1、基于 FPGA 的 LVDS 转千兆以太网适配器的设计及应用 张云毅 王煜 常振 邱晓晗 田禹泽 张泉 林方 王文誉 鲁月林 中国科学院安徽光学精密机械研究所 中国科学技术大学 摘 要： 星载光谱仪的数据接口为 LVDS 接口, 为快速地将其转换为地面民用设备, 设计了 LVDS 转千兆以太网适配器。适配器采用 FPGA 为主控芯片, 接收光谱仪发送的串行的图像数据, 并将其封装为以太网帧格式, 然后通过网口芯片传输给上位机;同时适配器接收上位机发送的命令数据, 并转发给光谱仪。实验结果表明, 适配器在传输速率为 43 Mbit/s 时, 连续运行 48 h, 误码率为 0, 在实验室条件和自
2、然条件下均能稳定传输数据, 可作为光谱仪的转换接口。关键词： 电子学; 数据传输; FPGA; LVDS (Low Voltage Differential Signalling) ; Gigabit Ethernet; UDP; 作者简介：张云毅 (1993-) , 男, 汉族, 河南辉县人, 中国科学技术大学硕士研究生, 主要研究方向光电子技术, 数据通信技术, ;作者简介：王煜 (1971-) , 男, 汉族, 北京人, 合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所研究员, 主要研究方向为 CCD 成像技术、光电子技术, 。收稿日期：2016-10-18基金：国家自然科学基金项目 (4127
3、5037) Design and Application of an LVDS to Gigabit Ethernet Adapter Based on FPGAZHANG Yunyi WANG Yu CHANG Zhen QIU Xiaohan TIAN Yuze ZHANG Quan LIN Fang WANG Wenyu LU Yuelin Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences; Abstract： Satellite-borne spectrometers use LVDS i
4、nterface, in order to transform them into industrial equipments, a LVDS to Gigabit Ethernet adapter was designed.The adapter uses FPGA as its main control chip, it receives serial image data sending from spectrometers, and encapsulates them into Ethernet frame formet, then transmits them to upper mo
5、nitor through Ethernet chips; at the same time, the adapter receives commands from the upper monitor, and transmits them to the spectrometer.The test result shows that after running 48 hours at the rate of 43 Mbit/s, the bit error ratio of the adapter is 0, it can can transmit data steadily in both
6、laboratory condition and natural condition, and can be used for interface conversion for spectrometers.Keyword： electronics; data transmission; FPGA; LVDS (Low Voltage Differential Signalling) ; Gigabit Ethernet; UDP; Received： 2016-10-18成像光谱仪是同时采集图像信息和图像中各点光谱信息的设备, 多用于大气探测、地质选矿、航空测绘等领域。同时在工业排放检测、发动
