CN105099561A - 一种基于cpci的光纤数据传输卡 - Google Patents

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高伟
王国臣
张卓
夏秀玮
申忠斌
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Abstract

一种基于CPCI的光纤数据传输卡，属于数据传输领域。所述光纤数据传输卡包括：数据采集及预处理单元和CPCI总线接口单元；所述数据采集及预处理单元是指光纤收发模块电路以及FPGA最小系统，所述光纤收发模块电路采用大规模FPGA实现对光纤收发模块的驱动和数据传输协议，其中数据传输协议可兼容用户端的光纤收发协议；所述CPCI总线接口单元用于实现传输卡与CPCI工控机之间的通信。本光纤数据传输卡可以实现高速、实时、可靠地传输数据，由于采用了模块化的设计思想，可以推广应用于雷达系统、声呐系统、卫星通信、视频传输等需要进行高速数据传输的领域。适用于需要光纤进行高速数据传输的场合。

Description

一种基于CPCI的光纤数据传输卡
技术领域
本发明涉及一种基于CPCI的光纤数据传输卡，可广泛应用于光纤通信的场合，实现高速数据的传输。
背景技术
雷达系统、声呐系统、卫星通信以及视频传输等大数据量的信息传输对高速性和稳定性提出了越来越高的要求。CPCI总线技术是PCI总线技术的升级，采用了新的板卡结构和互联方式，它的模块化、高可靠性、高带宽、可热插拔等特性使该技术可以适用于要求高可靠度的应用领域。通过光纤来实现数据的远距离、高速、实时传输具有很大的优势。
结合通信工程的实际需求以及CPCI总线技术与光纤传输的优点，研究基于CPCI总线技术的光纤数据传输卡。光纤数据传输卡是对前级目标信号进行采集，然后处理成后级目标所需的数据格式，并最终以各种形式输出的系统，主要包含输入输出单元、信号处理单元以及电源、时钟和数据缓冲单元等。
发明内容
本发明的目的是设计一种基于CPCI总线的光纤数据传输卡，可广泛应用于要求高速数据稳定传输的场合。根据光纤数据传输卡的基本功能，总体上分为两部分：总体上分为两部分，一是数据采集及预处理单元，主要是指光纤收发模块电路以及FPGA最小系统，大规模FPGA实现对光纤收发模块的驱动和数据传输协议，数据传输协议可兼容用户端的光纤收发协议。二是CPCI总线接口单元，实现传输卡与CPCI工控机之间的通信。
采用标准CPCI3U型板卡尺寸(图1)；集成一片大规模FPGA(Spartan-6LX系列)，完成对1路光纤数据的接收和发送控制，同时实现CPCI接口的控制(图2)；集成1个单模双向光模块，组成1路双向的光纤通路，完成对数据的收发；集成一片PCI桥接芯片，实现CPCI总线接口功能。CPCI接口可以实现CPCI主机设备对传输卡的访问和控制。
附图说明
图1基于CPCI的光纤数据传输卡结构图；
图2光纤数据传输卡数据流示意图；
图3基于CPCI的光纤数据传输卡电路顶层视图；
图4FPGA配置电路图；
图5PCI9030电路及其配置电路；
图6CPCI总线接口示意图；
图7光纤收发模块电路图；
图8数据串并转换模块电路图；
图9USB接口；
图10电源监视电路图；
图11时钟模块电路图；
图12光纤传输协议示意图。
具体实施方式
本发明是基于CPCI总线的光纤数据传输卡的设计(图3)，一路单模光纤传输的数据经过光纤收发模块转化为串行的电信号，接着高速串行数据通信接收芯片CY7B933完成数据的串行转并行和数据的物理层解码，解码后的数据存入FPGA内的FIFO中，最后通过CPCI接口送入CPCI工控机的内存中。使用一片FPGA芯片完成了逻辑接口的互联以及CPCI本地控制器的功能，配合PCI9030桥接芯片实现了CPCI总线通信。
1.FPGA主芯片的选择
采用大规模的FPGA，可以在内部构造大容量的FIFO作为缓存，同时FPGA是本系统的主控芯片，光电转换模块、解串模块的控制电路和CPCI的本地总线控制器都需要在FPGA中实现，这就要求所选FPGA必须有足够的逻辑单元，本发明选用Xilinx公司生产的Spartan-6LX系列的XC6SLX9-2FTG256C芯片。
2.FPGA的配置电路
配置是对FPGA进行编程的过程，每次上电后需要进行配置是基于SRAM工艺FPGA的一个特点。在FPGA内部，有许多可编程的多路器、逻辑、互连线接点和RAM初始化内容等，都需要配置数据来控制。FPGA中的配置RAM就起到这样一个作用，它存放了配置数据的内容。本发明使用了AS配置方式，FPGA的配置电路见图4。
3.CPCI总线接口的实现
