基于FPGA和USB的高速數(shù)據(jù)傳輸、記錄及顯示系統(tǒng)

關(guān)鍵詞：FPGA；USB；LVDS；數(shù)據(jù)傳輸

１　概述

雷達數(shù)據(jù)形成分機具有數(shù)據(jù)量大、傳輸速率高、幀格式固定等特點。目前用于雷達數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊话阌校校茫煽偩€和網(wǎng)卡，其中３２位的ＰＣＩ接口數(shù)據(jù)傳輸速率最大可以達到１３３Ｍｂｉｔ／ｓ，而目前廣泛采用的以太網(wǎng)卡的最大傳輸速率達到１００Ｍｂｉｔ／ｓ，雖然這兩者的傳輸速度完全可以滿足要求，但是它們存在安裝繁瑣，受計算機插槽數(shù)量和地址、中斷資源限制等弱點。ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）是一種通用串行總線，具有即插即用、可熱插拔，使用方便、成本低的特點，其ＵＳＢ１．０能提供１２Ｍｂｐｓ的全速速率或１．５Ｍｂｐｓ的低速速率，而ＵＳＢ２．０ 則可以支持４８０Ｍｂｐｓ的高速傳輸速率。因此，在高速數(shù)據(jù)傳輸、記錄及顯示系統(tǒng)中，考慮到需要方便靈活地與計算機通信，可采用ＵＳＢ通訊方式來對雷達數(shù)據(jù)形成分機進行檢測。

２　設(shè)計方案

整個系統(tǒng)主要由低電壓差分信號（ＬＶＤＳ）接口電路、基于ＦＰＧＡ的高速數(shù)據(jù)緩存、判斷數(shù)據(jù)錯誤模塊、ＵＳＢ傳輸模塊和計算機組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖１所示。當?shù)碗妷翰罘中盘柦涌陔娐钒呀邮盏睦走_數(shù)據(jù)形成分機數(shù)據(jù)送入ＦＰＧＡ緩存后，該信息便可通過ＵＳＢ接口進行傳輸、記錄并在計算機上顯示。該系統(tǒng)由低電壓差分信號驅(qū)動芯片ＤＳ９０ＬＶ３１（發(fā)送器）、 ＤＳ９０ＬＶ３２（接收器）、控制芯片ＸＣ２Ｖ５００、ＵＳＢ控制芯片Ｃ８０５１Ｆ３２０、總線驅(qū)動器芯片７４ＨＣ２４４組成。

３　系統(tǒng)功能及硬件實現(xiàn)

本系統(tǒng)主要由低電壓差分信號傳輸接口、ＦＰＧＡ功能模塊和ＵＳＢ傳輸模塊三部分構(gòu)成。

３．１ 低電壓差分信號傳輸接口

低電壓差分信號ＬＶＤＳ（Ｌｏｗ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｓｉｇｎａｌ）標準是一種用于高速數(shù)據(jù)傳輸的物理層接口標準。由于電壓信號擺幅較低，而且可提供電流模式驅(qū)動輸出，因此ＬＶＤＳ 技術(shù)只產(chǎn)生極低的噪音，而且功耗也極低，甚至不論頻率高低，功耗幾乎不變；此外，由于ＬＶＤＳ是以差分方式傳送數(shù)據(jù)，因此不易受共模噪音影響。由于具有超高速（１．４Ｇｂ／ｓ）串行傳輸、低功耗及低電磁輻射的特性，低電壓差分信號傳輸是在銅介質(zhì)上實現(xiàn)千兆位級高速通信的優(yōu)先方案，可用于服務器、可堆壘集線器、無線基站、ＡＴＭ交換機及高分辨率顯示等，也可用于通信系統(tǒng)的設(shè)計。美國國家半導體公司的ＤＳ９０ＬＶ３１和ＤＳ９０ＬＶ３２是高性能的ＣＭＯＳ低功耗、低電壓差分信號驅(qū)動器，采用３．３Ｖ供電，可支持大于４００Ｍｂｐｓ的數(shù)據(jù)率，滿足ＡＮＳＩ／ＴＩＡ／ＥＩＡ－６４４標準。其中ＤＳ９０ＬＶ３１可實現(xiàn)四路低電壓ＴＴＬ信號轉(zhuǎn)低電壓差分信號，而ＤＳ９０ＬＶ３２則可實現(xiàn)四路低電壓差分信號轉(zhuǎn)低電壓ＴＴＬ信號。

