通用型数据传输等效接口卡设计

甄国涌，褚建平，刘东海（.中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原03005；.太原市华纳方盛科技有限公司，太原03005）

通用型数据传输等效接口卡设计

甄国涌1*，褚建平1，刘东海2
（1.中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051；2.太原市华纳方盛科技有限公司，太原030051）

针对测试系统等效器数据传输接口种类繁多，传输频率及传输帧格式有所差异等问题，研制了一种通用型数据传输等效接口卡。将Hotlink接口，RS422接口、RS485接口、CAN接口、LVDS+光纤传输接口等使用频率相对较高的接口集成到一张接口卡上。上位机软件可以通过PXI接口配置数据传输接口、传输频率、传输帧格式等参数。该设计将传统的等效器转变成等效接口卡形式，相对较大的提升了等效器的通用性。通过大量试验证明，该接口卡在不同配置方案下等效的数据，可以进行有效的传输。

等效器，传输接口，传输频率，帧格式

随着我国航天科技的迅速发展，对航天器系统测试的要求更加的严格，测试系统需要等效航天器上行和下行的各种指令、状态和数据信息，从而验证航天器运行的正确性和稳定性［1-2］。等效器是测试系统中的一部分，可以等效采编控制器、中心程序控制器等不同地面设备发送来的数据［3］。

早期的测试系统等效器接口种类繁多，数据传输频率及传输帧格式有所差异，针对这些问题，研制了一种通用型数据传输等效接口卡。该接口卡在3个方面做到等效，分别是等效数据传输接口，等效数据传输频率，等效数据传输帧格式。在传输接口方面，我们将使用频率相对较高的Hotlink接口、RS422接口、RS485接口、CAN接口及LVDS+光纤传输接口集成到一起。在传输频率及传输帧格式方面，我们采用上位机与FPGA通信的方式，通过上位机可以配置不同的传输方案。将传统的等效器转变成等效接口卡形式，相对较大地提升了等效器的通用性。

1　总体方案设计

测试系统的总体结构框图如图1所示。其中包括测控系统数据传输等效接口卡和存储器综合测控台两部分。

图1　测试系统总体结构框图

系统上电后，数据传输等效接口卡处于等待接收指令状态，需要先打开系统软件进行配置，配置的参数包括数据的传输接口、传输频率、传输帧格式，配置好参数后，配置参数按照规定好的协议进行打包及下载。数据传输等效接口卡接收到配置信息后，将配置信息分解，提取出有效的配置参数，发送符合配置参数的数据，达到完全等效的目的。

测控系统的数据传输等效接口卡采用FPGA作为主控芯片产生等效数据。数据传输接口包括Hotlink接口、RS422接口、RS485接口、LVDS+光纤传输接口及CAN接口［4］，可以根据等效设备的不同选择不同的数据传输接口。接口卡采用PXI接口与上位机进行指令下发与数据传输，当FPGA接收到存储器综合测控台发来的指令信息后，自动进行识别指令信息并做出相应的动作，同时向存储器综合测控台发送状态信息，测控台通过状态信息识别接口卡当前所处的状态［5］。

2　硬件电路设计

数据传输等效接口卡的硬件电路主要包括7部分：6路数据接口设计及1路总线接口设计。下面将详细介绍几种接口设计及关键技术。

2.1PXI接口及热插拔电路设计

数据传输等效接口卡的PXI接口采用PCI9054芯片进行PXI总线和本地总线的协议转换，工作模式选择C模式。该接口卡还引入了热插拔技术。热插拔技术可以提供有计划地访问热插拔设备，允许在不停机或很少操作人员参与的情况下，实现故障恢复和系统重新配置［6-7］。

2.2Hotlink接口设计

接口卡的Hotlink接口电路原理图设计如图2所示。采用Hotlink接口芯片CY7B923-JI作为发送端，SC/D和MODE管脚置低，设置芯片使用8B/ 10B编码方式。配置ENN管脚为高电平，当数据传输使能管脚ENA为高电平时，数据输入被忽视，发送端发送无效字符串（K28.5）。当管脚ENA为低电平时，在CKW的上升沿将数据接收、编码，并通过OUTA输出差分数据。没有使用的OUTB和OUTC端口被连接VCC，以减少功耗。

