摘要：針對(duì)航天測(cè)控系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)、高速、遠(yuǎn)程的特點(diǎn)，本文提出了基于LVDS總線傳輸?shù)臏y(cè)控系統(tǒng)方案。文章詳細(xì)闡述了該系統(tǒng)的主要組成部分，同時(shí)對(duì)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)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(biāo)的驗(yàn)證通過上位機(jī)" title="上位機(jī)">上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析來實(shí)現(xiàn)。目前該系統(tǒng)在實(shí)際的工程應(yīng)用中得到了充分的驗(yàn)證，對(duì)LVDS總線在航天測(cè)控系統(tǒng)中的推廣起了示范性作用。?

關(guān)鍵詞：LVDS；遠(yuǎn)程傳輸；實(shí)時(shí)測(cè)控

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引言：

在火箭發(fā)射過程中，需要對(duì)一些溫度、液位等參數(shù)進(jìn)行測(cè)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(chǎng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行測(cè)量記錄，經(jīng)遠(yuǎn)程傳輸后傳給地面處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。面對(duì)各種遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)方式，如何提高測(cè)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信的可靠性、準(zhǔn)確性和及時(shí)性，及如何擴(kuò)大通信的距離，一直是遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研究的關(guān)鍵性問題。以往，在遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)中常采用RS422接口方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這種方式雖然能夠保證數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，但是它的信號(hào)擺幅較大，很難達(dá)到較高的傳輸速度，因此其實(shí)時(shí)性較差。因此，在本文中所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)總和測(cè)試臺(tái)" title="測(cè)試臺(tái)">測(cè)試臺(tái)采用了LVDS接口方式進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，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(shí)性。同時(shí)，本數(shù)據(jù)測(cè)試臺(tái)采用模塊化設(shè)計(jì)，提高了測(cè)試臺(tái)內(nèi)各模塊的可移植性，并簡(jiǎn)化了研發(fā)過程中的調(diào)試。?

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)：

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(hào)及液位傳感器輸出的RS485總線形式的測(cè)試數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)變成LVDS信號(hào)后驅(qū)動(dòng)150M長(zhǎng)電纜將數(shù)據(jù)傳送至測(cè)試計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)的傳輸速度為200Mb/S。為此，整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為三個(gè)部分：數(shù)據(jù)綜合測(cè)試臺(tái)、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(cè)控系統(tǒng)框圖?

1.1數(shù)據(jù)綜合測(cè)試臺(tái)：

?????? 在工作狀態(tài)下，數(shù)據(jù)綜合測(cè)試臺(tái)負(fù)責(zé)給外部傳感器供電，并采集傳感器輸出的緩變物理量信號(hào)和RS485信號(hào)；然后通過LVDS輸出接口把采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?50M遠(yuǎn)的測(cè)試計(jì)算機(jī)中。在自檢狀態(tài)下，數(shù)據(jù)綜合測(cè)試臺(tái)一方面模擬輸出傳感器的電信號(hào)，另一方面同時(shí)采集模擬傳感器輸出的緩變物理量信號(hào)和RS485信號(hào)；然后通過LVDS輸出接口把采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?50M遠(yuǎn)的測(cè)試計(jì)算機(jī)中。最后上位機(jī)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(gè)系統(tǒng)的工況。?

目前，測(cè)試臺(tái)的設(shè)計(jì)多采用整體化的設(shè)計(jì)，當(dāng)電路設(shè)計(jì)出現(xiàn)問題時(shí)需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行修正，容易造成資源的浪費(fèi)。為此，本數(shù)據(jù)綜合測(cè)試臺(tái)采用模塊化設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)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(cè)試臺(tái)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(hào)采集模塊及模擬量信號(hào)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(cè)試臺(tái)?

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(gè)菊花鏈?zhǔn)降木W(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，其中橋?lián)邏輯負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)依照模塊設(shè)定的地址傳輸?shù)侥繕?biāo)模塊。模擬采集模塊負(fù)責(zé)采集模擬信號(hào)，控制邏輯控制多路復(fù)用開關(guān)及16位A/D對(duì)多路模擬信號(hào)進(jìn)行分時(shí)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(hào)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(hào)，然后通過邏輯控制將信號(hào)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(hào)采集模塊通過中心控制模塊的橋聯(lián)邏輯接收上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在模塊內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，然后通過上位機(jī)的控制，通過接口電路發(fā)送RS485信號(hào)，同時(shí)，接收這種信號(hào)，再讀回到上位機(jī)，以檢測(cè)系統(tǒng)的工況。模擬信號(hào)源工作在數(shù)據(jù)綜合測(cè)試臺(tái)的自檢模式下，它接收上位機(jī)向下發(fā)送的模擬傳感器的波形數(shù)據(jù)信號(hào)，存儲(chǔ)在波形存儲(chǔ)器中，并在成功接收后將成功接收的信號(hào)反饋給上位機(jī)，然后接收上位機(jī)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(hào)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(cè)試臺(tái)通過LVDS發(fā)送過來的一部串行信號(hào)，采用FPGA解碼后，通過USB控制器轉(zhuǎn)換為USB接口傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理。此外，計(jì)算機(jī)可以通過該條線路的逆向傳輸將控制命令發(fā)送給遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)綜合測(cè)試臺(tái)。適配器還能接收一個(gè)外部啟動(dòng)信號(hào)，該信號(hào)用于控制測(cè)試臺(tái)對(duì)遠(yuǎn)程信號(hào)采集器輸入信號(hào)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(duì)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(jī)的通信任務(wù)，它既負(fù)責(zé)USB事務(wù)處理也兼具處理器的控制功能，以實(shí)現(xiàn)主機(jī)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(jiǎn)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(jī)的各種命令解析后發(fā)送給LVDS模塊，然后控制多功能測(cè)試臺(tái)上各個(gè)模塊的運(yùn)作。?