7、机尾焰分析等工业领域以及实验室的科研设备中也有应用。在航空航天领域, 成像光谱仪作为星载和机载设备, 将图像数据输出给卫星平台和飞机数据存储平台1。目前通行的标准是低电压差分信号 LVDS (Low-Voltage Differential Signaling) 同步串行数据总线。在民用领域, 光谱仪通常连接上位机, 其常用的连接方式为采集卡、USB 和以太网。本课题所属课题组长期以来从事成像光谱仪成像电路的研制, 已形成多种星载和机载光谱仪产品。针对目前工业领域和科研仪器的需求, 计划在已有航空航天产品的基础上研制成像光谱仪的民用检测设备和科研设备。在民用领域的 3种连接方式中, 采集卡和
8、USB 的传输距离相对较短, 适用于实验室环境, 而在工业现场环境中多采用以太网线连接方式, 为此设计了 LVDS 转千兆以太网适配器。1 系统概况1.1 性能指标项目中用到的 CCD 成像电路传输数据的速率为 43 Mbit/s172 Mbit/s, 所以适配器的数据传输速率应大于 172 Mbit/s, 因此采用千兆以太网。由于成像电路的数据传输连续且速率固定, 当传输协议采用传输控制协议 TCP (Transmission Control Protocol) 时, 若传输过程中丢失数据包, 该协议要求重发丢失的数据包, 这时需要在适配器中开辟很大的缓冲区, 也会导致传输时间不可控, 且
9、TCP 协议的开销很大, 也会降低有效的数据传输速率2。当采用用户数据报协议 UDP (User Datagram Protocol) 时, 虽然有可能丢失数据包3, 但适配器的应用场合是点对点传输, 电缆连接和电磁环境固定不变, 误码可控, 即使图像数据出现数据错误的现象, 数据包也有校验功能, 将对应的数据包舍弃, 并不影响测量结果, 因此本设计采用 UDP 协议。1.2 整体设计系统整体如图 1 所示。图 1 系统整体结构图 下载原图适配器接收成像电路发送的串行 LVDS 数据, 经数据缓冲、UDP/IP 协议封装后送入介质访问控制 MAC (Media Access Control)
10、芯片, 此时 MAC 芯片会将 IP数据包按 MAC 帧格式送入物理层 PHY (PHYsical layer) 芯片, 经以太网口输出到上位机。同时上位机发送曝光时间、工作模式等控制命令, 该命令由 MAC芯片接收后送入现场可编程门阵列 FPGA (Field-Programmable Gate Array) , FPGA 将其解码并通过通用异步收发传输器 UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) 模块转为异步串行数据经 RS-422 总线发送给成像电路。除此之外, 成像电路将 CCD 的工作温度等状态信息也通过 RS-422 总线
11、发送给适配器, 适配器将其转换为 UDP 数据包发送给上位机。2 硬件电路设计2.1 方案设计方案设计中有 3 种方案可供选择, 如表 1 所示。表 1 方案描述 下载原表 综合考虑性能要求、研发成本和研发周期等因素, FPGA+MAC+PHY 的方案既能实现大于 172 Mbit/s 的传输速率, 又能满足研发成本低和研发周期短的要求, 因此本设计采用该方案。2.2 芯片选型适配器通过 Xilinx 公司生产的 FPGA 驱动 MAC 芯片和 PHY 芯片实现数据传输功能。FPGA 为 Spartan3 系列的 XC3S400-208, 它有 40 万系统门, 288 kbit 的Block
12、 RAM, 264 个 I/O 口, 116 对差分信号 I/O 口7, 可以满足系统设计需求。MAC 层芯片为亚信电子的 AX88180, 该芯片为类 SRAM 接口, 有 16 位和 32 位两种工作模式, 支持 10/100/1000 Mbit/s 3 种速率, 嵌入了 32 kbyte 的接收缓冲区和 8 kbyte 的发送缓冲区, 支持 TCP/UDP/IP 功能, 并能计算校验和, 可以为 FPGA 减负8。PHY 芯片为 Realtek 公司生产的 RTL8211E-VB-CG, 支持 10/100/1 000 Mbit/s 3 种速率, 具有自动协商功能与交叉检测和自动校正功能