采用CPCI协议转换芯片PCI9030配合FPGA完成CPCI总线接口的设计，用单片FPGA实现信号的串并转换、数据缓冲以及时序协调和传输控制等以前使用分立元件实现的功能，完成数据的高速传输。CPCI总线接口示意图见图5。
4.PCI9030的配置
PCI9030本质上是一个桥接设备，负责把CPCI总线对某一段CPCI总线地址空间的各种操作(包括读、写等)转换为相应的本地总线上的操作。因此配置寄存器的任务就是要把某一段本地地址映射为CPCI总线地址，也就是说当X86主板CPU要访问本地地址空间时要知道其对应的CPCI总线地址。
本发明中，PCI9030的配置芯片E2PROM选用的是Microchip公司的93LC56B。该芯片直接与PCI9030连接，在系统复位后用于初始化配置PCI9030。93LC56B芯片的容量为2K字节，在其内部存储空间中存放了厂商标志、设备标志和本地总线的基地址空间、I/O空间、中断控制信号等信息。串行E2PROM的端口信号有以下几种：时钟信号(EECK)、读数据信号(EEDO)、写数据信号(EEDI)和片选信号(EESC)，分别和PCI9030相应管脚相连即可。图6是PCI9030的初始化配置电路。
5.光电转换及解串模块
本发明中，使用Avago公司的HFBR-5208EMZ进行光电转换(图7)，PCB设计中注意传输线的阻抗匹配为50欧。CY7B923/933是配套使用的高速串行数据通信芯片，其中CY7B923是发送芯片，CY7B933是接收芯片。解串电路模块由CY7B923和FPGA完成(图8)。
6.USB接口电路
USB接口使用FTDI公司生产的多功能的单通道USB2.0转UART/FIFO接口芯片FT232H实现，它可以通过EEPROM配置为多种不同的串行或并行接口。芯片支持3.3V的IO接口电平，适用于连接FPGA。FT232H有多种应用模式，其中USB转同步245并行FIFO模式的传输速度可达到40兆字节/秒，本传输卡的USB接口就采用这种模式。FT232H的USB接口电路图如图9所示。具有两种可选的供电模式，一是USB接口模块作为从机通过USB总线供电，二是USB接口模块作为主机自身供电，可通过跳帽以及装配电阻来选择供电模式。
7.电源监控模块电路
选用Linear公司的六路电源监控芯片LTC2908CTS8-A1来实现对+5V、+3.3V和+1.2V电源的精密监控。当任何一路电压发生过压或欠压时，LTC2908CTS8-A1通过一个公共复位输出端对三路电源系统进行复位。电源监视和复位电路如图10所示。
8.时钟电路
本设计中，PCI9030的局部总线时钟和FPGA主时钟为50MHz，CY7B923/933的操作时钟为25MHz，为了保证时钟信号的质量，在有源晶振的输出端连接了一个时钟驱动器CDCVF2505。CDCVF2505驱动的时钟电路如图11所示。本设计中，PCI9030的局部总线时钟和FPGA主时钟采用了戴维南端接。戴维南端接采用一对上下拉电阻，以平衡驱动信号的高低电平逻辑，增加了信号源的驱动能力。
9.FPGA逻辑功能设计
FPGA主要完成时序协调和传输控制，以及数据流的串并转换和缓存。如图10FPGA内部结构的逻辑设计包括内部信号源、信号接收器、对CY7B933的时序控制、双口RAM、数据控制模块、异步FIFO、CPCI本地控制器和PLL。
硬件编程对数据的处理是按照数据的流向逐步完成的：进入FPGA的信号是经过CY7B933解串行后的8bit数据，时序逻辑控制CY7B933芯片正确工作；信号接收器对输入的高速串行数据进行分析，并将获得的信号送入双口RAM；双口RAM用于实现信号的串并转换，使输入的8bit串行信号转换为32bit数据位宽，同时实现时钟域的转换，另外通过乒乓操作实现数据的有序存取；数据控制模块用于产生双口RAM控制器的地址总线、数据总线和控制总线，实现数据从双口RAM至32bit的异步FIFO缓冲区的正确转移，用于CPCI总线交互；CPCI本地控制器用于控制PCI9030本地总线交互；PLL可以实现系统时钟的倍频、分频及延迟等时钟控制操作，通过该模块实现系统内不同时钟域的时钟分配；内部信号源是一个用于测试的模块，通过产生一个已知的有序的信号序列送至信号接收器，最终进入主机后进行检测，即可得知整个传输过程的正确性。
为了使串行数据高速可靠地传输，必须通过定义通信协议来降低数据的误码率。图12示意了整个协议的构成。光纤通信协议由物理层、链路层以及传输层组成。光缆是物理层的传输介质。链路层的传输波特率由待传输数据量决定，对数据进行8B/10B编码。传输层的功能由FPGA完成，FPGA对数据进行处理，形成由包头、地址码、包体、校验码以及包尾五部分组成的具有特定格式的数据包。包头说明了一个数据包的开始，地址码表明数据包的接收对象，数据长度、数据属性和有效传输信息都包含在包体里，检验码对数据进行校验，包尾说明了一个数据包的结束。

