基于LVDS技术的实时图像测试装置的设计

　　摘   要： 针对弹载图像采集设备与地面测试台之间大量实时图像数据高速传输的问题，提出了采用LVDS技术与FPGA相结合的解决方案，详细介绍了实时图像数据传输部分的硬件组成及工作原理。实验结果表明,该方案的数据传输速度达到20 MB/s，很好地满足了实时图像数据发送和接收的速度要求。

　　目前在一些弹载设备中，由于采集的实时图像数据量很大，因此在其与地面测试台进行数据传输时需要很高的传输速率。传统的图像数据传输方法存在很大的局限性。比如，物理层接口无法满足数据的传输速度；由于传输通道的增多引起传输导线数量的增加导致系统功耗、噪声也随之增大等。低电压差分信号传输技术(LVDS)为解决这一问题提供了可能。

　　1 LVDS技术简介

　　LVDS技术的核心是采用极低的电压摆幅高速差动传输数据，可以实现点对点或一点对多点的连接，具有低功耗、低误码率、低串扰和低辐射等特点，其传输介质可以是铜质的PCB连线，也可以是平衡电缆。LVDS在对信号完整性、低抖动及共模特性要求较高的系统中得到了越来越广泛的应用[1]。

　　图1为LVDS器件单工通信基本原理框图。它由一个驱动器、差分互连单元和一个接收器组成。驱动器和接收器主要完成信号电平和传输方式转换，它不依赖于特定的供电电压，很容易迁移到低压供电的系统中去，而性能不变。互连单元包含电缆、PCB上差分导线对以及匹配电阻。

　　2  系统总体方案设计

　　系统采用USB接口电路实现计算机与FPGA的数据传输，以LVDS串行器与解串器构建实时图像的发送与接收电路。系统的原理框图如图2所示。

　　系统的工作原理为：计算机将控制命令及实时图像数据经由USB接口发送给FPGA，FPGA将实时图像数据部分存储到高速SRAM，然后根据控制命令将SRAM中数据传送给LVDS串行器；另外，FPGA还需将回读的实时图像数据以20 MB/s的速度经由USB接口发送给计算机进行处理。[page]

　　3 系统结构组成及其实现

　　3.1 USB接口实现

　　本系统所使用的USB单片机选用Cypress公司开发的EZ-USB FX2芯片CY7C68013。该芯片集成了51单片机内核、USB2.0收发器、串行接口引擎(SIE)、4 KBFIFO存储器以及通用可编程接口等模块，这些模块则保证了CY7C68013可与外围器件实现无缝的、高速的数据传输[2]。用户在使用该单片机与外围设备进行数据传输时，只需直接利用GPIF接口来实现与外围设备之间的逻辑连接，就可以进行高速数据的传输。CY7C68013的GPIF接口有16位数据线，6个RDY信号和6个CTL信号。其中RDY信号为等待信号，GPIF可连续采样RDY信号。通常用来等待指定信号的某个状态出现，以确定GPIF下一步动作。CTL信号为控制输出信号。通常用作选通信号、非总线输出信号以及产生简单的脉冲信号[3]。 CY7C68013在高速模式下,发送数据的码率可达到480 Mb/s，因此可将20 MB/s的实时图像数据实时地传送给计算机[2]。

　　本系统的USB传输部分主要实现将计算机发出的控制命令及实时图像数据发送给FPGA，并将回读的实时图像数据发送给计算机。计算机发送的命令信号通过CY7C68013的PE端口传送给FPGA，实时图像数据通过CY7C68013的GPIF接口发送给FPGA或上传给计算机。由于USB与FPGA的传输速度不一致，所以还应在FPGA中设置两个软FIFO，分别用于图像数据的上传与下发。

