基于MLVDS 接口電路在波控系統(tǒng)中的應(yīng)用

王相昂，馬詩(shī)洋，劉悅，李永佳

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇無(wú)錫 214072）

波控系統(tǒng)的主要任務(wù)是在滿足雷達(dá)的環(huán)控條件下，根據(jù)雷達(dá)控制的指令完成對(duì)天線陣面波束合成的實(shí)時(shí)控制[1]，主要負(fù)責(zé)將移相碼、衰減碼、控制碼等波控碼和相關(guān)時(shí)序信號(hào)實(shí)時(shí)分配轉(zhuǎn)發(fā)給TR 組件、延時(shí)放大組件等微波組件，實(shí)現(xiàn)天線波束的電控掃描。

相控陣?yán)走_(dá)的有源通道數(shù)，與傳統(tǒng)雷達(dá)相比較有較大增加，在一般機(jī)載雷達(dá)中通道數(shù)量達(dá)1 000～2 000[2-3]。所以信號(hào)的傳輸通常使用總線的方式，進(jìn)而降低板間連接器與線纜的數(shù)量及重量，而總線的選擇，通常選用RS422 總線[4]。該設(shè)計(jì)選用MLVDS作為通信總線，MLVDS 作為多點(diǎn)LVDS，可以驅(qū)動(dòng)多個(gè)收發(fā)器實(shí)現(xiàn)總線的互聯(lián)應(yīng)用，其具有高傳輸速率、低功耗和低噪聲的特點(diǎn)[5]。波控單元的主控芯片有較多選擇，例如FPGA、ASIC 等，相比較于ASIC 而言，F(xiàn)PGA 的程序可隨意更改，以便適應(yīng)多變的應(yīng)用環(huán)境和系統(tǒng)參數(shù)。在航天領(lǐng)域中，通常SRAM 型FPGA 抗單粒子翻轉(zhuǎn)的能力較差，而反熔絲FPGA 本身對(duì)輻照免疫，可靠性較高，在航天領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛[6-8]。早期國(guó)內(nèi)外航天器所需的FPGA 產(chǎn)品均來(lái)自美國(guó)的Actel 公司，而當(dāng)前為應(yīng)對(duì)西方對(duì)我國(guó)的技術(shù)封鎖和核心元器件禁運(yùn)，亟需實(shí)現(xiàn)反熔絲FPGA 產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化[9-11]。

該設(shè)計(jì)中采用中國(guó)電科58 所的反熔絲FPGA 型號(hào)為JRT54SX72A 作為控制器，MLVDS 接口采用中國(guó)電科58 所宇航級(jí)芯片JRMLVD201，完成多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種波控單元設(shè)計(jì)。

1 波控系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

該文設(shè)計(jì)的波控單元通信主要由RS422接收器、FPGA 控制器、MLVDS 總線接口及電源組成。模擬主控將波控碼和時(shí)序信號(hào)以RS422 差分信號(hào)形式送入波控單元的RS422 接收器。RS422 接收器將波控碼和時(shí)序差分信號(hào)轉(zhuǎn)換成單端信號(hào)送給FPGA 控制器；FPGA 控制器完成串/并轉(zhuǎn)換后，校驗(yàn)判斷波控碼的正確性，正確的數(shù)據(jù)進(jìn)行多路分發(fā)到ASIC 組件中，錯(cuò)誤數(shù)據(jù)被丟棄，并告知主控重新下發(fā)碼值。為了驗(yàn)證該波控單元的功能，設(shè)計(jì)了測(cè)試系統(tǒng)，主要由模擬主控、波控、ASIC 組件組成，連接關(guān)系如圖1 所示。所謂ASIC 組件是指在很多微波組件中，組件控制芯片是定制的ASIC，與射頻芯片集成在TR組件內(nèi)[12-13]。

圖1 波控系統(tǒng)信號(hào)流框圖

由于微波組件的數(shù)量較多，因而時(shí)序信號(hào)采用總線的形式以降低電纜的數(shù)量和整機(jī)質(zhì)量，通常選用RS422 總線；在工程上RS422 接口芯片作為總線時(shí)，最多驅(qū)動(dòng)8 個(gè)器件，且只能傳輸單向信號(hào)，而該波控單元產(chǎn)生的MLVDS 信號(hào)以總線形式傳輸，每個(gè)MLVDS 芯片驅(qū)動(dòng)16 個(gè)ASIC 組件，并且可以傳輸雙向信號(hào)。

MLVDS 支持多節(jié)點(diǎn)互連的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可提供較高的數(shù)據(jù)傳輸速率(理論上高達(dá)500 Mb/s)和更低的功耗[14]；該設(shè)計(jì)依托某星載項(xiàng)目，考慮主備芯片交叉?zhèn)浞?，單路?shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)16 個(gè)組件，其中CLK 為單向信號(hào)，DATA 為雙向信號(hào)，就波控系統(tǒng)而言，考慮冷備份單路只需要4 顆JRMLVD201 芯片。波控單元MLVDS 接口冷備份方案如圖2 所示。

