一种LVDS-光纤接口转换器的设计与实现

Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ａｎｄ　Ｓｅｎｓｏｒ

仪表技术与传感器

２０１８　Ｎｏ．５　

一种ＬＶＤＳ－光纤接口转换器的设计与实现

王红亮，曹京胜，陈一波

（仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原　０３００５１）

　　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ＦＰＧＡ的ＬＶＤＳ－光纤接口转换器。通过ＦＰＧＡ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。关键词：ＬＶＤＳ接口；光纤接口；接口转换；高速接口；ＤＤＲ３；乒乓操作

中图分类号：ＴＰ３３６　　　文献标识码：Ａ　　　文章编号：１００２－１８４１（２０１８）０５－００３５－０４

ＤｅｓｉｇｎａｎｄＩｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆＬＶＤＳ⁃ＯｐｔｉｃａｌＦｉｂｅｒＩｎｔｅｒｆａｃｅＣｏｎｖｅｒｔｅｒ

（ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅ＆ＤｙｎａｍｉｃＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｔａｉｙｕａｎ０３００５１，Ｃｈｉｎａ）ｔｅｒｆａｃｅｃａｎ􀆳ｔｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅｄｉｒｅｃｔｌｙｗｉｔｈｔｈｅｓｐｅｃｔｒｕｍａｎａｌｙｚｅｒａｔｐｒｅｓｅｎｔ，ａｋｉｎｄｏｆＬＶＤＳ－ｆｉｂｅｒｉｎｔｅｒｆａｃｅｃｏｎｖｅｒｔｅｒｂａｓｅｄｏｎＦＰＧＡａｎｄｔｈｅｄａｔａｗａｓＰｉｎｇ⁃ＰｏｎｇｅｄｂｙＤＤＲ３ｔｏａｃｈｉｅｖｅｔｈｅｐｕｒｐｏｓｅｏｆｃａｃｈｉｎｇ，ｗｈｉｃｈｒｅａｌｉｚｅｄｔｈｅｄｕｐｌｅｘｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｓｐｅｃｔｒｕｍａｎａｌｙｚｅｒａｎｄｔｈｅｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄｍｅｍｏｒｙｔｅｓｔｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ａｆｔｅｒａｌｏｎｇｔｉｍｅｔｅｓｔ，ｔｈｅｒｅｉｓｎｏｔｅｒｒｏｒｃｏｄｅ，ｉｎｄｉｃａｔｉｎｇｔｈａｔｔｈｅｃｏｎｖｅｒｔｅｒｄｅｓｉｇｎｒｅａｓｏｎａｂｌｅａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｔ．Ａｔｐｒｅｓｅｎｔ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＬＶＤＳｉｎｔｅｒｆａｃｅ；ｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｉｎｔｅｒｆａｃｅ；ｉｎｔｅｒｆａｃｅｃｏｎｖｅｒｔｉｎｇ；ｈｉｇｈｓｐｅｅｄｉｎｔｅｒｆａｃｅ；ＤＤＲ３；Ｐｉｎｇ⁃Ｐｏｎｇｏｐｅｒａｔｉｏｎ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｖｉｅｗｏｆｔｈｅｆａｃｔｔｈａｔｍｏｓｔｏｆｔｈｅｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄｓｔｏｒａｇｅｔｅｓｔｉｎｇｄｅｖｉｃｅｓｏｎｓｅｎｓｏｒｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅＳＦＰｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｉｎ⁃

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ｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．ＴｈｅｐａｃｋｅｔｅｎｃｏｄｉｎｇｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎＬＶＤＳｉｎｔｅｒｆａｃｅａｎｄｏｐｔｉｃａｌｉｎｔｅｒｆａｃｅｗａｓｒｅａｌｉｚｅｄｂｙＦＰＧＡｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ，

０　引言

随着光纤通信技术的普及，以及ＳＦＰ（ｓｍａｌｌＦｏｒｍ⁃ｆａｃｔｏｒｐｌｕｇｇａｂｌｅｏｐｔｉｃａｌ）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（ｌｏｗｖｏｌｔａｇｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｓｉｇｎａｌｉｎｇ）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ＦＰＧＡＩＰ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

