CN109669902A - 一种lvds-usb接口转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种LVDS‑USB接口转换装置，包括：LVDS接口模块、数据缓存模块和USB接口模块以及配套USB驱动程序；LVDS接口模块实现LVDS低压差分信号电平的转换、串转并功能，实现将LVDS接口格式数据转换为16位并行数据；数据缓存模块实现数据乒乓缓存的功能；USB接口模块由FPGA缓存控制单元和USB接口控制器芯片组成，FPGA缓存控制单元根据USB控制器芯片内部缓存状态标志将SRAM中的数据写入USB接口缓存中，写入的数据通过上位机读取到计算机中。本发明将LVDS接口转换为USB接口，实现星载光谱仪与PC的数据通信，极大方便了载荷的调试；同时还具有通用性，可以实现市场具备LVDS接口的工业相机或光谱仪的接口转换。

Description

一种LVDS-USB接口转换装置
技术领域
本发明涉及一种LVDS-USB(LVDS(低压差分信号接口)，Low VoltageDifferential Signal)接口转换装置，属于星载差分吸收光谱中电子装置技术域。
背景技术
星载差分吸收光谱(Deferential optical absorption spectroscopy,DOAS)是一种光谱监测技术，其基本原理是利用空气中的气体分子的窄带吸收特性来鉴别气体成分，并根据窄带吸收强度来推演出微量气体的浓度。在卫星载荷研制过程中，地面检测设备需要先于载荷完成，为星载设备研发提供调试，测试的平台。地面测试过程中，需要进行功能测试、性能测试、技术指标测试、接口测试、边界测试、覆盖性测试、故障预案测试，等等，这些测试都需要地面检测设备的支持。由于低压差分信号(LVDS,Low VoltageDifferential Signal)具有抗干扰性强等诸多优点，星上设备多采用这一接口传输数据。首发卫星的DOAS光谱仪检测台采取了采集卡加工控机的方案。
目前存在的问题是：设备体积庞大，在生产、调试、测试等诸多环节表现出来诸多不便；LVDS采集卡需搭载工控机，限制了光谱仪的使用场合。优于LVDS的诸多优点，这一接口被广泛应用于各种工业相机和科学级探测器成像装置，星载光谱仪也使用这一接口传输数据。但是该接口与USB接口相比，缺乏便携性和通用性。
发明内容
本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种LVDS-USB接口转换装置，解决LVDS接口使用不便的问题，同时保留了LVDS数据传输的优点，使用本发明可以将LVDS接口转换为USB接口，实现星载光谱仪与PC的数据通信，极大方便了载荷的调试。另外，还具有通用性，可以实现市场具备LVDS接口的工业相机或光谱仪的接口转换。
本发明技术解决方案：本发明需要解决的是LVDS接口格式的数据向USB接口格式的转换，同时保证数据传输的完整性。根据硬件功能划分本发明三个功能模块，包括：LVDS接口模块、数据缓存模块和USB接口模块以及配套USB驱动程序；LVDS接口模块连接数据采集单元，如具备LVDS接口的工业相机和光谱仪等；USB接口模块连接数据接收单元，如工控机、个人计算机等；LVDS接口模块由差分驱动芯片和FPGA的串并转换单元组成，实现LVDS低压差分信号电平的转换、串转并功能，实现将LVDS接口格式数据转换为16位并行数据；数据缓存模块由FPGA缓存驱动单元和组成乒乓缓存的两片SRAM组成，实现数据乒乓缓存的功能；USB接口模块由FPGA缓存控制单元和USB接口控制器芯片组成，FPGA缓存控制单元根据USB控制器芯片内部缓存状态标志将SRAM中的数据写入USB接口缓存中，写入的数据通过上位机读取到计算机中；LVDS接口模块接收数据采集单元产生的数据并实现串行数据向并行数据的转换，数据缓存模块接收并行数据并实现数据缓存，USB接口模块接收数据缓存模块的并行数据并将其转换为串行的USB接口格式数据，驱动程序读取USB接口模块数据。