圖2 波控單元MLVDS接口冷備份方案

波控單元板卡采用冷備份方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，所以系統(tǒng)只能對(duì)主機(jī)或者備機(jī)單獨(dú)上電。波控單元通過(guò)板載連接器和對(duì)外甩線的方式與組件通信。根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸線理論，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾始斑h(yuǎn)近除了選定合適的電平類型，驅(qū)動(dòng)芯片，還有傳輸載體及傳輸線的選取[15-16]。該設(shè)計(jì)的線纜采用等長(zhǎng)雙絞線加屏蔽的方式，同時(shí)選擇高速低損耗的傳輸材質(zhì)。

2 MLVDS接口硬件電路設(shè)計(jì)

JRMLVD201 是抗輻射多點(diǎn)低壓差分信號(hào)（MLVDS）驅(qū)動(dòng)器和接收器，相比LVDS 標(biāo)準(zhǔn)TIA/EIA-644，MLVDS 標(biāo)準(zhǔn)增加了多點(diǎn)應(yīng)用。驅(qū)動(dòng)器輸出支持的最小負(fù)載可達(dá)30 Ω，同時(shí)具備冷備份功能。

圖3為JRMLVD201硬件設(shè)計(jì)圖，其中包括發(fā)送給TR 組件的數(shù)據(jù)信號(hào)TR_DATA、時(shí)鐘信號(hào)TR_CLK、模式控制信號(hào)RE、DE，其中CLK 與DATA 信號(hào)均由FPGA 控制產(chǎn)生，并經(jīng)JRMLVD201 轉(zhuǎn)換成MLVDS 差分信號(hào)送給各微波組件，RE、DE 信號(hào)通過(guò)TTL 電平加BUFFER 后，直接發(fā)送給各ASIC 組件。

圖3 JRMLVD201電路圖

波控單元發(fā)給各ASIC 組件的控制信號(hào)采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式，這是為了保證分發(fā)給各微波組件的數(shù)據(jù)能同時(shí)到達(dá)，保證布相時(shí)間的一致性。波控單元發(fā)給各微波組件的時(shí)序控制及數(shù)據(jù)信號(hào)采用MLVDS 總線的形式，設(shè)計(jì)的每路MLVDS 總線掛載16 個(gè)微波組件即“1 拖16”結(jié)構(gòu)，這樣做的目的是為了控制電纜的數(shù)量和整機(jī)重量。

設(shè)計(jì)中的MLVDS 應(yīng)用半雙工鏈路，即在相同總線中包含多個(gè)驅(qū)動(dòng)器與多個(gè)接收器，端接電阻器位于總線的兩端。在該拓?fù)渲斜仨毑捎秒p端接地，以支持位于整個(gè)傳輸線路中不同點(diǎn)的多個(gè)驅(qū)動(dòng)器。由于這兩個(gè)端接電阻以并聯(lián)形式連接，因此多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)器所能看到的有效電阻為50 Ω，其計(jì)算公式如式（1）所示：

根據(jù)傳輸線理論，當(dāng)負(fù)載阻抗等于傳輸線特征阻抗時(shí)，入射波才能被負(fù)載完全吸收不會(huì)產(chǎn)生信號(hào)反射，為此在連接多個(gè)MLVDS 接收器的“總線式”通信拓?fù)渲?，需要在最遠(yuǎn)一個(gè)接收器的前端并接一個(gè)820 Ω終端匹配電阻，使得16 個(gè)組件得到最佳的匹配電阻約50 Ω。

3 MLVDS總線打碼方式設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)中由于ASIC 組件數(shù)量較多，波控單元的FPGA 打碼信號(hào)線與實(shí)際的ASIC 組件連線不是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)關(guān)系，通過(guò)將組編號(hào)與通道號(hào)設(shè)置成相應(yīng)的映射關(guān)系，這種關(guān)系為矩陣映射關(guān)系。這樣就牽涉到信號(hào)線的復(fù)用，通過(guò)MLVDS 電平傳輸CLK/DATA 與RE/DE 信號(hào)，以二維矩陣的控制方式選擇具體通道。

圖4 中橫軸為復(fù)用的16 個(gè)RE/DE 通道，縱軸為7 組CLK/DATA 通道。當(dāng)要選擇具體通道時(shí)，使能相應(yīng)的RE/DE 通道和CLK/DATA 通道即可，例如圖中所選擇的打碼/回讀通道為67 通道。

圖4 通道選擇矩陣控制圖

在ASIC 組件進(jìn)行打碼之前，首先需要把ASIC芯片設(shè)置為接收狀態(tài)，如圖5 中的RE 與DE 分別設(shè)置為1 和0；同樣與ASIC 組件相連接的用于傳輸數(shù)據(jù)和時(shí)鐘的JRMLVD201 芯片的RE 信號(hào)設(shè)置為1，DE 信號(hào)設(shè)置為1，這樣MLVDS 信號(hào)才可以用于向外傳輸數(shù)據(jù)，回讀過(guò)程與之相反。