收稿日期：２０１７－０６－３０

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领域表现出色［２］。

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集成多个吉比特收发器，支持多种ＩＰ核，在高速采集

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控制模块读出解串ＤＤＲ３，并写入中缓存的数据ＤＤＲ３缓存，数据按照接口协，同时光纤接口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数据经过ＤＳ９０ＣＲ４８５发送控制模块同时读出串化发送到ＬＶＤＳＤＤＲ３电缆上中缓存的。１．１．１　转换芯片ＤＳ９０ＣＲ４８５ＬＶＤＳ模块电路设计

，同时支持／ＤＡ９０ＣＲ４８６４８路ＬＶＤＳ是一组高速高速数据收发ＬＶＤＳ，串并

最高速率可达６．３８４Ｇｂｐｓ，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］

ＤＳ９０ＣＲ４８５。ＬＶＤＳ发送芯片

芯片锁相环最大程度降低时钟偏移通过ＦＰＧＡ提供１００ＭＨｚ，并通过差分对将时钟，利用内部时钟发送出去，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

等模式

ＤＳ９０ＣＲ４８６［４］

，ＦＰＧＡ支持多种配置模式可以通过配置相关功能引脚实现不，如预加重、直流平衡同功能，以满足不同场合传输需求。

据对形式连接ＬＶＤＳ接口芯片在和，ＭＤＲ接口是一种专用高速差分对接ＭＤＲ接口通过８对差分数

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１００Ω，接口连接示意图如图３所示。

１．１．２　光纤接口光模块采用光纤收发电路设计

ＡＧＬ１０１０４Ａ型ＳＦＰ光模块。

该模块中心波长８５０ｎｍ，最大传输距离５００ｍ，最大传输速率１０Ｇｂｐｓ。与ＦＰＧＡ通过两对差分数据线实现高

图３　ＬＶＤＳ接口连接示意图

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发送故障模块内部控制器通信。其接口连接示意如图，ＳＦＰ＿ＴＸ＿ＦＡＵＬＴ４所示。

表示数据图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　本系统系统工作状态自动识别

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将数据送出缓存，。同时将如果ＤＳ９０ＣＲ４８５ＤＤＲ３中缓存数据读出通过光纤处于工作状态，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。

　第５期

１．２．２　光纤接口通信控制

王红亮等：一种ＬＶＤＳ－光纤接口转换器的设计与实现

　３７　

发送数据时，ＡＸＩ４总线将ＵＤＰ数据包解析出来的有效数据送至ＡｕｒｏｒａＩＰ核的ＰＣＳ子层（ＰｈｙｓｉｃａｌＣｏｄｉｎｇＳｕｂ⁃ｌａｙｅｒ物理编码子层），按照８Ｂ／１０Ｂ编码形式编码，编码完成后将数据通过ＴＸ发送端发送。接收数据时和发送数据类似，区别在于ＧＴＸ的发送端和接收端功能独立，因此光纤数据首先进入ＧＴＸ接收端，然后进入１．２．３　ＤＤＲ３缓存乒乓控制

ＰＣＳ子层解码，最终将数据上传至测试设备上位机。

为了匹配ＬＶＤＳ接口和光纤接口数据速率，同时

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ＡｕｒｏｒａＩＰ核可以满足系统任意数据包格式要求。

ＡｕｒｏｒａＩＰ核内部组成如图５所示，它包括高速收

发器链路逻辑，用于初始化ＧＴＸ收发器，并且完成数据编码、数据解码以及错误检测。全局逻辑用于组合、校验以及初始化各个链路并完成Ａｕｒｏｒａ协议的封装，用户收发接口用于控制ＡｕｒｏｒａＩＰ核读写数据，完成链路数据收发

［６］

式两种数据传输方式

。Ａｕｒｏｒａ［５］

，本系统采用基于ＩＰ核支持流格式和帧格

形式的全双工帧格式传输数据。数据链路位宽为两ＡＸＩ４总线

个字节，线上传输速度为３．１２５Ｇｂｐｓ，采用８Ｂ／１０Ｂ编码形式对数据编码，因此实际理论数据速率为２．５Ｇｂｐｓ，传输率完全满足要求。

图５　ＡｕｒｏｒａＩＰ结构框图

基于ＡＸＩ４总线形式的ＡｕｒｏｒａＩＰ核写操作主要按照图６所示时序完成写操作。首先将帧头标志信号ＴＸ＿ＤＡＴＡ＿ＳＯＦ＿ＶａｉｌｄＴＸ＿ＤＡＴＡ＿Ｖａｉｌｄ拉低，１个时钟周期后将拉低，同时将数据有效信号ＴＸ＿ＤＡＴＡ＿ＳＯＦＴＸ＿ＤＡＴＡ拉高始发送帧数据，一帧数据发送结束后保持低，表示一帧数据开始，将数据包帧尾，之后开标志信号ＴＸ＿ＤＡＴＡ＿ＥＯＦ拉低１个时钟周期之后拉高，在拉高ＴＸ＿ＤＡＴＡ＿ＥＯＦ的同时将ＴＸ＿ＤＡＴＡ＿Ｖａｉｌｄ拉高，表示一帧数据结束。ＡｕｒｏｒａＩＰ核读操作与写操作类似，其时序如图７所示。