所述SRAM的缓冲大小确定方法如下：SRAM用以缓冲USB接口响应不及时导致的LVDS接口的溢出数据，因此只需确定USB接口传输线程被其他跟高优先级线程打断的最长时间即可。这一方法是基于Windows操作系统的分时调度机制和USB的轮询传输机制，因此这一方法仅适用于采用此机制的操作系统。具体操作方法是使用示波器的脉宽触发功能，监测USB控制器本身缓存器的状态标志，同时在操作系统中不断进行打开网页、传递文件、打开本地文件等操作。根据触发状态不断调整示波器的触发脉冲宽度，直至示波器不再被USB控制器本身缓存器的状态标志信号触发。根据这一脉宽数值，结合数据采集单元的数据产生的平均速率即可计算得到系统响应不及时而造成的数据溢出量。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)可用于搭建便携式地面检测台，该检测台经过不同场合的使用，证明其运行良好，为载荷的生产，调试带来方便。该检测台具有一定的通用性，可以作为同类带有LVDS数传接口的载荷的设计参考。由于Windows操作系统对USB接口响应的非实时性，设备端的通讯控制器自带的片上缓存通常是不能满足高速数据不间断传输的需求。设计了操作系统对USB接口非实时性的测试方法，结果表明操作系统不响应USB传输的最长时间在120ms以内，从而确定了保证数据传输完整所需额外缓存的大小。本发明中提供的方法简便易行、准确可靠，经验证切实可行，可应用于需要保证数据完整的USB设备研发。
(2)星载光谱仪研发任务完成后，由于其优越性能，计划在此基础上做民用设备的开发。民用光谱仪设备最常用的接口是USB接口，便携式地面检测台的USB电路可成为一个通用的设计模块在商用DOAS光谱仪上使用。本发明作为额外的模块使用，可扩展LVDS接口设备的使用范围，具有很强的实用意义。
附图说明
图1为便携式检测台设计方案；
图2为本发明的组成框图；
图3为本发明中片上SRAM尺寸测试方案框图；
图4打开网页时示波器监测的Full-Flag的触发波形。
具体实施方式
本发明技术解决方案：实现LVDS接口到USB2.0接口的转换装置，适用于市面上绝大多数LVDS接口的工业相机及其他各种成像装置。
本发明的设计包括硬件部分和软件部分。硬件电路包括LVDS接口模块、数据缓存模块和USB接口模块，软件部分即操作系统USB接口驱动程序。如图2所示。
USB接口模块中的控制芯片使用的是来自Cypress公司的单片机——CY7C68013A。该芯片集成了USB2.0收发器、串行接口引擎和增强型8051微控制器。它具有四个集成的端点(FIFO)，可以工作在主控制或者从属操作模式(在主控制模式下，外围设备的数据将经过8051内核处理后，传输到单片机的端点。后者不经8051内核的处理，数据直接进入到传输端点，即单片机的DMA通道)。
LVDS接口模块中的串并转换单元由FPGA完成，数据16位并行送入CY7C68013A的DMA通道。
另外，因为图像数据是持续发送的，而USB是间断性查询方式的通讯，为了保证通讯数据的完整性，在数据缓存模块中加入了1M字节的SRAM构建通讯缓冲。FPGA通过读取单片机的状态标志信息(Full-Flag)，有序地将SRAM中的数据写入单片机的端点中。USB接口驱动程序通过USB接口以轮询的方式读取端点中的数据。
本发明可用于搭建星载光谱仪便携式检测台，实现载荷地检平台的快速搭建。具体完成如下功能：
DOAS光谱仪设有四个通道用来采集紫外到可见光波段的光谱数据，由LVDS串行发送到卫星数传计算机，通讯码速率为43Mbps。卫星平台发送控制命令和卫星姿态等参数到DOAS光谱仪，数据通过1553B总线发送给光谱仪。光谱仪将1553B数据转换为RS-422串行数据后传输到电荷耦合器件(CCD,Charge Coupled Device)成像电路。考虑到便携式检测台主要为了外出调试各种光学部件的需要，而调试光学部件时只需要CCD成像电路，所以便携式检测台省略了对电机控制和1553B通讯电路的支持，与CCD成像电路直接对接。