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圖3 LVDS-USB適配器?

1.3 中繼器：

由于雙絞線信號(hào)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?zhǔn)確性，在傳輸通路的中段采用中繼器對(duì)傳輸信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)恢復(fù)，使其達(dá)到更好的傳輸效果，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。中繼器采用線路均衡器對(duì)接收到的衰減信號(hào)進(jìn)行均衡恢復(fù)，然后通過帶有數(shù)據(jù)重定時(shí)鎖相環(huán)的中繼器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步恢復(fù)和增強(qiáng)，最后通過電纜驅(qū)動(dòng)芯片將數(shù)據(jù)向外發(fā)送。其中，中繼器帶有自動(dòng)速率選擇功能，通過對(duì)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(hào)的驅(qū)動(dòng)及均衡：LVDS具有低壓差分" title="差分">差分的特點(diǎn)，其較低的擺幅可滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅怯捎趥鬏斶^程中不可避免的衰減，使得LVDS不能兼具支持遠(yuǎn)程傳輸?shù)奶匦?，因此，在本設(shè)計(jì)中采用電纜驅(qū)動(dòng)器對(duì)要發(fā)送的LVDS數(shù)據(jù)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，同時(shí)采用自適應(yīng)電纜均衡器對(duì)經(jīng)過遠(yuǎn)程傳輸后的衰減信號(hào)進(jìn)行均衡恢復(fù)，從而有效改善了LVDS在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸方面的劣勢(shì)，有利于LVDS在航空測(cè)試領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。?

2.2 電磁兼容性設(shè)計(jì)：

1）電源的電磁兼容性設(shè)計(jì)：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(cè)試臺(tái)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(jì)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(jì)：LVDS的高速傳輸速率使得PCB板已不再是一個(gè)互相連線的簡(jiǎn)單集合，因此印制電路板的電磁兼容^[2]性設(shè)計(jì)的好壞深刻的影響著數(shù)據(jù)的傳輸性能。在本設(shè)計(jì)中，對(duì)信號(hào)線、時(shí)鐘信號(hào)線等頻率較高的信號(hào)線采用地線環(huán)繞保護(hù)措施，以提高EMC性能；對(duì)于LVDS差分信號(hào)線，采用緊密耦合的走線方式并盡量降低不平衡走線，同時(shí)在電路板上的LVDS走線中，各個(gè)LVDS差分線對(duì)之間采用多個(gè)返回地線，使返回路徑盡量靠近差分信號(hào)線對(duì)；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(shí)按信號(hào)的特性進(jìn)行分區(qū)，控制可能的交叉干擾；采用退耦電容的設(shè)計(jì)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(jì)：在數(shù)據(jù)綜合測(cè)試臺(tái)的設(shè)計(jì)中，所有的數(shù)據(jù)傳輸都是采用LVDS總線實(shí)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(zhǎng)線傳輸?shù)慕橘|(zhì)導(dǎo)線，均采用緊密耦合的差分線對(duì)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。由于差分線上的信號(hào)強(qiáng)度相等而方向相反（“奇數(shù)”模態(tài)），就意味著同軸的電場(chǎng)線相互抵消。這樣雖然電場(chǎng)有藕合的傾向，但這些藕合的電場(chǎng)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(chǎng)才可以逃逸到遠(yuǎn)場(chǎng)。因此，與單端線路相比，耦合差分信號(hào)能以TEM 波形式傳播開的電場(chǎng)能量要小得多。另外，在長(zhǎng)線傳輸中采用帶屏蔽的超五類雙絞線進(jìn)行傳輸，這樣能夠有效地傳送LVDS數(shù)據(jù)；同時(shí)在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，采用8bit/10bit編碼方式對(duì)傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(xì)闡述了遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集測(cè)控系統(tǒng)的研究與實(shí)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(shí)際可行性，為航天測(cè)控中低功耗設(shè)計(jì)提供了具體的解決方案。目前，本測(cè)試系統(tǒng)已成功應(yīng)用于航天遠(yuǎn)程測(cè)控領(lǐng)域。?

參考文獻(xiàn)

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