基于FPGA和光纤的振动台用功率放大器数字传输技术

文 | 苏州东菱振动试验仪器有限公司 王宇 陈俊

基于FPGA和光纤的振动台用功率放大器数字传输技术

文 | 苏州东菱振动试验仪器有限公司 王宇 陈俊

本文介绍了一种用于振动试验系统中功率放大器和控制仪之间的数字信号传输技术。该技术通过FPGA和光纤通信技术来实现，能够达到长距离，高速率，高可靠性的传输要求，可以有效提高振动试验系统的试验精度。

FPGA；光纤通信

1. 引言

目前，振动试验系统中控制仪和功率放大器之间都是采用模拟连接方式 ，控制仪输出的数字信号由DA芯片转化为模拟信号传输，功率放大器通过AD芯片将模拟信号转化为数字信号经处理后驱动振动台工作。在AD与DA的转化过程中，会不同程度的给信号带来一些干扰与损耗。另外24位的AD和DA芯片不仅价格昂贵，购买也受到各种限制。

如果采用数字传输技术，去掉两端的AD与DA变换，即防止信号转换、传输过程中带来的误差与干扰，也可提高传输距离，同时也节省了成本。

2.FPGA技术介绍

现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA)是在专用ASIC的基础上发展起来的，它不仅具有设计灵活、性能高、速度快等优势，而且上市周期短、成本低廉。FPGA开发工具种类繁多，功能强大，可以完成从输入、综合、实现到配置芯片等一系列功能和对设计的仿真，优化，约束，在线调试等功能。

3.总体设计方案

目前，控制仪中DA的输出精度大多为24位，峰值速率在500K，那么要求方案满足传输速率在1.248Mb/s——24Mb/s自适应，传输距离大于100m，同时为防止干扰，必须与其他系统隔离。

综合以上要求，采用FPGA与光纤模块结合的方式构建系统，可以满足高速率条件下长距离传送的要求。图3-1为系统的原理框图。

其中，控制仪将24位数据送入FPGA的乒乓缓冲区中，由FPGA按顺序将数据送入串行器DS92LV1023中，并控制串行器将24位并行数据转换为加入时钟和控制信号的串行数据，由光纤模块1417K4A进行发送。接受端光纤模块收到数据后传送至解串器中，由解串器将数据还原成24位数据并分离出时钟和控制命令。由于数字功放部分的DSP数据线是16位，所以当FPGA读取数据到缓冲区后应将数据分成两部分送入16位数据总线供DSP使用。

4.系统硬件实现

4.1.统硬件原理

以数据接收端硬件设计为例，该部分以Altera Cyclone III的EP3C16F256C6为主，该FPGA基于SRAM架构，169个IO口，15408个逻辑单元，516096位的M9K-RAM，具有很高的性价比。解串器采用NS公司的DS92LV2422,光纤模块采用1417K4A,该模块传输速率可达2.5Gb/s。

接收端硬件原理图见图4.1.1所示，FPGA在该电路中有三个功能：

a．数据缓冲

FPGA的DO0——DO15直接与数字式功放前置中DSP数据总线挂在一起，A8——A13与DSP的地址总线挂在一起，把FPGA映射到DSP的0x002A00——0x003F00这段地址空间中，使DSP通过外部存储器接口（XINTF）获取数据。由于大部分的控制仪发送的是24位数据，而功放中使用的DSP数据总线为16位，所以必须在FPGA端做缓冲处理，把24位数据分成高16位和低8位存储到两个连续空间供DSP读取。

b．解串器控制接口

FPGA通过SDA和SCL引脚配置DS92LV2422，通过DI0——DI15读入数据。

c．速率匹配

由于受算法限制，控制仪进行不同的试验（如正弦和随机）往往采用不同的速率输出，在之前的模拟方式连接时，这对功放的数据采集没有任何影响，而一旦采用数字方式连接时，就必须做到输出和输入的数据速率是一致的。利用FPGA进行数据采集时，乒乓缓冲区中会保存固定时长（10us）的数据，如果发送速率高，则存储的数据多，发送速率低则存储的数据少，但接收端DSP读取的速率100K是恒定不变的，这样就实现了不同的发送接受速率之间的匹配。

4.2.统的PCB板设计

接收端PCB为四层板，顶层和底层走的是信号线，中间两层为电源层和地层，需要注意的是：

a.光纤到解串器之间的差分线对在走线时必须一致，保证其具有一样的阻抗和一致的长度。这样做可以保证差分信号对互相保持紧密耦合，减小EMI辐射。

b.要避免数据线在芯片下方穿过，避免产生耦合噪声影响系统精度，而快速变化的信号线和时钟线应远离数字地，防止对其他数据线造成干扰。

c.由于系统采用数字电源供电，引入了一定的高频噪音，所以靠近芯片电源引脚处串入磁珠和RC滤波器，抑制高频干扰。

发送端的硬件原理与接收端类似，在此不做详细叙述。

5.结束语

本文介绍了一种通过FPGA和光纤来实现的振动控制仪和功率放大器的数字传输技术。该技术可以实现高速率下大于100m的数据传输，经验证系统性能稳定，可靠，值得进一步推广。

1. 吴继华，王诚，Altera FPGA/CPLD设计基础篇人民邮电出版社，2005

2. Meyeer-Baese,数字信号处理的FPGA实现清华大学出版社，2006

3.卢敏，张子墨，基于FPGA的LVDS——光纤通信系统的实现 江西理工大学，赣州，2007

4.蒋冬初，李玉山，LVDS在高速数字系统中的应用研究西安电子科技大学CAD所，2009

Digital Signal Transmission Technology of Power Amplif i er for Vibration Test Based on FPGA and Optical Fiber Communication

This article introduces a digital signal transmission technology between power amplifier and controller of vibration test system. This technology is achieved by FPGA and optical fiber communications technology, can achieve long-distance, high-speed, high reliability transmission requirements, and can improve the test accuracy of vibration test system.

FPGA；optical fiber communication

王宇（1979—），男，吉林省吉林市人，苏州东菱振动试验仪器有限公司电子电气设计室工程师，主要从事振动台用功率放大器的设计工作。