基于LVDS的某武器遥测系统数据记录仪研制大学学位论文.docx
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基于LVDS的某武器遥测系统数据记录仪研制大学学位论文
大学学位论文
基于LVDS的某武器遥测系统数据记录仪研制
摘要
信息通信产业日新月异，对数据的存储速度、容量、功耗、可靠性等要求越来越高，这就需要一套稳定可靠的数据存储系统。
本设计结合国内外研究现状和课题要求，设计和研发了基于LVDS的某武器遥测系统数据记录仪研制。
该系统搭建了以FPGA为基础的硬件平台，通过总线型LVDS接收数字信号，经缓存后，以TTL电平形式存储到大容量FLASH存储器中。
本设计利用FPGA开发周期短、可重构性强和VHDL硬件语言的高灵活性等优势，实现了系统工作模式的控制，完成了接口设计和时序逻辑设计；采用多点到多点总线型架构的LVDS接收器来接收采编装置的大量数据，其特点为速度快，性能可靠性高。
应用FPGA内部FIFO进行数据缓存，减小了体积简化了电路设计，实现了数据缓存和跨时钟域的速度匹配。
采用大容量闪存做存储器使系统具有了存储数据量大以及掉电数据不丢失的特点。
同时采用光电隔离对干扰进行了有效的控制。
总体设计，既节省了开发成本，又缩短了开发周期，同时具有体积小、可靠性高等特点。
本文对LVDS高速总线传输技术和大容量存储技术等关键技术在本系统中的应用进行了具体的叙述；并对系统总体方案设计、各功能模块的具体实现原理以及设计过程中的各种问题与解决方法给出了详细的说明和研究。
用模拟信号源的方法验证了系统的可实现性与可靠性。
最终通过与实测结果的比对，得出本系统的可行性、可靠性、有效性。
关键词：
LVDS，FPGA，存储测试，FLASH
ResearchandProduceofcertainweapontelemetrysystemDataloggerBasedonLVDS
Abstract
Therapiddevelopmentofinformationandcommunicationindustry,moreandmorespecificationsofdatastoragedevicesarerequired,suchasstoragespeed,capacity,powerconsumptionandreliability,whichrequiresareliabledatastoringsystem.thisthesiscombinesresearchstatusandrequirementsofthesubject,wedesignedaweapontelemetrysystemDataloggerbasedonLVDStocompletethedatastoringtasks.
ThesystemisbuiltbasedonaFPGAhardwareplatform，whichreceivesthedigitalsignalsthroughLVDSbusandaftercachestored,thedataisstoredintothelargecapacityFLASHmemoryintheformofTTLlevel.ThedesignusestheadvantagesofFPGA’sshortdevelopmentcycleandstrongreconstructingability,togetherwiththehighflexibilityofhardwaredescriptivelanguageVHDL,toachievethecontrolofthesystemworkingmode,completedthedesignofinterfaceandsequentiallogicdesign.WithMultipointtomultipointbusarchitectureLVDSreceivertoreceivelargeamountsofdataeditingdevice,whichischaracterizedbyhighspeed,performanceandreliability.ApplicationofFPGAinternalFIFOdatacache,toreducethevolume,simplifiesthecircuitdesign,hasrealizedthedatacacheandclockdomaincrossingspeedmatching.Usinglargecapacityflashmemorytodosystemhasalargeamountofstoreddataandthecharacteristicsofthedataisnotlost.Atthesametimeadoptphotoelectricisolationforeffectivecontrolofinterference.Thiskindofdesignsavesdevelopmentcost,shortensthedevelopmentcycle，andprovidesalotofadvantages,suchassmallsize，strongflexibilityandhighreliability.
Inthisthesis，weintroducestheapplicationofLVDSbasedhigh-speedbustransmissiontechnologyandlarge-capacitystoragetechnology,discussesrelatedfunctionalmodulesandsomespecificdesignprinciples，andexplainsseveralproblemsencounteredinthedesignandgivesoutthecorrespondingmeasures.Asetoftestingisappliedonthesystemtoverifyeachmodule，andthetestingresultsprovethefeasibility，reliabilityandversatilityofthisdesign.