图2　Hotlink接口电路原理图设计

由于Hotlink接口数据传输速率比较高，一般在几十到几百比特每秒，所以在Hotlink差分输出接口后，连接可应用于射频条件下的变压器T1-1T作为隔离，隔离后输出最终采编数据。

2.3RS422接口设计

在满足系统需求的前提下，为确保数据传输质量，从芯片的选择、接地、阻抗匹配、电气保护等方面进行综合考虑，选择成熟稳定可靠且易于实现的接口方案设计。RS422接口电路原理图如图3所示。

该接口电路选用 Maxim Integrated公司的MAX1490A芯片，该芯片将高频变压器、光耦、MAX490等元件集成到一个IC中，区别于传统隔离方式，做到了电信号和普通信号的同时隔离。此原理图参考了MAX1490A的数据手册的典型应用电路图，C1和C2为退耦电容，分别为22μF和0.1μF，R1、R2、R3、R4分别取值200Ω、1 000Ω、330Ω、1 000Ω，R6和R7是为匹配电阻，取120Ω，可以降低信号反射。稳压管D1～D8的作用是把数据传输线的电压牢牢限制在-7 V至+12 V之间，以有效保护RS422接口。增加D9和D10的目的主要是为了防止浪涌电压损坏接口。另外为防止爬电，保证MAX1490A的隔离效果，在设计PCB布线和覆铜的时候需要保持信号地和隔离地之间的距离，并且在芯片下面的PCB导一个长方形的槽［8］。

图3　RS422接口电路原理图设计

2.4LVDS+光纤传输长线接口设计

为适应长线电路的传输，LVDS接口选择SN65LV1023ADBR芯片配合CLC006电缆驱动芯片，光纤传输模块采用光收发一体模块OCM3723。由于串/并转换器是LVDS信号，电缆驱动/均衡器是PECL电平，设计必须经过电阻网络将转换后的上级输出电平落入下级输入电平的有效范围内。如图4所示，LVDS和PECL之间的AC耦合有两种常用的方式，电阻R1～R4阻值设计遵循两个条件，其一是匹配电阻50Ω，选择适合的阻值能实现性能优异的匹配特性，减少了高速差分信号在传输线的反射，在这里等效阻抗为50Ω是从高速传输线阻抗匹配的概念出发而安排，即满足公式其二是为后级PECL电路CLC006提供合适的偏置电压约0.8 V～2.5 V之间，典型值为1.2 V，即满足公式，R1=R2=64.9，R3=R4=205。

图4　AC耦合方式

由于电阻阻值小，实际应用中这样设计的弊端功耗比较大，相对与图4（a）的设计，图4（b）的设计在满足上述两种条件的前提下又可以减少功率损耗，电阻阻值满足，当VCC为5 V时，R1=R2=2.7 kΩ，R3=R4=8.25 kΩ；当VCC为3.3 V时，R1=R2=2.7 kΩ，R3=R4=4.7 kΩ，故硬件设计选择图4（b）的方式进行匹配设计。

3　软件设计

3.1上位机软件设计及说明

如图5所示是上位机软件的界面截图。上位机包括传输方案生成、传输方案下载、开始传输和停止传输4个按钮。在传输方案配置界面配置数据传输方案，帧格式设计栏可以设置传输数据帧格式的行数、列数以及固定字符，传输频率设置栏可以将数据传输频率设置在0MHz～40MHz之间，输出接口选择栏可以选择不同的数据传输接口。右侧的传输数据量的进度条可以直观的看到发送的数据量。

图5　上位机软件界面图

数据传输方案配置完之后，需要点击传输方案生成按钮，生成符合传输协议的传输方案数据。传输方案生成后，点击传输方案下载按钮，将传输方案数据发送给FPGA，FPGA接收到传输方案数据后，进行协议的解析和参数的配置，产生符合传输方案的数据，此时，单击开始传输按钮启动数据的发送，单击停止传输按钮可以终止数据的发送。

3.2传输方案数据协议设计

传输方案数据按照表1协议进行传输。

FPGA首先判断是否接收到“传输方案下载”指令，当接收到该指令后，FPGA将传输方案数据接收回来，参数提取模块按照表1传输方案数据协议将上位机发送过来的传输方案数据进行数据分解和参数提取。

