摘要：針對航天測控系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)傳輸實時、高速、遠程的特點，本文提出了基于LVDS總線傳輸?shù)臏y控系統(tǒng)方案。文章詳細闡述了該系統(tǒng)的主要組成部分，同時對所涉及的關(guān)鍵技術(shù)進行了理論探討并提出相應(yīng)的工程解決方案。該系統(tǒng)最終技術(shù)指標的驗證通過上位機" title="上位機">上位機對數(shù)據(jù)的實時分析來實現(xiàn)。目前該系統(tǒng)在實際的工程應(yīng)用中得到了充分的驗證，對LVDS總線在航天測控系統(tǒng)中的推廣起了示范性作用。?

關(guān)鍵詞：LVDS；遠程傳輸；實時測控

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引言：

在火箭發(fā)射過程中，需要對一些溫度、液位等參數(shù)進行測量，然而由于所處環(huán)境常為較為惡劣的環(huán)境，因此就需要在現(xiàn)場對這些信號進行測量記錄，經(jīng)遠程傳輸后傳給地面處理器對數(shù)據(jù)進行分析處理。面對各種遠程監(jiān)測方式，如何提高測控系統(tǒng)遠程通信的可靠性、準確性和及時性，及如何擴大通信的距離，一直是遠程測控系統(tǒng)設(shè)計和研究的關(guān)鍵性問題。以往，在遠程測控系統(tǒng)中常采用RS422接口方式進行數(shù)據(jù)傳輸，這種方式雖然能夠保證數(shù)據(jù)遠程傳輸?shù)臏蚀_性，但是它的信號擺幅較大，很難達到較高的傳輸速度，因此其實時性較差。因此，在本文中所設(shè)計的數(shù)據(jù)總和測試臺" title="測試臺">測試臺采用了LVDS接口方式進行系統(tǒng)設(shè)計，這樣可以有效的提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，從而提高通信的及時性。同時，本數(shù)據(jù)測試臺采用模塊化設(shè)計，提高了測試臺內(nèi)各模塊的可移植性，并簡化了研發(fā)過程中的調(diào)試。?

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計：

本系統(tǒng)所要完成的主要功能有：采集傳感器輸出的多路緩變物理量信號及液位傳感器輸出的RS485總線形式的測試數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)變成LVDS信號后驅(qū)動150M長電纜將數(shù)據(jù)傳送至測試計算機，數(shù)據(jù)的傳輸速度為200Mb/S。為此，整個系統(tǒng)的設(shè)計分為三個部分：數(shù)據(jù)綜合測試臺、中繼器" title="中繼器">中繼器以及LVDS-USB適配器（如圖1所示）。?

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圖1 數(shù)據(jù)采集測控系統(tǒng)框圖?

1.1數(shù)據(jù)綜合測試臺：

?????? 在工作狀態(tài)下，數(shù)據(jù)綜合測試臺負責給外部傳感器供電，并采集傳感器輸出的緩變物理量信號和RS485信號；然后通過LVDS輸出接口把采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?50M遠的測試計算機中。在自檢狀態(tài)下，數(shù)據(jù)綜合測試臺一方面模擬輸出傳感器的電信號，另一方面同時采集模擬傳感器輸出的緩變物理量信號和RS485信號；然后通過LVDS輸出接口把采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?50M遠的測試計算機中。最后上位機通過讀回的數(shù)據(jù)就可以判斷自檢是否正常，從而判斷整個系統(tǒng)的工況。?

目前，測試臺的設(shè)計多采用整體化的設(shè)計，當電路設(shè)計出現(xiàn)問題時需要對整個系統(tǒng)進行修正，容易造成資源的浪費。為此，本數(shù)據(jù)綜合測試臺采用模塊化設(shè)計，這種設(shè)計方式結(jié)合橋聯(lián)邏輯提高了各模塊之間的可移植性及控制的靈活性。該測試臺由中心控制模塊、模擬量采集模塊" title="采集模塊">采集模塊、數(shù)字信號采集模塊及模擬量信號源模塊四部分組成（如圖2所示）。?