图６　ＡｕｒｏｒａＩＰ数据写操作时序图

图７　ＡｕｒｏｒａＩＰ数据读操作时序图

为了最大限度提高系统传输效率，采用ＤＤＲ３进行数据缓存。ＤＤＲ３－ＳＤＲＡＭ读写控制采用了ＭＩＧＩＰ核，ＭＩＧＳＤＲＡＭＩＰ核主要通过为了进一步提高芯片完成数据缓存ＦＰＧＡ芯片中的［７］ＭＣＢ硬核与外部ＤＤＲ３缓存效率。

，对ＤＤＲ３进行

了乒乓操作，ＤＤＲ３乒乓操作的实现，具体是将ＤＤＲ３存储芯片均分为４个２５０Ｍｂ的域，这样对应地址为０２９９９９９９９，３０００００００～９９９９９９９，１０００００００首先写入第１区域，～～１９９９９９９９，２０００００００～第３９９９９９９９。１区域写满后开始读第在执行乒乓操作时１区域同时开始写第２区域，依次按顺序读写，这样ＤＤＲ３控制器的读地址和写地址不会重叠，组成乒乓结构，完成乒乓操作。这样可以极大提高缓存效率，ＤＤＲ３执行乒乓操作的读写工作状态如图８所示。

图８　ＤＤＲ３工作状态示意图

２　实验验证

本系统测试利用１台高速存储测试记录仪、１台

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Ｍａｙ．２０１８　

频谱仪，以及１块转接卡进行功能验证与测试。测试过程中首先利用高速存储测试记录仪发送两路相位相同、幅值相等、频率为１０ＭＨｚ正弦信号，通过光纤接口将数据发送至转接卡，转接卡收到数据后，将数据解析通过ＬＶＤＳ接口发送至ＦＳＶ频谱分析仪，如图所示９，通过观察频谱分析仪中正弦波频谱波形（如图９（ａ）所示），分析可知，频谱仪接收到的正弦波频率为１０ＭＨｚ，通过时域波形观察分析（如图９（ｂ）所示），波形平滑没有出现波形跳变现象，证明该转接卡没有出（ａ）时域波形

现数据乱码。由此证明该转接卡由光纤接口到ＬＶＤＳ接口转接功能正常。

（ａ）时域波形

（ｂ）频域波形

图９　频谱仪时域及频域波形

反之，利用ＦＳＶ系频谱仪发送１０ＭＨｚ正弦波，由高速存储测试记录仪接收该正弦波，测试结果如图１０所示，通过高速存储测试记录仪上位机软件观测时域波形（如图１０（ａ）所示），正弦波波形光滑证明该转换器没有出现误码，该正弦波频谱如图１０（ｂ）所示，分析可知该正弦波频率为１０ＭＨｚ，由此证明该转接卡由ＬＶＤＳ经过上述测试表明接口到光纤接口转接功能正常，该转换卡能够实现。

ＬＶＤＳ接

口到光纤接口数据通信，也可以实现由光纤接口而到ＬＶＤＳ目标。

接口数据通信，表明该转接卡达到了预期设计（ｂ频域波形

图１０　记录仪时域及频域波形

３　结束语

本文介绍了一种基于ＦＰＧＡ的ＬＶＤＳ－光纤接口转换器的整个设计过程，具有可靠性高、误码率低、操作方便等优点，实践证明，该转换器可以应用于ＬＶＤＳ接口与光纤接口通信领域，增强了设备间的互通性，可以节约设备研发成本。

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接口的高速数据记录器的设计［Ｄ］．作者简介：王红亮（１９７８—），副教授，博士，主要研究领域为测

试系统集成，高速采集，超声成像。Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｗａｎｇｈｏｎｇｌｉａｎｇ＠曹京胜（１９９１—），硕士研究生ｎｕｃ．ｅｄｕ．ｃｎ．，主要研究领域为高速

数字电路及总线技术。