基于LVDS的高速大容量數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

郭炳++郭振鐸++張猛

摘 要 針對(duì)數(shù)字圖像傳輸遇到的瓶頸問(wèn)題，本文提出了一種新的解決方法，采用集串、解串、二次集串、二次解串和均衡等技術(shù)，利用LVDS信號(hào)特性，借助采集板、集串板、解串板、處理板構(gòu)建一個(gè)LVDS高速大容量數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證了圖像的實(shí)時(shí)傳輸。

【關(guān)鍵詞】集串 解串 均衡 LVDS

1 引言

在某光電圖像處理系統(tǒng)中，需要把cameralink接口數(shù)字相機(jī)輸出圖像通過(guò)滑環(huán)從艙外傳輸?shù)脚搩?nèi)，相機(jī)輸出的是11對(duì)LVDS差分信號(hào)。圖像傳輸存在如下問(wèn)題：

（1）LVDS數(shù)據(jù)傳輸最遠(yuǎn)距離為10m；

（2）滑環(huán)上供信號(hào)傳輸?shù)慕涌谟邢蓿?/p>

（3）信號(hào)過(guò)滑環(huán)很容易受到干擾。

常用處理方法有三種：一是轉(zhuǎn)換為光纖傳輸，二是轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)傳輸，三是通過(guò)中繼傳輸。這三種方法都能實(shí)現(xiàn)圖像傳輸，同時(shí)也都有一定的不足。光纖傳輸需要有接收光端機(jī)和發(fā)送光端機(jī)，價(jià)格昂貴，成本高，額外增加重量，給安裝帶來(lái)了諸多不便，不利于集成化小型化一體化設(shè)計(jì)。網(wǎng)絡(luò)傳輸對(duì)滑環(huán)要求比較高，在數(shù)據(jù)量小的情況下網(wǎng)絡(luò)傳輸比較穩(wěn)定，一旦數(shù)據(jù)量變大，網(wǎng)絡(luò)傳輸會(huì)出現(xiàn)信號(hào)部分丟失。不同的傳輸距離需要的中繼數(shù)量不同，如果傳輸距離遠(yuǎn)，則需要多個(gè)中繼參與才能實(shí)現(xiàn)，中繼傳輸需要經(jīng)過(guò)多次轉(zhuǎn)換，并且安裝也不方便。為此本文提出了一種新的解決方法，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證了圖像的實(shí)時(shí)傳輸。

2 系統(tǒng)原理與組成

LVDS信號(hào)能在差分PCB線對(duì)或平衡電纜上以400Mbps的速率傳輸，其低電壓和低電流驅(qū)動(dòng)輸出實(shí)現(xiàn)了低噪聲、低功耗、低誤碼率、低串?dāng)_和低輻射等。標(biāo)準(zhǔn)的最高數(shù)據(jù)傳輸速率是655Mbps，理論上在一個(gè)無(wú)衰耗的傳輸線上LVDS的最高傳輸速率可達(dá)1.923Gbps。因此可以應(yīng)用在高速傳輸數(shù)據(jù)能力的系統(tǒng)中。傳統(tǒng)的LVDS傳輸距離一般不超過(guò)十米。由于電纜是有損耗的傳輸線，會(huì)使信號(hào)產(chǎn)生失真和畸變，傳輸會(huì)出現(xiàn)大幅衰減，經(jīng)由電纜傳送的低電壓差分信號(hào)同樣也會(huì)出現(xiàn)衰減情況。

未解決上述問(wèn)題，本文利用LVDS信號(hào)特性，借助集串板、解串板、處理板、采集板構(gòu)建一個(gè)LVDS高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的實(shí)時(shí)傳輸。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)把相機(jī)輸出的11對(duì)LVDS差分信號(hào)首先送至采集板，采集板里把信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后分三路輸出，一路直接輸出進(jìn)行數(shù)字顯示，一路傳輸至處理板進(jìn)行跟蹤處理并顯示，一路送至集串板，集串板接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行集串處理，把11對(duì)LVDS差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為1對(duì)LVDS差分信號(hào)后送至解串板，解串板進(jìn)行解串處理，把1對(duì)LVDS差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為11對(duì)LVDS差分信號(hào)，然后再送到采集板，采集板里把信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后分兩路輸出，一路直接輸出進(jìn)行數(shù)字顯示，一路傳輸至處理板進(jìn)行跟蹤處理并顯示。整個(gè)系統(tǒng)組成如圖1所示。

3 功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在整個(gè)系統(tǒng)中，采集板和處理板都是采用成熟技術(shù)，并且這兩部分都是用于功能驗(yàn)證。系統(tǒng)的核心在集串板和解串板，集串和解串都需要自適應(yīng)均衡處理，因此系統(tǒng)的關(guān)鍵是集串、解串和均衡。

本系統(tǒng)輸入的cameralink接口數(shù)字圖像點(diǎn)陣大小為640×512，刷新頻率為100hz，數(shù)據(jù)位寬為10位，數(shù)據(jù)流量不超過(guò)320Mbps，數(shù)據(jù)傳輸率均滿足要求。