这样，便携式地面检测台需要模拟卫星平台完成如下工作：
1)向光谱仪发送指令和仿真姿态信息；
2)接收DOAS光谱仪由LVDS串行传来的图像信息并显示存盘；
3)接收并显示LVDS传来的状态信息；
便携式检测台的设计方案如图1所示。图中星载DOAS光谱仪将采集到的光谱数据通过LVDS接口传出，同时接受RS-422接口的控制命令，实现仪器的参数(如曝光时间，AD增益等)调整；LVDS-USB接口转换装置通过LVDS接口接收光谱仪采集到的光谱数据并将其转换为USB接口格式的数据，同时可以接收上位机通过USB接口发送的星载DOAS光谱仪参数控制命令将其转换为RS-422接口格式的数据后传递给星载DOAS光谱仪；上位机软件可通过USB接口接收LVDS-USB接口转换装置发送的光谱数据，同时可以将控制参数命令通过USB接口发送给LVDS-USB接口转换装置。
创新点：
缓存大小的确定
事实上，只要选取足够大的存储器做缓冲即可保证数据传输的完整性。但是，市面上SRAM的大小多为2M字节以内，且能否满足设计需求也并不可知。同步动态随机存储器(SDRAM,Synchronous Dynamic Random Access Memory)具备较大容量，但是为保证数据不丢失需要不停刷新，且体积较大，不适合用做便携化设计。为此需要通过一定的方法确定SRAM缓冲的大小。
Windows并不是一个严格的实时操作系统，所以在进行USB数据传输的过程中，操作系统的分时调度策略会给数据传输速率带来很大的影响。Windows的每个时间片长度约为20ms，如果要经过操作系统的调度，USB数据收发进程将会在占用中央处理器(CPU,Central Processing Unit)一个时间片之后就交出控制权，等待下次获得CPU控制权，从而导致数据收发速率的降低。
光谱仪以43Mbps的码速率通过LVDS传输图像数据。USB2.0高速方式的通讯速率最高可达到480Mbps。经测试发现，本系统实际达到的USB传输速度是230Mbps。这个速度完全满足系统通讯需求。但是由于Windows操作系统的分时调度策略和USB在操作系统中的低优先级，会导致某一时刻上位机读取数据的暂停。为了确保数据的完整性，需要将这一暂停时间内未被上位机读走的数据缓存起来。
USB芯片本身提供4K的端点缓冲。对于光谱仪检测台系统，这个缓冲覆盖的USB接口传输中断时间t＝0.73ms。计算如公式(1)，Sbuffer是自身缓存的大小，vwrite是数据写入缓存的速率：
在本发明中，如图2所示，光谱仪的数据持续的传送给FPGA，FPGA将其变换为并行数据送入DMA通道，CY7C68013A的DMA引擎首先将此数据流填写如4K缓冲区，USB端口以先进先出(FIFO)的方式从4K缓冲区中取走数据。如果PC一直在响应USB的通讯线程，4K的缓冲永远不会被填满，因为写入速率(43Mbps)远小于USB读出速率(480Msps)。但是如果Window不响应USB线程的时间超过0.73ms，4K缓冲区就会被填满。当这个4K缓冲区被填满时，CY7C68013A将产生一个Full-Flag，此信号用于通知外围设备(此处即FPGA)停止送数，否则数据将会丢失。观测Full-Flag信号就可以得知Windows对USB端口的响应情况。
事实上，Windows的不响应时间会超过0.73ms。Windows最大不响应USB任务的时间由系统高等级任务占用时间决定。通常网络任务和系统内核任务会占用较长时间。为保证数据不丢失，需要添加额外的缓存。确定缓存的大小就需要知道Windows不响应USB传输的最长时间。为此，设计了如图3所示的实验方案。
如图3所示：示波器探头连接USB控制器CY7C68013A的端点状态控制标志(Full-Flag)，同时将示波器设置为脉宽触发方式；通过FPGA编程，在FPGA内部例化出模拟LVDS接口的模拟数据源，数据速率与星载DOAS光谱仪LVDS接口速率一致；上位机软件通过USB接口读取模拟的LVDS接口数据。