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圖2 數(shù)據(jù)綜合測試臺?

中心控制模塊的功能是把各種功能的模塊通過LVDS總線連接起來，構(gòu)成一個菊花鏈式的網(wǎng)絡(luò)拓撲，其中橋聯(lián)邏輯負責把數(shù)據(jù)依照模塊設(shè)定的地址傳輸?shù)侥繕四K。模擬采集模塊負責采集模擬信號，控制邏輯控制多路復(fù)用開關(guān)及16位A/D對多路模擬信號進行分時服用采集，然后通過LVDS發(fā)送接口發(fā)送到中心控制模塊。數(shù)字信號采集模塊完成量方面的任務(wù)：首先，在工作模式下采集傳感器發(fā)送的RS485信號，然后通過邏輯控制將信號有LVDS發(fā)送接口發(fā)送到中心控制模塊；其次，在自檢模式下，數(shù)字信號采集模塊通過中心控制模塊的橋聯(lián)邏輯接收上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲在模塊內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲器中，然后通過上位機的控制，通過接口電路發(fā)送RS485信號，同時，接收這種信號，再讀回到上位機，以檢測系統(tǒng)的工況。模擬信號源工作在數(shù)據(jù)綜合測試臺的自檢模式下，它接收上位機向下發(fā)送的模擬傳感器的波形數(shù)據(jù)信號，存儲在波形存儲器中，并在成功接收后將成功接收的信號反饋給上位機，然后接收上位機的控制，通過16位的D/A將波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成高精度波形向外發(fā)送，為模擬采集模塊提供自檢用模擬信號輸入。 ?

1.2 LVDS-USB適配器：

?????? LVDS-USB適配器適配器的主要功能是接收從測試臺通過LVDS發(fā)送過來的一部串行信號，采用FPGA解碼后，通過USB控制器轉(zhuǎn)換為USB接口傳輸給計算機進行存儲和處理。此外，計算機可以通過該條線路的逆向傳輸將控制命令發(fā)送給遠程數(shù)據(jù)綜合測試臺。適配器還能接收一個外部啟動信號，該信號用于控制測試臺對遠程信號采集器輸入信號的接收（如圖3所示）。該適配器采用Xilinx公司的可編程邏輯器件（FPGA）XC2S100作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊的主控制器，執(zhí)行對LVDS模塊以及緩存模塊的操作；利用CY7C68013完成由并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為USB串行數(shù)據(jù)的工作，并完成與PC機的通信任務(wù)，它既負責USB事務(wù)處理也兼具處理器的控制功能，以實現(xiàn)主機和USB設(shè)備間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。在CY7C68013與FPGA之間增加了輸入/輸出緩存，簡化了FPGA的讀寫控制命令，使系統(tǒng)工作更為可靠。FPGA將上位機的各種命令解析后發(fā)送給LVDS模塊，然后控制多功能測試臺上各個模塊的運作。?

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圖3 LVDS-USB適配器?

1.3 中繼器：

由于雙絞線信號傳輸方式為有損傳輸方式，因此為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性，在傳輸通路的中段采用中繼器對傳輸信號進行增強恢復(fù)，使其達到更好的傳輸效果，保證數(shù)據(jù)的準確性。中繼器采用線路均衡器對接收到的衰減信號進行均衡恢復(fù)，然后通過帶有數(shù)據(jù)重定時鎖相環(huán)的中繼器對數(shù)據(jù)進行進一步恢復(fù)和增強，最后通過電纜驅(qū)動芯片將數(shù)據(jù)向外發(fā)送。其中，中繼器帶有自動速率選擇功能，通過對速率選擇配置電阻的配置，其可適應(yīng)4種不同的數(shù)據(jù)傳輸速率，提高了中繼器的可操作性及移植性。?

