使用FPGA器件和USB通訊實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸顯示系統(tǒng)的設(shè)計

1 概述

雷達(dá)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(dá)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊话阌蠵CI總線和網(wǎng)卡，其中32位的PCI接口數(shù)據(jù)傳輸速率最大可以達(dá)到133Mbit/s，而目前廣泛采用的以太網(wǎng)卡的最大傳輸速率達(dá)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(dá)數(shù)據(jù)形成分機進(jìn)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(dāng)?shù)碗妷翰罘中盘柦涌陔娐钒呀邮盏睦走_(dá)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)是一種用于高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢韺咏涌跇?biāo)準(zhǔn)。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(wù)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(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)。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(biāo)準(zhǔn);內(nèi)部時鐘頻率可達(dá)420MHz;采用專門的在系統(tǒng)可編程PROM芯片18V04進(jìn)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(dá)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(jìn)行準(zhǔn)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，F(xiàn)IFO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(biāo)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(jìn)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(biāo)志信號Flag、時鐘信號Clk及復(fù)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(biāo)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，F(xiàn)P-GA會對其進(jìn)行一次累加，對應(yīng)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(jìn)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(dá)12Mbps.C0801F320的運行指令采用流水線結(jié)構(gòu)，機器周期由標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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(dāng)FIFO存儲器中的數(shù)據(jù)達(dá)到一幀時，F(xiàn)ull標(biāo)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(yīng)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，F(xiàn)IFO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(fēng)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(yīng)用程序。動態(tài)鏈接庫負(fù)責(zé)與內(nèi)核的USB功能驅(qū)動程序通信并接收應(yīng)用程序的各種操作請求，而應(yīng)用程序則負(fù)責(zé)對傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)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(dāng)它收到應(yīng)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(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)寫到應(yīng)用程序要提交的內(nèi)存;而記錄、顯示線程則負(fù)責(zé)給應(yīng)用程序發(fā)送記錄和顯示消息。當(dāng)應(yīng)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(yīng)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(yīng)用程序主流程圖如圖4所示。

本設(shè)計的應(yīng)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(jìn)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(yīng)用之中，基本能達(dá)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。