數(shù)字相機(jī)輸出的11對(duì)差分信號(hào)經(jīng)過(guò)采集板處理后送至集串板進(jìn)行解碼，把11對(duì)LVDS電平的信號(hào)轉(zhuǎn)換為28位TTL電平的數(shù)字圖像、1路時(shí)序信號(hào)、6路控制信號(hào)等輸入到FPGA電路里進(jìn)行各種處理，處理后的信號(hào)首先經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路，增強(qiáng)信號(hào)的傳輸能力，然后利用集串器把35個(gè)TTL電平的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為4對(duì)LVDS電平的差分信號(hào)，MAX9207是一個(gè)很強(qiáng)大的集串器件，它能夠把10位TTL電平的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為1對(duì)LVDS電平的串行數(shù)據(jù)，信號(hào)能夠以660Mbps通過(guò)電路板或者雙絞線傳輸，能夠很方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。采用MAX9207進(jìn)行集串處理，數(shù)據(jù)帶寬完全能夠滿足實(shí)際使用要求。4對(duì)LVDS信號(hào)再經(jīng)過(guò)DS32ELX0421電路采用集成的直流平衡編碼技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)集成，該集串器可以同時(shí)把5對(duì)LVDS差分?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)和1對(duì)LVDS差分時(shí)鐘信號(hào)集成為1對(duì)LVDS差分信號(hào)傳輸出去，能夠最大限度地減少信號(hào)的數(shù)量。經(jīng)過(guò)二次集串處理，數(shù)字圖像最終轉(zhuǎn)換為1對(duì)LVDS差分信號(hào)。整個(gè)集串處理如圖2所示。

均衡處理采用CLC012，它具有二級(jí)自適應(yīng)濾波器單元，能自適應(yīng)地對(duì)不同長(zhǎng)度的電纜和雙絞線進(jìn)行均衡，CLC012的抖動(dòng)極低，能夠?yàn)閿?shù)據(jù)鏈路提供了很寬的噪聲容限。CLC012均衡器從波形中回收信號(hào)，并將它恢復(fù)到適當(dāng)電壓電平。CLC012的原理如圖3所示。均衡后的圖像可以直接經(jīng)過(guò)同軸電纜從電路板向外傳輸，這里設(shè)計(jì)的電纜長(zhǎng)度為30m。

解串板通過(guò)同軸電纜接收到信號(hào)之后首先經(jīng)過(guò)高速驅(qū)動(dòng)器CLC005驅(qū)動(dòng)同軸電纜進(jìn)行信號(hào)增強(qiáng)，經(jīng)直流耦合后把均衡處理后的1對(duì)LVDS差分信號(hào)首先進(jìn)行解串，數(shù)字通道圖像首先經(jīng)過(guò)DS32ELX0124把1對(duì)LVDS差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為4對(duì)LVDS差分信號(hào)。DS32ELX0124采用直流平衡解碼使能技術(shù)把1路LVDS差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為5路LVDS差分?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)和1路時(shí)鐘差分信號(hào)，DS32ELX0421和DS32ELX0124是集串和解串的配對(duì)模塊。一個(gè)用來(lái)集串，一個(gè)用來(lái)解串。這里采用1路DS32ELX0124把數(shù)字通道數(shù)據(jù)解串為4路LVDS差分信號(hào)，然后通過(guò)4路二次解串電路MAX9208轉(zhuǎn)換為35路TTL電平的數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)信號(hào)增強(qiáng)信號(hào)的傳輸能力，驅(qū)動(dòng)后的TTL信號(hào)就可以直接用于圖像處理。如圖4所示。

經(jīng)過(guò)上述采集、集串、自適應(yīng)均衡、解串等處理，系統(tǒng)就完成了圖像數(shù)據(jù)的傳輸。

4 驗(yàn)證

把相機(jī)對(duì)準(zhǔn)同一個(gè)固定目標(biāo)，本系統(tǒng)可以有一下幾種驗(yàn)證方法：

（1）用采集板同時(shí)直接觀察傳輸前后的圖像，看是否有變化；

（2）把傳輸前后的圖像同時(shí)送到處理板的DSP片內(nèi)，進(jìn)行跟蹤處理，觀察傳輸前后脫靶量的變化情況是否一致；

（3）把傳輸前和傳輸后的圖像同時(shí)傳輸?shù)教幚戆錐PGA里，對(duì)同一時(shí)刻的像素求差的絕對(duì)值的累加和，看每場(chǎng)的累加和是否為0。

采用三種方法驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，處理前和處理后的圖像效果均保持一致，沒(méi)有變化。這說(shuō)明在30m長(zhǎng)的同軸電纜中，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的圖像傳輸完全能夠滿足使用要求。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

郭炳（1982-），現(xiàn)為中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所工程師，主要從事光電圖像處理。

郭振鐸（1982-），現(xiàn)為中原工學(xué)院電子信息學(xué)院講師，主要研究方向?yàn)閳D像處理技術(shù)及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)應(yīng)用。

張猛，現(xiàn)為中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所工程師，主要從事光電圖像處理裝備制造。

作者單位

1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所 河南省鄭州市 450047

2.中原工學(xué)院 河南省鄭州市 450047