３．２ ＦＰＧＡ功能模塊

本設(shè)計采用Ｘｉｌｉｎｘ公司的ＦＰＧＡ?Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏ-ｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙ，現(xiàn)場可編程門陣列?芯片ＸＣ２Ｖ５００來實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)緩存。ＸＣ２Ｖ５００屬于Ｖｉｒ-ｔｅｘ－ＩＩ系列，是一種高密度、高性能的ＦＰＧＡ。ＸＣ２Ｖ５００可通過ＪＴＡＧ接口實現(xiàn)在線編程；它采用０．１５ｍ和０．１２ｍ混合工藝設(shè)計；內(nèi)核電壓為１．５Ｖ，低功耗；可支持多種接口標準；內(nèi)部時鐘頻率可達４２０ＭＨｚ；采用專門的在系統(tǒng)可編程ＰＲＯＭ芯片１８Ｖ０４進行配置。

ＦＰＧＡ的主要功能是高速數(shù)據(jù)緩存及判斷傳輸數(shù)據(jù)幀頭錯誤、幀長度錯誤，具體說明如下：

（１）高速數(shù)據(jù)緩存

雷達數(shù)據(jù)形成分機以１０ＭＨｚ的頻率，每秒發(fā)送２０００～３０００幀、每幀６４００字節(jié)的數(shù)據(jù)，將如此高速、大量的數(shù)據(jù)進行準確無誤的緩存是本系統(tǒng)的技術(shù)難點之一。本方案將數(shù)據(jù)形成分機送過來的數(shù)據(jù)先放在ＦＰＧＡ的異步ＦＩＦＯ?Ｆｉｒｓｔ Ｉｎ Ｆｉｒｓｔ Ｏｕｔ?存儲器里，ＦＩＦＯ存儲器同時要有與數(shù)據(jù)形成分機及ＵＳＢ的接口，且兩接口操作互不干涉，以提高數(shù)據(jù)吞吐率。根據(jù)ＦＩＦＯ存儲器的Ｆｕｌｌ和Ｅｍｐｔｙ標志可判斷存儲器全滿或空。ＦＩＦＯ存儲器的特點是：不需要地址尋址，可簡化控制信號；數(shù)據(jù)寫入和讀出不依賴于數(shù)據(jù)速率，可以慢寫快讀、也可快寫滿讀；進行數(shù)據(jù)寬度和存儲深度的擴展不會增加額外的時間延遲，因此滿足了上述要求。

數(shù)據(jù)形成分機發(fā)送的數(shù)據(jù)包括１６ Ｂｉｔ并行數(shù)據(jù)信號Ｄａｔａ、數(shù)據(jù)有效標志信號Ｆｌａｇ、時鐘信號Ｃｌｋ及復位信號Ｒｅｓｅｔ。圖２為數(shù)據(jù)形成分機與ＦＰＧＡ數(shù)據(jù)傳輸接口時序圖。其中Ｒｅｓｅｔ為清零信號，除Ｔ１時間外均保持低電平；Ｆｌａｇ信號高電平持續(xù)時間為３２０μｓ；Ｃｌｋ為１０ＭＨｚ的讀時鐘。ＦＰＧＡ接收到數(shù)據(jù)形成分機發(fā)來的數(shù)據(jù)有效標志信號Ｆｌａｇ后，將首先確定數(shù)據(jù)幀頭，然后以１０ＭＨｚ的時鐘頻率Ｃｌｋ讀１６ Ｂｉｔ并行數(shù)據(jù)信號Ｄａｔａ并存儲在ＦＩＦＯ存儲器中，以等待ＵＳＢ控制芯片取走。

（２）判斷幀數(shù)據(jù)錯誤

數(shù)據(jù)形成分機發(fā)送過來的每幀數(shù)據(jù)的幀頭、幀長度是固定的。ＦＰＧＡ對接收的每一幀數(shù)據(jù)都需要判斷幀頭及幀長度是否錯誤。每出現(xiàn)一次錯誤，ＦＰ-ＧＡ會對其進行一次累加，對應產(chǎn)生一個脈沖，然后將其用７４ＨＣ２４４驅(qū)動后分別接ＬＥＤ顯示燈，就可以二進制方式顯示錯誤次數(shù)。

３．３ ＵＳＢ傳輸模塊

通過ＵＳＢ傳輸模塊可把存在ＦＩＦＯ存儲器里的數(shù)據(jù)傳送給計算機并記錄下來，本設(shè)計采用Ｃｙｇｎａｌ公司的Ｃ８０５１Ｆ系列ＵＳＢ控制芯片Ｃ８０５１Ｆ３２０。Ｃ８０５１Ｆ３２０是將微控制器和ＵＳＢ控制器集成在一起的芯片，完全符合ＵＳＢ１．１規(guī)范，最大傳輸速度可達１２Ｍｂｐｓ。Ｃ０８０１Ｆ３２０的運行指令采用流水線結(jié)構(gòu)，機器周期由標準８０５１的１２個系統(tǒng)時鐘周期降為一個系統(tǒng)時鐘周期，處理能力大大提高。它還內(nèi)嵌ＪＴＡＧ調(diào)試電路，可在系統(tǒng)編程和調(diào)試等。ＦＰＧＡ與Ｃ８０５１Ｆ３２０之間的具體連接控制框圖如圖３所示。