图中FPGA提供43Mbps码速率的模拟数据源，用以模拟LVDS数据。上位机软件接收数据并存盘。测试时，将示波器的触发方式设为脉宽触发方式，使用单步触发模式监测CY7C68013的Full-Flag标志状态。通过由小到大调整触发脉宽的宽度直至不再产生触发。实验中发现打开带有视频文件的网页通常会带来最大不响应时间。这是由于Windows对网口传输事件的响应优先级更高。图4是当打开网页时，示波器监测到的Full-Flag的触发波形(触发脉宽的宽度设置为20ms)。每次实验中都会加入此类操作。
实验结果表明，当脉宽设置为120ms时，Windows进行如打开网页、播放视频等操作，连续48小时的数据传输都未能触发示波器。在不同的计算机中进行该测试，得到同样的结果。
为保证缓冲120ms以上的数据，结合数据写入速率vwrite，SRAM的容量S可由式(2)计算得知：
S＝vwrite×t＝43Mbps×120ms＝0.516MB (2)
为了确保足够的余量，硬件电路中的SRAM选择的是1MB容量。使用两片512×16的SRAM构成乒乓缓存。
图4中所示波形是USB接口控制器的缓存(也可叫端点或FIFO)状态标志Full-Flag的波形。示波器设置的脉冲触发宽度为20ms。图中高电平即Full-Flag为“1”，表示缓存为空；低电平即Full-Flag为“0”，表示Full-Flag为满。捕捉到的波形，表示操作系统中更高优先级的线程中断了USB传输线程，造成了USB数据传输中断，控制器缓存被LVDS数据填满，从而触发了示波器。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (3)

1.一种LVDS-USB接口转换装置，其特征在于：包括，LVDS接口模块、数据缓存模块和USB接口模块以及配套USB驱动程序；LVDS接口模块连接数据采集单元；USB接口模块连接数据接收单元；LVDS接口模块由差分驱动芯片和FPGA的串并转换单元组成，实现LVDS低压差分信号电平的转换、串转并功能，实现将LVDS接口格式数据转换为16位并行数据；数据缓存模块由FPGA缓存驱动单元和组成乒乓缓存的两片SRAM组成，实现数据乒乓缓存的功能；USB接口模块由FPGA缓存控制单元和USB接口控制器芯片组成，FPGA缓存控制单元根据USB控制器芯片内部缓存状态标志将SRAM中的数据写入USB接口缓存中，写入的数据通过上位机读取到计算机中；LVDS接口模块接收数据采集单元产生的数据并实现串行数据向并行数据的转换，数据缓存模块接收并行数据并实现数据缓存，USB接口模块接收数据缓存模块的并行数据并将其转换为串行的USB接口格式数据，驱动程序读取USB接口模块数据。
2.根据权利要求1所述的一种LVDS-USB接口转换装置，其特征在于：所述SRAM的缓冲大小确定方法如下：使用示波器的脉宽触发功能，监测USB接口控制器芯片本身缓存器的状态标志，同时在操作系统中不断进行打开网页、传递文件、打开本地文件操作，根据触发状态不断调整示波器的触发脉冲宽度，直至示波器不再被USB接口控制器芯片本身缓存器的状态标志信号触发，根据这一脉宽数值，结合数据采集单元的数据产生的平均速率即计算得到系统响应不及时而造成的数据溢出量。
3.根据权利要求1所述的一种LVDS-USB接口转换装置，其特征在于：所述LVDS-USB接口转换装置作为通用适配模块集成于配备LVDS接口的数据传输系统中，使得所述系统同时具备LVDS接口和USB接口传输功能。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN111090603A (zh) * 2019-12-31 2020-05-01 中国科学院合肥物质科学研究院 一种lvds转usb3.0适配器
CN113741305A (zh) * 2021-09-14 2021-12-03 北京航空航天大学 一种基于hdlc协议的同步422转usb模块和转换器

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