圖5 ASIC組件打碼回讀波形圖

4 測(cè)試分析

測(cè)試平臺(tái)配備一塊模擬主控板，通過(guò)RS422 接口發(fā)送遙控指令，波控板收到遙控?cái)?shù)據(jù)后，提取有效打碼信息，最后把打碼數(shù)據(jù)下發(fā)給相應(yīng)的ASIC 組件。模擬主控板通過(guò)網(wǎng)口與上位機(jī)通信，由PC 機(jī)經(jīng)以太網(wǎng)網(wǎng)口使用UDP/TCP 協(xié)議下發(fā)控制命令，通過(guò)RS422 下發(fā)到波控板，再經(jīng)過(guò)MLVDS 接口到各個(gè)ASIC 組件，該波控單元的測(cè)試系統(tǒng)如圖6 所示。

圖6 測(cè)試實(shí)物圖

圖7 上位機(jī)界面

PC 機(jī)的功能是通過(guò)網(wǎng)口接收并顯示測(cè)試主板統(tǒng)計(jì)的波控系統(tǒng)接收的遙控包數(shù)和通道打碼狀態(tài)信息，帶寬為1 000 Mb/s。上位機(jī)界面有自動(dòng)打碼和手動(dòng)打碼兩種選擇，有誤碼率和誤碼次數(shù)的統(tǒng)計(jì)。在測(cè)試的過(guò)程中，上位機(jī)負(fù)責(zé)生成隨機(jī)碼，由模擬主控通過(guò)RS422 送入波控單元。波控單元中RS422 接口通信模塊用于收發(fā)管理，再由FPGA 負(fù)責(zé)提取報(bào)文中的打碼信息和對(duì)ASIC 組件進(jìn)行回讀校驗(yàn)，并記錄組件的打碼狀態(tài)。

為了對(duì)MLVDS 總線數(shù)據(jù)傳輸速率和帶載能力進(jìn)行評(píng)估，在上位機(jī)界面選擇不同打碼間隔時(shí)間，從而計(jì)算出一定時(shí)間內(nèi)上位機(jī)下發(fā)的數(shù)據(jù)量，即可計(jì)算出傳輸速率。通過(guò)插拔后端ASIC 組件數(shù)量來(lái)控制MLVDS 帶載能力。

測(cè)試方法如下：該測(cè)試系統(tǒng)中1-7 組的ASIC 組件數(shù)量均為16 個(gè)，持續(xù)測(cè)試時(shí)長(zhǎng)為2 h，若在2 h 的測(cè)試中上位機(jī)界面沒(méi)有出現(xiàn)誤碼觸發(fā)，則此組可達(dá)到目前設(shè)置的測(cè)試速率，后續(xù)繼續(xù)縮短打碼時(shí)間間隔增加測(cè)試速率，直到上位機(jī)出現(xiàn)誤碼觸發(fā)，以此記錄當(dāng)前組最大傳輸速率。

由于在PCB 上的1-7 組走線長(zhǎng)度各不相同，因此各組之間速率會(huì)有差異，從圖8-11 可以看出，數(shù)據(jù)傳輸速率穩(wěn)定在10～20 Mb/s 之間，實(shí)現(xiàn)從波控單元到ASIC 組件“1 拖16”結(jié)構(gòu)通信。當(dāng)波控單元到ASIC 組件甩線長(zhǎng)度為1 000 mm 時(shí)，其中速率最高可達(dá)18.7 Mb/s；當(dāng)線長(zhǎng)為500 mm 時(shí)，速率最高可達(dá)20.32 Mb/s；當(dāng)線長(zhǎng)為250 mm 時(shí)，速率最高可達(dá)22.3 Mb/s。

圖8 線長(zhǎng)1 500 mm時(shí)各組傳輸速率測(cè)試曲線

圖9 線長(zhǎng)1 000 mm時(shí)各組傳輸速率測(cè)試曲線

圖10 線長(zhǎng)500 mm時(shí)各組傳輸速率測(cè)試曲線

圖11 線長(zhǎng)250 mm時(shí)各組傳輸速率測(cè)試曲線

5 結(jié)論

該文基于MLVDS 接口電路作為總線傳輸設(shè)計(jì)的波控單元，采用反熔絲FPGA 作為主控制器[17-18]，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)該波控單元通過(guò)1 拖16 線纜傳輸，傳輸距離為1 000 mm 時(shí)，傳輸速率可達(dá)18.7 Mb/s，板卡總功耗僅為1.5 W；該設(shè)計(jì)可滿足一般相控陣?yán)走_(dá)上波控單元的使用需求。相比較RS422 接口芯片為總線傳輸，采用MLVDS 總線接口，可使得波控單元設(shè)計(jì)尺寸、質(zhì)量、芯片數(shù)量均有所降低。