王红亮;曹京胜;陈一波
【摘 要】针对目前多数基于SFP光纤接口的高速传感器存储测试设备无法与频谱分析仪直接通信的现状,设计了一种基于FP GA的LVDS-光纤接口转换器.通过FP GA编程实现LVDS接口数据包和光纤接口数据包编码转换,利用DDR3对数据进行乒乓操作达到高速缓存目的,实现了频谱分析仪与高速存储测试设备间双工通信.经长时间实际测试没有出现误码,表明该转换器设计合理高效.%In view of the fact that most of the high-speed storage testing devices on sensors based on the SFP optical fiber in-terface can't communicate directly with the spectrum analyzer at present,a kind of LVDS-fiber interface converter based on FPGA was designed.The packet encoding conversion between LVDS interface and optical interface was realized by FPGA programming, and the data was Ping-Ponged by DDR3 to achieve the purpose of caching,which realized the duplex communication between the spectrum analyzer and the high-speed memory test equipment.After a long time test,there is not error code,indicating that the converter design reasonable and efficient.At present.
【期刊名称】《仪表技术与传感器》
【年(卷),期】2018(000)005
【总页数】4页(P35-38)
【关键词】LVDS接口;光纤接口;接口转换;高速接口;DDR3;乒乓操作
【作 者】王红亮;曹京胜;陈一波
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系统【作者单位】仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原 030051;仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原 030051;仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原 030051【正文语种】中 文
【中图分类】TP336
0 引言
随着光纤通信技术的普及，以及SFP(small Form-factor pluggable optical)光模块技术不断进步，光纤通信接口电路可以实现千米级长距离、吉比特传输带宽的高速数据传输，同时不受复杂电磁环境的干扰[1]，因此现代高速存储测试设备多数都开发了基于SFP的光纤通信接口。目前，多数频谱分析仪依靠高速LVDS(low voltage differential signaling)接口实现数据收发，这就给高速存储测试设备与频谱仪直接通信带来困难，但是直接更换这类型频谱仪造成巨大浪费。因此，设计一种转换器使LVDS接口直接与SFP光纤接口通信，实现不同数据包格式解析和打包，以提高设备间互通性，降低研发成本。
本文采用LVDS串并转换芯片和FPGA IP核，设计了一种LVDS接口和光纤接口转换器。同时利用FPGA可以灵活配置数据包格式的优点，在不改变硬件电路基础上，仅需调整硬件逻辑就可以接收或发送不同数据包格式数据，以满足不同设备通信需求。
1 系统设计
存储测试设备发出的光纤传输数据经LVDS-光纤接口转换卡采集编码后，数据以LVDS电平的形式输出给频谱分析仪端，反之亦可，该转换器方案如图1所示。该方案实现光纤接口和LVDS接口直接通信，利用一般LVDS接口的频谱仪就可以直接对测试设备进行数据分析。
图1 整体设计方案
1.1 主要硬件模块设计
基于FPGA的LVDS-光纤接口转换器硬件结构如图2所示，由FPGA、DDR3缓存芯片、LVDS数据发送芯片DS90CR485、LVDS数据接收芯片DS90CR486以及SFP光模块组成。系统采用Virtex-6系列XC6VLX240T芯片，该芯片具有丰富的逻辑资源，内部集成多个吉比特收发器，支持多种IP核，在高速采集领域表现出[2]。
图2 硬件结构框图
系统上电后，先初始化LVDS接口芯片，完成相关配置；当光纤链路初始化结束后，由系统自主判断数据流向。当数据由LVDS接口到光纤接口时，数据经DS90CR486解串，并写入DDR3缓存，同时光纤接口控制模块读出DDR3中缓存的数据，数据按照接口协议打包后通过光纤接口发送至光纤接收端。数据由光纤接口到LVDS接口过程类似，数据流通过光纤接口将数据发至FPGA，FPGA解包后将数据写入DDR3，LVDS发送控制模块同时读出DDR3中缓存的数据经过DS90CR485串化发送到LVDS电缆上。
1.1.1 LVDS模块电路设计
DS90CR485/DA90CR486是一组高速LVDS串并转换芯片，同时支持48路LVDS高速数据收发，最高速率可达6.384 Gbps，具有良好的直流平衡性，广泛应用于各类数据分析记录仪[3]。LVDS发送芯片DS90CR485通过FPGA提供100 MHz时钟，利用内部芯片锁相环最大程度降低时钟偏移，并通过差分对将时钟发送出去，而DS90CR486则利用DS90CR485提供的时钟进行数据解析，FPGA利用DS90CR486提供的时钟完成数据采集存储[2]。此外，DS90CR485和DS90CR486支持多种配置模式，如预加重、直流平衡等模式[4]，FPGA可以通过配置相关功能引脚实现不同功能，以满足不同场合传输需求。
LVDS接口芯片在和MDR接口通过8对差分数据对形式连接，MDR接口是一种专用高速差分对接口，这里为了保证信号完整性实现高速差分对数据传输，将每对差分阻抗控制在100 Ω，接口连接示意图如图3所示。
图3 LVDS接口连接示意图
1.1.2 光纤收发电路设计
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光纤接口光模块采用AGL10104A型SFP光模块。该模块中心波长850 nm，最大传输距离500 m，最大传输速率10 Gbps。与FPGA通过两对差分数据线实现高速数据收发。FPGA通过控制SFP_TX_DISABLE来控制SFP光模块工作状态，IIC_SDA和IIC_SCL用来与SFP模块内部控制器通信，SFP_TX_FAULT表示数据发送故障。其接口连接示意如图4所示。
烘手机图4 光纤接口连接示意图
1.2 逻辑程序设计
系统硬件逻辑程序设计主要完成系统初始化、系统工作状态自动识别、LVDS接口控制时序、DDR3缓存乒乓控制、Aurora 协议实现、8B/10B编码。系统上电后首先进行自检初始化，转接卡通过指示灯表示当前系统状态，如果各个模块正常则开始数据传输。
1.2.1 系统工作状态自动识别
本系统LVDS接口控制模块通过接口解析频谱分析仪数据包格式实现与频谱仪直接通信，系统初始化完成后，首先通过接口芯片配置管脚配置LVDS接口芯片工作模式，由于本系统应用场合只需要满足近距离高速传输即可，所以将LVDS接口芯片统一配置为非预加重直流平水塔水位控制
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衡模式。
系统配置完成后，系统自动检测硬件接口工作状态，本系统通过判断各个接口后端数据FIFO是否为空，实现接口工作状态判断。DS90CR486如果处于工作状态且光纤接口没有数据输入，则认为当前工作模式为LVDS接口到光纤接口。此时系统将LVDS接口数据解包，并按照光纤接口协议将数据打包写入DDR3缓存，同时将DDR3中缓存数据读出通过光纤将数据送出。如果DS90CR485处于工作状态，同时光纤接口有数据输出，则认为当前工作模式为，光纤接口到LVDS接口。
1.2.2 光纤接口通信控制
利用FPGA实现高速光口通信主要依靠GTX收发器，而Aurora协议可为私有上层协议或标准上层协议提供透明的串行互联协议，允许任何数据通过封装实现高速数据传输[5]。因此利用Aurora IP核可以满足系统任意数据包格式要求。排气歧管
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