表1　传输方案数据协议

4　试验结果与分析

为验证数据传输等效接口卡各个端口可以进行正确的数据传输，接口卡功能已经实现。如表2所示，将各个端口传输的数据配置成不同帧格式，通过上位机监测接收到的数据是否与配置结构一致。

上位机接收到各接口的数据截图如下。Hotlink接口接到的数据如图6所示，RS422接口接收到的数据如图7所示，RS485接口接收到的数据如图8所示，CAN接口接收到的数据如图9所示，LVDS长线接口接收到的数据如图10所示。通过分析数据可知，Hotlink接口接收到1行、15列，固定字符为AA BB的数据，其余字符为累加数，与Hotlink端口配置数据格式一致。同理通过分析其他端口接收到的数据可知，每个端口都可以接收到符合配置帧结构的数据，数据等效传输接口卡可以较好地实现其功能。

表2　各端口传输数据格式配置表

图6　Hotlink接口接收数据截图

图7　RS422接口接收数据截图

图8　RS485接口接收数据截图

图9　CAN接口接收数据截图

图10　LVDS接口接收数据截图

5　结束语

通用型数据传输等效接口卡，在数据传输帧格式、传输频率、以及传输接口方面做到了相对的通用，改变了传统等效器固定不变的模式。通过大量的试验证明，该板块可以在不同配置方案下实现数据的正确传输。在实时性、准确性、可靠性及环境适应性等方面可以较好的满足应用需求。

［1］ 张福生，陈莉欣，景旭贞.基于PXI模块化仪器的载人航天器自动测试等效器系统设计［J］.计算机测量与控制，2014，22 （6）：1667-1669.

［2］ 陈海洲，叶勇，沈三民.一种测量系统等效器的设计［J］.计算机测量与控制，2012，20（5）：1414-1416，1419.

［3］ 刘小龙，王牧丁，蒋海坚，等.基于FPGA的智能火工品等效器设计实现［J］.可编程器件应用，2012，35（5）：78-82.

［4］ 李宏梅，佟为明，程树康.CAN总线全数字式汽车仪表［J］.电子器件，2010，10（33-5）：646-650.

［5］ 任勇峰，彭巧君，刘占峰.基于FPGA的CPCI高速读数接口设计［J］.电子器件，2015，38（1）：148-151.

［6］ 许川佩，胡德国.CompactPCI/PXI总线的热插拔技术研究及实现［J］.电子技术，2008，24（11-2）：305-307.

［7］ 甄国涌，郭柳柳，刘东海.基于PXI接口多通道信源卡设计［J］.计算机测量与控制，2014，22（10）：3309-3311，3315.

［8］ 匡敬辉，阎兆立，王景彬，等.高可靠性隔离型RS422接口的设计方案［J］.微计算机信息，2010，26（4-2）：176-178.

甄国涌（1971-），男，山西阳泉人，教授，硕士生导师，主要从事测试系统集成技术与应用软件技术研究工作，zhen_gy0124@ 163.com。

Design of Universal Equivalent Data Transmission Interface Card

ZHEN Guoyong1*，CHU Jianping1，LIU Donghai2
（1.National Key Laboratory forElectronic Measurement Technology，North Uniυersity of China，Taiyuan 030051，China；2.Taiyuanshi Huana Fangsheng Technology Co.，Ltd.，Taiyuan 030051，China）

As about the tradition alequivalent device has disadvantages of agreatvariety data transmission interfaces，different transmission frequency and transmission frame format，a data transmission equivalent interface card was proposed，which integrated Hotlink interface，RS422 interface，RS485 interface，CAN interface，LVDSwith the light transmission together.The transmission interface，transmission frequency and transmission frame format can be configured through PXIinterface in the PC software.The tradition alequivalent device was translated into equivalent interface card，increasing the versatility of equivalent device relatively.Through a large number of experiments，the equivalentdata transmission interface card can be proved thatcan transmitdata correctly in allconfiguration scheme.

equivalentdevice；transmission interface；transmission frequency；transmission frame format

TP274

A

1005-9490（2016）04-0856-05

2015-04-27修改日期：2015-06-05

EEACC:621010.3969/j.issn.1005-9490.2016.04.021