13、, 与 MAC 芯片通过RGMII 接口通信9。3 硬件逻辑设计硬件逻辑由 Verilog 语言编写, 共分为 3 个模块:图像数据接收模块、UDP/IP模块及 UART 模块。3.1 图像数据接收模块图像数据接收模块分为串并转换模块和数据缓冲模块两部分。串并转换模块将串行的 LVDS 图像数据转换为 16 bit 的并行数据, 然后存入数据缓冲模块。LVDS 即低电压差分信号, 是美国国家半导体公司在 1994 年提出的一种信号传输模式。LVDS 是一种电平标准, 这种技术的核心是采用极低的电压摆幅高速差动传输数据, 可以实现点对点或一点对多点的连接。LVDS 技术用于简单的线路驱动器和接收
14、器物理层器件10。光谱仪的 LVDS 总线是一种同步串行总线, 由 3 个信号, 6 根线 (3 组差分线对) 构成。类似串行外设接口 SPI (Serial Peripheral Interface) 总线, 但是是单向传输11。该模块接收数据的时序图如图 2 所示。图 2 数据接收时序图 下载原图图像数据接收模块在 Frame 信号为低电平时, 每个 CLK 的上升沿读取一位数据。由于每个图像的像元为 16 bit, 因此每读满 16 bit 数据便存入数据缓冲模块。考虑到 LVDS 信号的传输速率为 43 MHz, 而适配器系统时钟为 50 MHz, 所以设计了一个数据缓冲模块来负责信号
15、跨时钟域的传输。数据缓冲模块由两个双端口 RAM 组成, 写端口位宽为 16 bit, 读端口位宽为 32 bit, 采用乒乓缓存策略, 当一个 RAM 写满之后才发送读使能信号, 此时新接收的数据存入另一个 RAM。由于读操作的速率和位宽都大于写操作, 所以并不会出现 RAM 还没读完就有新数据写入的情况, 这样就避免了对一块存储区域的同时读写, 从而避免异步时序中冲突等问题。3.2 UDP/IP 模块UDP/IP 模块是适配器的核心部分, 考虑到该模块既要完成与其他模块以及 MAC芯片通讯的硬件接口功能, 又要完成初始化 MAC 芯片、地址解析协议 ARP (Address Resolut
16、ion Protocol) 协商、协议包的封装与解析等逻辑功能, 并且这些逻辑功能又依赖于上述的硬件接口功能, 因此引入了级层的概念, 即上级的功能通过调用下级来实现, 使其逻辑更清晰、代码更简洁。该模块分为 3个级层, 分别为端口级、功能级和状态级。各级之间的关系如图 3 所示。图 3 UDP/IP 模块层次图 下载原图3.2.1 端口级端口级实现的是与 MAC 芯片通信、与 UART 模块通信的功能以及从数据缓冲模块中读取数据的功能, 这些功能实现较为简单, 重点是需要满足读写时序的要求。为了便于上层模块的调用, 端口级均用 Verilog 语言中的 task 来实现设计复用。3.2.2
17、功能级功能级通过调用端口级, 完成了芯片初始化、功能配置、ARP 协商、数据接收和发送等功能。芯片初始化的内容主要包括复位芯片、等待复位完成和设置MAC 地址。功能配置包括配置 PHY 芯片工作模式、等待自动协商完成、配置 MAC芯片工作模式、使能 RX/TX 功能以及开中断。ARP 协商用于建立适配器与上位机的通信链路, 数据接收与发送用于传输图像数据与控制信息。数据发送和接收流程如图 4 所示。3.2.3 状态级状态级由一个状态机负责 UDP/IP 模块的整体调度。FPGA 首先进入初始化状态完成对 MAC 芯片和 PHY 芯片的初始化及功能配置, 之后 FPGA 进入等待 ARP 状态。
18、当接收到来自上位机的 ARP 查询包时, FPGA 将保存上位机的 IP 地址和 MAC 地址, 然后进入回复 ARP 状态, 将自己的 IP 地址和 MAC 地址通过一个 ARP 回复包发送给上位机。至此, 适配器与上位机的通信链路已经连接成功, 可以开始传输数据。在数据传输过程中, FPGA 首先进入图像数据查询状态, 若没有发现图像数据则直接进入以太网包查询状态;若发现有图像数据, 便进入图像数据发送状态, 将图像数据从数据缓冲模块中读出并通过网口发送至上位机, 当数据发送完成后再进入以太网包查询状态。图 4 数据发送与接收流程 下载原图进入以太网包查询状态后, FPGA 询问 MAC