Keywords:
LVDS,FPGA,Storagetest,FLASH
目录
1绪论1
1.1选题的研究背景及意义1
1.2国内外研究现状2
1.2.1LVDS技术的现状与发展2
1.2.2存储技术的现状及发展3
1.3课题研究内容5
2LVDS理论及电路设计关键技术7
2.1LVDS技术7
2.1.1LVDS简述7
2.1.2LVDS的通信模式9
2.2BLVDS技术10
2.3LVDS/BLVDS数据传输的关键技术12
2.4低压差分技术的应用13
2.5本章小结13
3系统方案设计15
3.1性能要求15
3.2方案设计分析15
3.3系统总体方案16
3.4系统方案中各器件的选择17
3.4.1BLVDS接口芯片17
3.4.2存储器芯片的选择18
3.4.3主控芯片的选择20
3.4.4电源芯片的选择21
3.4.5其它主要芯片的选取22
3.5本章小结23
4系统硬件电路设计24
4.1数据接收模块24
4.1.1BLVDS接口电路设计24
4.1.2RS-422接口模块26
4.2Flash存储模块27
4.3USB读数模块电路设计28
4.4配置接口设计30
4.5电源电路设计32
4.5.13.3V电源设计32
4.5.2隔离的5V、3.3V、2.5V电源设计32
4.6退耦电路设计33
4.7本章小结34
5系统的软件设计35
5.1FPGA通信逻辑设计35
5.1.1控制接收数据程序36
5.1.2数据缓存模块37
5.1.3FLASH存储控制程序设计40
5.1.4消抖程序设计47
5.2USB读数软件设计48
5.3上位机软件设计51
5.4本章小结53
6系统测试54
6.1系统功能测试54
6.2实测结果55
6.3本章小节56
7总结与展望57
7.1工作总结57
7.2工作展望57
参考文献59
攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果62
致谢
1绪论
1.1选题的研究背景及意义
新中国成立以来，我国的航空航天事业在政府的支持下不断发展，目前我国的航空航天事业在国际上已经占有重要地位。
探月卫星的成功发射、我国位于世界前列的洲际导弹水平以及很高的卫星发射成功率等等，这些都说明了我国在航空航天发展方面取得了不可忽视的成就。
在航空航天事业的发展中，飞行器的研究至关重要。
在研究中主要通过采用遥测系统和外测系统检测到的数据来获得目标对象的状态。
其中外测系统任务是对航天器进行跟踪测量，获取航天器的运动参数，确定航天器的轨道和位置。
遥测系统的任务是接收从航天器发送的关于航天器上设备工作状态、空间环境参数和宇航员的生理信息等[1]。
它在航天器一二级分离的时刻被释放出来，耗尽的一级发动机经爆破与二级分离，在数十万米高空，与一级发动机残骸一起起爆、燃烧、坠落，之后要找到它读出测量到的参数[2]。
遥测技术是电子学科的一个分支，在科学研究中占重要地位。
因此，研究遥测技术具有非常重要的意义。
按照传输信道的不同，遥测系统有无线电遥测和回收遥测两种方式[3]。
无线遥测技术作为主要的测试手段在航天项目研究和飞行器的飞行试验中发挥了重大作用，它可以有效的节约成本和工作周期，而且具有信息反馈速度快、控制灵活，易管理的特点。
但是有些场合并不适合采用这种方式来实现数据传输，例如在飞行器以很高的速度返回大气层时，在某一高度和时间内进入黑障区会中断与地面的通信联络，此时以无线方式收发的数据都是无效的[4]；其次，航天飞行器发射后离地面距离很远，使用无线方法，会使一定范围内的无线电器件也可以接收到保密数据，此时它的安全性能很低，不利于用在航天试验中。
再次，无线方式的带宽窄，不能实现速变参量多的传输，使用无线遥测方式可能会在试验中不能测量到某些重要参数[5]。
第四，无线遥测方式易受天气因素（尤其是大雾）和环境因素影响，可靠性较差。
综上看来急需其它的测试手段来弥补这些缺点。
遥测记录仪应运而生，将它界定为回收遥测系统中。
在进行试验前，把遥测记录仪安装在航天飞行器内，实时记录各种参数，如高度、速度、航向、过载、姿态、推力、油量等，等航天飞行器着陆后寻找到记录仪，根据读取记录仪中的数据来分析飞行试验的结果。