當ＰＣ機向Ｃ８０５１Ｆ３２０發(fā)出接收數(shù)據(jù)的命令后，Ｃ８０５１Ｆ３２０便可給ＦＰＧＡ發(fā)控制信號，以使ＦＰＧＡ在下一幀數(shù)據(jù)開始時打開ＦＩＦＯ寫使能；數(shù)據(jù)形成分機通過寫操作不斷將數(shù)據(jù)存入ＦＩＦＯ存儲器。當ＦＩＦＯ存儲器中的數(shù)據(jù)達到一幀時，Ｆｕｌｌ標志有效，向Ｃ８０５１Ｆ３２０請求中斷，并將寫使能關(guān)閉，讀使能打開；Ｃ８０５１Ｆ３２０響應中斷后將以ＣＬＫ時鐘頻率讀ＦＩ-ＦＯ存儲器中的數(shù)據(jù)ＤＡＴＡ；每讀完一幀，ＦＩＦＯ存儲器的讀使能關(guān)閉，寫使能打開，同時接收下一幀數(shù)據(jù)，直到ＰＣ機發(fā)停止命令或接收完要求的幀數(shù)。

４　軟件設(shè)計

Ｃ８０５１Ｆ３２０中的８０５１內(nèi)核不但與ＭＣＳ－５１指令完全兼容，而且Ｃｙｇｎａｌ公司的工具包還為其提供了基于Ｗｉｎｄｏｗｓ的ＵＳＢ總線驅(qū)動程序和功能驅(qū)動程序，這樣，用戶就可以從煩瑣的驅(qū)動程序開發(fā)中解脫出來，從而大大減少開發(fā)時間、風險和成本。

本系統(tǒng)軟件設(shè)計由兩部分組成：動態(tài)鏈接庫和應用程序。動態(tài)鏈接庫負責與內(nèi)核的ＵＳＢ功能驅(qū)動程序通信并接收應用程序的各種操作請求，而應用程序則負責對傳輸數(shù)據(jù)進行記錄、顯示并實時顯示數(shù)據(jù)傳輸?shù)臓顟B(tài)。

動態(tài)鏈接庫的工作原理如下：當它收到應用程序的數(shù)據(jù)傳輸請求后，會創(chuàng)建兩個線程：數(shù)據(jù)傳輸線程和記錄、顯示線程。其中數(shù)據(jù)傳輸線程負責將數(shù)據(jù)寫到應用程序要提交的內(nèi)存；而記錄、顯示線程則負責給應用程序發(fā)送記錄和顯示消息。當應用程序接收到此消息后，便從它提交的內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)并存盤和顯示。

用戶態(tài)應用程序的主要功能是開啟或關(guān)閉ＵＳＢ設(shè)備、檢測ＵＳＢ設(shè)備、設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸幀數(shù)、通過ＵＳＢ接口傳輸、記錄并顯示數(shù)據(jù)、實時顯示數(shù)據(jù)傳輸?shù)臓顟B(tài)包括幀數(shù)、字節(jié)數(shù)等，其應用程序主流程圖如圖４所示。

本設(shè)計的應用軟件基于Ｗｉｎｄｏｗｓ系統(tǒng)，并采用ＶＣ作為軟件開發(fā)環(huán)境，這樣可以利用現(xiàn)有的軟件資源來縮短軟件開發(fā)周期，同時可提供一個友好、美觀清晰、操作簡單的圖形使用界面。訪問ＵＳＢ接口時，調(diào)用Ｗｉｎｄｏｗｓ ＡＰＩ函數(shù)能及時方便地與系統(tǒng)的ＵＳＢ控制芯片進行通信，并且可以將傳輸來的數(shù)據(jù)保存并顯示在計算機上。

５ 結(jié)束語

本文設(shè)計的基于ＦＰＧＡ和ＵＳＢ的高速數(shù)據(jù)傳輸、記錄系統(tǒng)不但具有體積小、功耗低、成本低、使用靈活方便、硬件電路簡單、可在線更新等特點；而且還充分利用了微機的資源，因而易開發(fā)且擴展性好。目前，本系統(tǒng)已投入實際應用之中，基本能達到高速數(shù)據(jù)傳輸、記錄及顯示的要求，具有較高的實用價值。