Claims (8)

1.一种基于CPCI的光纤数据传输卡，所述光纤数据传输卡包括：数据采集及预处理单元和CPCI总线接口单元；
所述数据采集及预处理单元是指光纤收发模块电路以及FPGA最小系统，所述光纤收发模块电路采用大规模FPGA实现对光纤收发模块的驱动和数据传输协议，其中数据传输协议可兼容用户端的光纤收发协议；
所述CPCI总线接口单元用于实现传输卡与CPCI工控机之间的通信。
2.根据权利要求1所述的一种基于CPCI的光纤数据传输卡，其特征在于集成1个单模双向光纤收发模块，组成1路光纤通路，完成对数据的收发。
3.根据权利要求1所述的一种基于CPCI的光纤数据传输卡，其特征在集成一片PCI桥接芯片PCI9030，实现CPCI总线接口功能，其中CPCI接口可以实现CPCI工控机对板卡的访问和控制。
4.根据权利要求1所述的一种基于CPCI的光纤数据传输卡，其特征在于光纤收发模块采用Avago公司的HFBR-5208EMZ。
5.根据权利要求1所述的一种基于CPCI的光纤数据传输卡，其特征在于HFBR-5208EMZ的驱动和数据传输协议由FPGA完成。
6.根据权利要求1所述的一种基于CPCI的光纤数据传输卡，其特征在于CPCI总线的本地端控制逻辑和用于数据缓冲的异步FIFO都在FPGA内部通过逻辑设计实现。
7.根据权利要求1所述的一种基于CPCI的光纤数据传输卡，其特征在于扩展了一路RS232/485/422自适应串口。
8.根据权利要求1所述的一种基于CPCI的光纤数据传输卡，其特征在于扩展了一路高速UAB接口。
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