　　3.2 LVDS数据发送与接收部分

　　本系统采用美国TI公司的10位总线型LVDS芯片SN65LV1023A和SN65LV1224A实现实时图像的高速数据传输和回采。两者发送和接收10 bit并行数据的速率在10 MHz~60 MHz之间。由于数据在并串转换时，SN65LV1023A会自动加上1位起始位和1位停止位,则串行数据发送的实际速率为120 Mb/s~792 Mb/s之间。LVDS串行器和解串器都需一个外部时钟。只有这两个外部时钟频率同步时，串行器和解串器才能正常通信。利用FPGA内部时序逻辑，完全能够解决工作时钟频率同步的问题。

　　实时图像发送及接收电路如图3所示。FPGA根据计算机控制命令先从高速SRAM中读取1 B的数据，然后的将该字节外加两位的识别位共10位的并行实时图像数据输出到SN65LV1023A，再将转化后的高速串行差分信号经高速电缆驱动器CLC006驱动后远程传输。CLC006能在最高400 Mb/s数据速率下驱动75 Ω传输线，还具有可控的输出信号上升沿和下降沿时间，能使传输引入的抖动最小。通过调整R25/R27和R26/R28的阻值为驱动器提供正常输入信号。其值大小参考芯片资料接口连接部分选择，它随其输入电平类型及阻抗传输线而改变。驱动器的信号输出幅度随着Rext-H与Rext-L间电阻值的增大而增大。为了实现信号的最优化传输，将Rext-H与Rext-L之间电阻R36接为10 k?赘的可调电阻，根据实际情况调节R36阻值实现输出信号幅度范围的调整。

　　由于传输线对信号有损耗，而且容易产生信号失真、畸变和码元串扰等,本系统采用了自适应电缆均衡器CLC014对远程传输后接收到的数据进行均衡。CLC014具有同轴电缆和双绞线的自动均衡、载波检测与输出静音功能,适用数据速率范围为50 Mb/s~650 Mb/s，且具有极低的抖动性能。

　　LVDS接收器在内部虽然提供了针对输入悬空、输入短路以及输入不匹配等情况下的可靠性设计，但是当驱动器三态或LVDS接收器没有连接到驱动器上时，连接电缆会产生天线效应，此时LVDS接收器就有可能开关或振荡。为避免此种情况的发生，传输电缆采用双绞屏蔽电缆；另外在电路设计上外加上拉和下拉电阻来提高LVDS接收器的噪声容限。图3中的R31为100 Ω的匹配电阻，R32和R30分别为提高噪声容限的上拉和下拉电阻，阻值为1.5 kΩ。

　　FPGA主要通过控制LVDS串行器的TCLK、TCLK_R/F引脚以及LVDS解串器的RCLK、RCLK_R/F引脚实现数据的发送与接收。具体实现方法为：TCLK、RCLK引脚由FPGA分配同一时钟(时钟频率为20 MHz)，在时钟的上升沿，FPGA先将从高速SRAM中读取的1 B的数据发送出去，另外在FPGA接收到1 B的数据后，先将其存入内部FIFO中，当FIFO中的数据达到512 B后通知USB单片机读取数据，然后发送到计算机。[page]

　　4 实验结果

　　图4与图5分别为系统以20 MB/s的速度发送和接收的一帧512×512 B(每字节表示一个像素点)图像数据,分析结果表明发送与接收的图像数据完全一致，满足系统的设计要求。

　　采用LVDS技术与FPGA相结合的方法，实现了弹载图像采集设备与地面测试台之间高速数据传输，系统的传输速率可达到20 MB/s,并且提高了系统的可靠性和集成度。另外，整个系统的时序均由FPGA控制实现，具有很强的重构性。本设计已成功应用于某CCD图像采集设备的测试中，系统工作性能稳定。

　　参考文献

　　[1]     王冰,靳学明.LVDS 技术及其在多信道高速数据传输中的应用[J]. 电子技术应用,2003,29(3):55-57.

　　[2]     林刚勇,马善农,许邦莲.CY7C68013在数据传输中的应用[J].微计算机信息, 2007(10):76-78.

　　[3]     徐志军,徐光辉.CPLD/FPGA 的开发与应用[M]. 北京: 电子工业出版社, 2002.

　　[4]     张国雄,测控电路[M].北京:机械工业出版社,2006.