19、芯片是否有来自上位机的以太网包, 当有以太网包时, 需要判断包类型, 若包类型为命令包, 则进入发送命令状态, 在该状态中, 程序从 MAC 芯片中读出数据包, 然后解析出数据包中的有效数据, 并将其发送给 UART 模块, 之后 FPGA 跳转至状态信息查询状态;若包类型为查询ARP 包, 则进入回复 ARP 状态并发送 ARP 回复包, 重新开始传输数据。当没有以太网包或包类型为其他类型的数据包时, 则直接跳转至状态信息查询状态。进入状态信息查询状态后, 程序询问 UART 模块是否有来自成像电路的状态信息, 若有, 则从 UART 模块读出状态信息, 封装成 UDP 数据包后发送给上位机
20、;若没有, 则返回图像数据查询状态。之后不断重复上述过程。该过程状态机示意图如图 5 所示。图 5 UDP/IP 模块状态机示意图 下载原图3.3 UART 模块适配器除了要完成图像数据的传输, 还要转发上位机对成像电路的命令信息和成像电路反馈的状态信息。这部分功能由 UART 模块实现。UART 模块采用 RS-422 接口与成像电路通信, 通信波特率为 115 200 bit/s12。该模块分为接收和发送两部分, 其中接收部分接收状态信息, 接收完成后向UDP/IP 模块发送传输数据请求, 当 UDP/IP 模块进入状态信息查询状态后, 请求被响应, 此时状态信息从 UART 模块进入 U
21、DP/IP 模块并被发送给上位机。发送部分等待 UDP/IP 模块的发送请求, 响应请求之后, 将命令信息从 UDP/IP模块中读出, 并以串行的方式通过 RS-422 接口发送给 CCD 成像电路。4 产品设计硬件逻辑设计综合后在 Spartan3 系列, 型号为 XC3S400-208 的 FPGA 中的资源占用情况如表 2 所示。表 2 资源占用情况 下载原表 硬件电路设计为单板 4 层结构, 其中 MAC 芯片原理图如图 6 所示。图 6 中, AX88180 为 MAC 芯片, 该芯片通过图左侧的离页连接符与 FPGA 通信, 包括数据总线 HD31HD0、地址总线 HA15HA1
22、以及 6 根控制总线;与 PHY 芯片通过图右侧的离页连接符相连, 包括 RGMII 接口和 PHY 芯片寄存器访问接口。电路板实物如图 7 所示。图中左上的接口为 LVDS 接口, 左下的接口为 RS-422 接口, 电路板中间从左往右依次是 FPGA、MAC 芯片和 PHY 芯片, 接口为 RJ45 网口。此外还编写了上位机软件, 实现了图像数据的接收和显示, 以及发送控制命令、显示状态信息、计算传输速率和误码率检测等功能。图 6 MAC 芯片原理图 下载原图图 7 电路板实物图 下载原图5 测试结果测试分为实验室测试和外场测试两部分。在实验室测试中, 测试系统由 CCD 相机、成像电路、
23、LVDS 转千兆以太网适配器和上位机组成。测试结果显示, 在千兆以太网工作模式下, 适配器的传输速率最高可达 300 Mbit/s。当传输速度为 43Mbit/s, 使用长度为 50 m 的超五类网线时, 连续运行 48 h, 误码率为 0。外场测试在合肥某电厂附近进行, 如图 8 (a) 所示:测试系统由光谱仪、水平转台、成像电路、LVDS 转千兆以太网适配器以及笔记本电脑组成。采用 380 nm500 nm 波段的光谱仪对该电厂的废气排放情况进行观测, 笔记本电脑控制光谱仪的工作状态, 并实时显示光谱仪所观测区域的图像。图 8 (b) 为 440 nm波长对应的观测区域灰度图。测试结果表明
24、, 适配器在自然条件下可以稳定的传输数据, 同时完成控制命令的接收与发送。图 8 外场测试及观测结果 下载原图6 结论设计的适配器实现了将 LVDS 图像数据转换为以太网包传输的功能。该适配器可以将星载光谱仪连接至上位机形成地面民用设备, 并且将短距离传输的 LVDS 转换为长距离传输的以太网, 使光谱仪与上位机可以分开放置, 即将光谱仪放在工业现场进行测量, 而上位机放在设备间实时成像, 使光谱仪成像系统更具灵活性。在 LVDS 转千兆以太网适配器的基础上, 也可以方便地设计出其他通讯协议与以太网之间的转换模块, 为军工科研成果向民用推广提供便捷。参考文献1王煜, 陆亦怀, 赵欣, 等.星载
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