基于FPGA的LVDS高速數(shù)據(jù)通信卡設(shè)計

LVDS信號接收器接收外部的LVDS數(shù)據(jù)幀，檢出幀頭，并將幀數(shù)據(jù)傳送給雙口RAM進(jìn)行處理，一個數(shù)據(jù)幀包含32 bit的幀頭和256×32 bit的幀數(shù)據(jù)。接收的雙口RAM實現(xiàn)數(shù)據(jù)的乒乓存儲，寫數(shù)據(jù)的寬度為1 bit，讀數(shù)據(jù)的寬度為32 bit，以此來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換，同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)時鐘域的轉(zhuǎn)換。LVDS接收數(shù)據(jù)控制模塊用于產(chǎn)生雙口RAM和SDRAM控制器的地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線，實現(xiàn)各接收模塊聯(lián)合控制和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移，同時它還負(fù)責(zé)從SDRAM控制器讀取數(shù)據(jù)送至FPGA內(nèi)的FIFO緩沖區(qū)，用于PCI總線交互。
LVDS信號發(fā)送部分由LVDS發(fā)送數(shù)據(jù)控制、雙口RAM、FIFO緩沖、LVDS信號發(fā)送器和DDS控制器組成。LVDS發(fā)送數(shù)據(jù)控制用于產(chǎn)生各模塊的地址、數(shù)據(jù)和控制總線，實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移和交互。雙口RAM實現(xiàn)并串轉(zhuǎn)換和乒乓存儲。LVDS信號發(fā)送器為數(shù)據(jù)幀添加包頭，并連同幀數(shù)據(jù)以AD98 51產(chǎn)生的發(fā)送頻率串行發(fā)送出去。
另外，SDRAM控制器是FPGA內(nèi)用于外部SDRAM控制的模塊，PCI本地總線控制器是FPGA內(nèi)用于控制PCI9054本地總線交互的模塊，DDS控制器是FPGA內(nèi)用于外部AD9851控制的模塊。PLL是Ahera FPGA內(nèi)提供的模擬延遲鎖相環(huán)模塊，可以實現(xiàn)系統(tǒng)時鐘的倍頻、分頻及延遲等時鐘控制操作。通過該模塊可以實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)不同時鐘域的時鐘分配。

2 軟件設(shè)計
系統(tǒng)設(shè)備的驅(qū)動程序采用Windows下的WDM(Windows Driver Model)驅(qū)動程序。目前開發(fā)WDM驅(qū)動程序通常有3種工具，即Windows DDK、DriverStudio和WinDriver。由于DriverStudio包含完善的源代碼生成工具以及相應(yīng)的類庫和驅(qū)動程序樣本，提供了在VC++下進(jìn)行驅(qū)動程序開發(fā)的支持，因此設(shè)計中使用DdverStudio來開發(fā)WDM驅(qū)動程序。
設(shè)計的上層應(yīng)用程序采用Microsoft Virtual Studio作為開發(fā)平臺，通過MFC設(shè)計了人機(jī)交互界面，主要用于完成接收數(shù)據(jù)顯示存儲、發(fā)送數(shù)據(jù)載入、發(fā)送頻率控制字以及PCI控制命令等功能。其程序面板如圖4所示。

3 結(jié)果測試
在Ahium Designer 2009平臺上進(jìn)行板卡硬件原理圖和PCB圖設(shè)計，F(xiàn)PGA芯片采用Altera公司的EP1C6Q240C6，使用Quartus II 9．0開發(fā)系統(tǒng)實現(xiàn)編程和仿真，完成對電路設(shè)計的功能仿真和時序仿真。
在Quartus II中進(jìn)行引腳分配并編譯完工程后，將設(shè)計文件下載到FPGA的配置芯片中。在硬件上將LVDS的發(fā)送端和接收端連接以實現(xiàn)自發(fā)自收。在PC機(jī)的應(yīng)用程序中設(shè)置發(fā)送頻率為50 MHz，然后點擊“發(fā)送頻率控制字”按鈕發(fā)送頻率控制字，載入從0開始的連續(xù)累加數(shù)字，點擊“開始發(fā)送”按鈕發(fā)送數(shù)據(jù)，然后點擊“開始接收”按鈕接收數(shù)據(jù)。從圖4所示的發(fā)送與接收數(shù)據(jù)顯示可以發(fā)現(xiàn)，接收到的LVDS數(shù)據(jù)與發(fā)送的LVDS數(shù)據(jù)完全一致，系統(tǒng)的發(fā)送功能與接收功能符合設(shè)計要求。

4 結(jié)束語
介紹了基于FPGA和PCI9054的LVDS數(shù)據(jù)通信卡的設(shè)計，通過FPGA實現(xiàn)了LVDS數(shù)據(jù)的接收發(fā)送控制、PCI9054實現(xiàn)了與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)了10～200 Mbit·s-1速率的LVDS數(shù)據(jù)接收以及10～50 Mbit·s-1任意速率的LVDS數(shù)據(jù)發(fā)送。此板卡的設(shè)計，可以有效地應(yīng)用于某遙測模擬信號源，并對待測設(shè)備的LVDS總線協(xié)議進(jìn)行全面測試。