种方法可以针对自己的需要定制功能,设计灵活性大。(2)用通用的接口芯片,如AMCC公司的S5933、PLX公司的PCI9054等。因PCI总线协议复杂,自行设计接口费时费力,而PCI接口芯片具有设计简单、功能强大、可靠性好等特点,从而大大减少开发

工作量。综上所述,设计选用PCI9054,C从模式工作,本地总线端输入时钟50 MHz,配置芯片为Microchip Technology公司的93LC56串行EEPROM[3]。

1.2 LVDS接口设计

低压差分信号(Low Voltage Differential Signaling,LVDS)采用极低的电压摆幅高速差动传输数据,可以实现点对点或一点对多点的连接。文中采用Cyclone I系列EP1C6Q240FPGA,它支持高速LVDS接口,利用其I/O的LVDS驱动器把FPGA内部逻辑信号转换为低压差分信号对,经过传输线传送到对方差分接收电路。在Cyclone I系列FPGA中,使用LVDS接口只需在其配套的Quartus II软件的MegaWizard中调用Altlvds并进行定制即可。

LVDS接口电路的设计如图2所示,FPGA发送端通过LVDS发送差分信号,在差分线上分别串接一个120 Ω电阻,再在其间并接一个170 Ω电阻,削弱差分信号的幅值,防止信号产生震荡;FPGA接收端在差分线间并接一个100 Ω的终端电阻,电流主要通过终端电阻形成回路,从而在接收器的输入端形成差分接收的信号电压;PCB布线时防止LVDS高速信号串扰和互扰,避免其他信号耦合到LVDS传输线上,应尽量将LVDS信号和其他信号分别布在两个信号层上[4]。

1.3 其他接口设计

为满足PCI总线的DMA传输特性,需要在硬件上加入缓冲区。输入的LVDS速率越高,需要的缓冲区容量越大,以保证不丢失数据。因此设计选用Micron公司提供的MT48LC2M32 SDRAM作为缓冲区,它是一款64 MB全同步SDRAM。另外,输出的LVDS信号要求10~50 MHz频率范围内任意可调,因此选用AD公司采用CMOS技术生产的直接数字合成器AD9851,它的最高工作时钟为180 MHz,内部除了完整的高速DDS外,还集成了时钟6倍频器和一个高速比较器,并且它的接口控制简单,可以用8位并行口或串行口直接输入频率、相位等控制数据。设计中通过FPGA中PLL输出30 MHz时钟,倍频器将参考时钟倍频至180 MHz,控制接口采用并行口传输。

除此之外,时钟模块采用有源晶振为系统提供50 MHz时钟,SDRAM时钟由FPGA内部PLL合成。电源模块采用外围电路简单的LDO(Low Dropout Regulator)提供3.3 V及1.5 V电源电压。

1.4 FPGA内部结构设计

FPGA内部结构的逻辑设计是本板卡设计的核心部分,图3所示为本系统FPGA内部结构框图。

LVDS信号接收器接收外部的LVDS数据帧,检出帧头,并将帧数据传送给双口RAM进行处理,一个数据帧包含32 bit的帧头和256×32 bit的帧数据。接收的双口RAM实现数据的乒乓存储,写数据的宽度为1 bit,读数据的宽度为32 bit,以此来实现数据的串并转换,同时实现数据时钟域的转换。LVDS接收数据控制模块用于产生双口RAM和SDRAM控制器的地址总线、数据总线和控制总线,实现各接收模块联合控制和数据转移,同时它还负责从SDRAM控制器读取数据送至FPGA内的FIFO缓冲区,用于PCI总线交互。

LVDS信号发送部分由LVDS发送数据控制、双口RAM、FIFO缓冲、LVDS信号发送器和DDS控制器组成。LVDS发送数据控制用于产生各模块的地址、数据和控制总线,实现数据转移和交互。双口RAM实现并串转换和乒乓存储。LVDS信号发送器为数据帧添加包头,并连同帧数据以AD9851产生的发送频率串行发送出去。

另外,SDRAM控制器是FPGA内用于外部SDRAM控制的模块,PCI本地总线控制器是FPGA内用于控制PCI9054本地总线交互的模块,DDS控制器是FPGA内用于外部AD9851控制的模块。PLL是Altera FPGA内提供的模拟延迟锁相环模块,可以实现系统时钟的倍频、分频及延迟等时钟控制操作。通过该模块可以实现系统内不同时钟域的时钟分配。

2 软件设计

系统设备的驱动程序采用Windows下的WDM(Windows Driver Model)驱动程序。目前开发WDM驱动程序通常有3种工具,即Windows DDK、DriverStudio和WinDriver。由于DriverStudio包含完善的源代码生成工具以及相应的类库和驱动程序样本,提供了在VC++下进行驱动程序开发的支持,因此设计中使用DriverStudio来开发WDM驱动程序[5]。

设计的上层应用程序采用Microsoft Virtual Studio作为开发平台,通过MFC设计了人机交互界面,主要用于完成接收数据显示存储、发送数据载入、发送频率控制字以及PCI控制命令等功能。其程序面板如图4所示。

3 结果测试

在Altium Designer 2009平台上进行板卡硬件原理图和PCB图设计,FPGA芯片采用Altera公司的EP1C6Q240C6,使用Quartus II 9.0开发系统实现编程和仿真,完成对电路设计的功能仿真和时序仿真。

在Quartus II中进行引脚分配并编译完工程后,将设计文件下载到FPGA的配置芯片中。在硬件上将LVDS的发送端和接收端连接以实现自发自收。在PC机的应用程序中设置发送频率为50 MHz,然后点击“发送频率控制字”按钮发送频率控制字,载入从0开始的连续累加数字,点击“开始发送”按钮发送数据,然后点击“开始接收”按钮接收数据。从图4所示的发送与接收数据显示可以发现,接收到的LVDS数据与发送的LVDS数据完全一致,系统的发送功能与接收功能符合设计要求。

4 结束语

介绍了基于FPGA和PCI9054的LVDS数据通信卡的设计,通过FPGA实现了LVDS数据的接收发送控制、PCI9054实现了与上位机的数据交互,实现了10~200 Mbit·s-1速率的LVDS数据接收以及10~50 Mbit·s-1任意速率的LVDS数据发送。此板卡的设计,可以有效地应用于某遥测模拟信号源,并对待测设备的LVDS总线协议进行全面测试。

参考文献

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[2]李云志,李丽萍,杨恒.基于FPGA的LVDS高速差分板间接口应用[J].半导体技术,2008,33(12):1138-1142.

[3]纪淑波,曲北北.PCI9054接口芯片的应用设计[J].光电技术应用,2008(8):46-48.

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