基于PCI Express總線的高速數(shù)據(jù)傳輸卡設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

地面測控系統(tǒng)由上位機(jī)軟件、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、地面控制臺及相應(yīng)電纜網(wǎng)組成。在系統(tǒng)聯(lián)試前它可以和采編器、存儲(chǔ)器構(gòu)成閉環(huán)反饋，對采編器、存儲(chǔ)器實(shí)施自檢。地面控制臺在上位機(jī)軟件的控制下，真實(shí)模擬機(jī)上接口信號，為采編器提供不同的數(shù)字量信號,并對回收后的存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取分析。以前地面測試系統(tǒng)中的上位機(jī)軟件系統(tǒng)和地面控制臺之間的通信是由USB接口來完成的，傳輸速率較低。為了解決大容量數(shù)據(jù)高速讀取的瓶頸問題，采用PCI Express總線來讀取數(shù)據(jù)。PCI Express 采用了目前業(yè)內(nèi)流行的點(diǎn)對點(diǎn)串行連接, 每個(gè)設(shè)備都有自己的專用連接, 不需要向整個(gè)總線請求帶寬, 而且可以把數(shù)據(jù)傳輸率提高到一個(gè)很高的頻率, 達(dá)到 USB 所不能提供的高帶寬。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸卡基于PCI Express總線，提高了系統(tǒng)的讀寫速度,滿足了目前大容量高速實(shí)時(shí)傳輸記錄的要求。

　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　地面控制臺是模擬機(jī)上信號源功能，信號源由上位機(jī)生成，然后下載到地面控制臺的RAM中。為了正確地發(fā)送信號源數(shù)據(jù)需要對下載的信號源數(shù)據(jù)進(jìn)行自檢，即將地面控制臺RAM中的數(shù)據(jù)讀入上位機(jī)來驗(yàn)證控制臺中信號源是否正確。本系統(tǒng)通過PCI Express傳輸卡實(shí)現(xiàn)了信號源自檢功能。

　　如圖1所示，上位機(jī)通過PCI Express接口將信號源的數(shù)據(jù)下載到FIFO1存儲(chǔ)器當(dāng)中，同時(shí)將相應(yīng)的控制命令發(fā)送給FPGA。FPGA檢測到相應(yīng)控制命令后，開始讀取FIFO1中的數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換寫到地面控制臺RAM中。為了保證上位機(jī)下載到靜態(tài)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)的正確性，上位機(jī)可以通過PCI Express接口將地面控制臺RAM中的數(shù)據(jù)寫到FIFO2存儲(chǔ)器當(dāng)中，讀取其中的數(shù)據(jù)并進(jìn)而對該數(shù)據(jù)進(jìn)行判讀以驗(yàn)證信號源數(shù)據(jù)的正確性。

　　2 硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 差分傳輸

　　低壓差分傳送技術(shù)是基于低壓差分信號LVDS的傳送技術(shù)，其主要特點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)、傳輸速率高、低功耗、噪聲性能好。

　　傳輸卡接收LVDS數(shù)據(jù)時(shí)，考慮到在遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸過程中會(huì)遇到一系列的干擾而導(dǎo)致信號的衰減，在接收端設(shè)計(jì)了CLC014驅(qū)動(dòng)芯片，發(fā)送端設(shè)計(jì)了CLC001驅(qū)動(dòng)芯片，其作用是把傳輸來的信號增強(qiáng)。CLC001與CLC014是配芯片,在設(shè)計(jì)中要一起使用才能夠起到對長距離傳輸時(shí)信號衰減的恢復(fù)。串并/并串轉(zhuǎn)換電路中采用LVDS DS92LV1801芯片，它是一款18位的串并/并串轉(zhuǎn)換芯片，實(shí)現(xiàn)16位數(shù)據(jù)傳輸。

　　2.2 PCI Express接口設(shè)計(jì)

　　PCI Express總線接口的設(shè)計(jì)方法大體有兩種:使用可實(shí)現(xiàn)PCI Express物理接口的可編程邏輯器件FPGA或使用專用接口芯片。前者的優(yōu)點(diǎn)是其靈活的可編程性,缺點(diǎn)是開發(fā)難度比較大,開發(fā)周期比較長;而專用接口芯片實(shí)現(xiàn)了PCI Express的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層、事務(wù)層的控制邏輯,這使用戶可以專心于其應(yīng)用方面的開發(fā),而不必費(fèi)力再調(diào)試PCI Express接口,降低了開發(fā)的難度,是一般用戶實(shí)現(xiàn)PCI Express接口的有效方法。該設(shè)計(jì)采用美國PLX公司推出的PEX8311作為本地總線與PCI Express總線的接口。

　　2.2.1 PEX8311的性能簡介

　　PEX8311是一款x1的PCI Express接口芯片,本地端總線頻率最高可達(dá)66 MHz，數(shù)據(jù)位寬32 bit。PEX8311有主模式、從模式和DMA三種數(shù)據(jù)傳輸模式。主模式是由 Local總線主設(shè)備通過PEX8311訪問PCI Express總線存儲(chǔ)空間和I/O空間；從模式是由PCI Express總線主設(shè)備通過PEX8311訪問Local總線存儲(chǔ)空間和I/O空間；DMA傳輸模式由PEX8311作為兩總線的主設(shè)備,能在PCI Express總線存儲(chǔ)空間和Local總線存儲(chǔ)空間之間互傳數(shù)據(jù)。這三種數(shù)據(jù)傳輸方式中,從模式的優(yōu)先級最高,主模式次之,DMA方式最低。PEX8311橋高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?nèi)部塊圖解如圖2所示。

　　PEX8311有6個(gè)內(nèi)部FIFO，分別作為主模式、從模式、DMA這三種數(shù)據(jù)傳輸模式的讀寫數(shù)據(jù)通道,這些FIFO用于使兩條總線的操作相對獨(dú)立,從而保證高性能的數(shù)據(jù)突發(fā)傳輸。