2、關(guān)鍵技術(shù)：

2.1 LVDS信號的驅(qū)動及均衡：LVDS具有低壓差分" title="差分">差分的特點，其較低的擺幅可滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，但是由于傳輸過程中不可避免的衰減，使得LVDS不能兼具支持遠程傳輸?shù)奶匦?，因此，在本設(shè)計中采用電纜驅(qū)動器對要發(fā)送的LVDS數(shù)據(jù)進行驅(qū)動，同時采用自適應(yīng)電纜均衡器對經(jīng)過遠程傳輸后的衰減信號進行均衡恢復(fù)，從而有效改善了LVDS在遠程數(shù)據(jù)傳輸方面的劣勢，有利于LVDS在航空測試領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。?

2.2 電磁兼容性設(shè)計：

1）電源的電磁兼容性設(shè)計：AC/DC電源模塊中的各部件之間和部件與外殼之間都存在寄生電容，這些寄生電容是產(chǎn)生共模電流的主要原因，將AC/DC電源模塊的殼地接至綜合測試臺的殼地可以很好的消除共模電流產(chǎn)生的影響。另外，在AC/DC電源模塊的輸出端設(shè)計了抑制低頻和高頻干擾的電容網(wǎng)絡(luò)，能夠有效的抑制AC/DC電源模塊輸出干擾。?

2）印制電路板的電磁兼容性設(shè)計：LVDS的高速傳輸速率使得PCB板已不再是一個互相連線的簡單集合，因此印制電路板的電磁兼容^[2]性設(shè)計的好壞深刻的影響著數(shù)據(jù)的傳輸性能。在本設(shè)計中，對信號線、時鐘信號線等頻率較高的信號線采用地線環(huán)繞保護措施，以提高EMC性能；對于LVDS差分信號線，采用緊密耦合的走線方式并盡量降低不平衡走線，同時在電路板上的LVDS走線中，各個LVDS差分線對之間采用多個返回地線，使返回路徑盡量靠近差分信號線對；采用最短走線的原則，以降低天線效應(yīng)，防止無意發(fā)射或接收電磁干擾；布線時按信號的特性進行分區(qū)，控制可能的交叉干擾；采用退耦電容的設(shè)計以濾除高頻噪聲。?

3）數(shù)據(jù)傳輸過程中的電磁兼容性設(shè)計：在數(shù)據(jù)綜合測試臺的設(shè)計中，所有的數(shù)據(jù)傳輸都是采用LVDS總線實現(xiàn)的。無論是在電路板上印制導(dǎo)線、電路板與接插件的連接導(dǎo)線，還是長線傳輸?shù)慕橘|(zhì)導(dǎo)線，均采用緊密耦合的差分線對進行數(shù)據(jù)的傳輸。由于差分線上的信號強度相等而方向相反（“奇數(shù)”模態(tài)），就意味著同軸的電場線相互抵消。這樣雖然電場有藕合的傾向，但這些藕合的電場被“約束”住了，無法以TEM 波的形式從導(dǎo)體周圍傳播出去。只有非同軸的電場才可以逃逸到遠場。因此，與單端線路相比，耦合差分信號能以TEM 波形式傳播開的電場能量要小得多。另外，在長線傳輸中采用帶屏蔽的超五類雙絞線進行傳輸，這樣能夠有效地傳送LVDS數(shù)據(jù)；同時在傳輸數(shù)據(jù)時，采用8bit/10bit編碼方式對傳送的數(shù)據(jù)進行編碼，對數(shù)據(jù)進行直流平衡，從而通降低外界的電磁干擾。?

3、結(jié)論：

本文詳細闡述了遠程實時數(shù)據(jù)采集測控系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)，論證了LVDS低壓差分傳輸方式向航天領(lǐng)域推廣應(yīng)用的實際可行性，為航天測控中低功耗設(shè)計提供了具體的解決方案。目前，本測試系統(tǒng)已成功應(yīng)用于航天遠程測控領(lǐng)域。?

參考文獻

[1] MIKE Noonen. LVDS Owner’s Manual [DB/OL]. National Semiconductor，2004?

[2] Mark l.Montrose，電磁兼容和印刷電路板理論、設(shè)計和布線，第2版，人民郵電出版社，2003，2-16?