另外当遥测记录仪安装在飞行器上时能通过地面长线电缆网实时监测其工作状态。
由于遥测记录仪有很好的保护措施，所以能抗击一定程度的猛烈撞击、烈火焚烧、深海浸泡等外界影响。
同时，在安全性能上回收遥测具有高可靠性，只要它方找不到“黑匣子”，就不能得到遥测数据[6]。
所以，回收遥测在飞行器飞行试验中得到了较广泛的应用。
同时面临着采集器件ADC等性能的不断提高，遥测记录系统中要将采集到的大量数据高速稳定实时的传输到存储器中成为瓶颈，应用传统的传输标准例如RS-422、RS-485、TTL等已经不能满足要求，需要用一种有效的手段去解决这个问题。
采用LVDS（（LVDS（Low-VoltageDifferentialSignaling）即差分信号技术[7]，它的低压摆幅特性能使信号传输率达到几百兆比特每秒以上，同时具有超低功耗、抗干扰性能好和低电压供电等优点）信号方式来传输采集数据可以解决此瓶颈。
同时对于存储器的容量也有很高的要求，且成功的研制出遥测数据记录仪系统，对于航天飞行器的研究有着很好的指导作用。
所以在本系统的研究中，数据存储记录仪采用LVDS接口来实时接收遥测综合控制器采集后发出的多路数据并用大容量的存储器将之存储。
1.2国内外研究现状
1.2.1LVDS技术的现状与发展
随着电子学和通信技术发展的神速，在日新月异的今天，LVDS技术可以满足高速数传适应于数据量急速增长的要求。
现今国内外对LVDS技术的研究已经日益普及，尤其是NS公司和TI公司，作为研制LVDS技术的佼佼者，先后发行了频率范围很广的基于LVDS的接口芯片，可满足各种领域的要求[8]。
其他厂商也努力研制、不断创新，LVDS技术更加成熟，应用更为广泛。
综合来看，国外LVDS产品的优势有两个：
首先是种类多，如NS公司研制的产品其频率可以从几十兆到几吉，充分满足了市场的各种要求；其次性能高，如德州仪器的
SN65LVDS20，传输速率达到4Gbps，抖动小于45ps，延时小于630ps，传输速率很高，
功耗也极小。
这些产品应用到各个领域中，发挥了很重要的作用。
例如在科研上，RolfJahne等研制了可接收速率为1.25Gbps的LVDS接收器，用于同步光纤网络以及同步数字层级[9]。
在通信方面，MAXIM公司研制的数传率可以达到吉比特的LVDS串行器，还提供可编程扩频调制功能，有效降低EMI，它工作于1.8V核电源，体积小，成本低，可用于导航和信号识别上[10]。
早前，因为各种原因，我国对LVDS技术的研究相对落后，自行研制的产品也很少，而且传输速率不高[11]。
随着信息通信业成为国民经济增长的支柱和先导产业，首先面临数据传输需要的急剧增加，继而国内开始重视LVDS技术，经不断研究有了技术的突破和创新。
上世纪七十年代刘伯安等人开发了数传率的可达3.125Gbps的多电平LVDS收发器。
其发送器发送数据以5电平形式，接收器将接收到的信号恢复为一个固定幅度的信号（利用内部的数控增益和自动增益控制电路）供给下一级AD转换为数字信号。
同年尤扬等人针对电源电压低导致电路异常的问题，开发出的LVDS接收电路可以接收0.05~2.35V的低电压，数传率为1.6Gbps。
卞振鹏，姚若河和郑学仁等在2008年提出一种1Gbps低功耗轨到轨的mini-LVDS接收器。
利用新型的差分输入级实现了轨对轨的输入，通过共用负载管的NMOS和PMOS输入对来接收信号，二极管连接的负载管钳制稳定了输出的共模、差模。
而且输入级增益不受偏置电流制约[12]。
1.2.2存储技术的现状及发展
存储系统是数字信息保存的重要场所，而数据信息是国家、企业和社会赖以生存和发展的基础之一，促使存储技术的热潮在世界范围内兴起。
现今比较成熟的记录信息、存储信息的方式主要有磁带记录方式和固态记录器。
磁带记录仪是采用磁性材料的剩磁效应将测量记录在记录仪表上。
它采用了许多机械元件作为组成单元，存在占用空间大、耗电量大（导致电池使用时间短）、容量有限、控制繁杂度高的缺点，而且它存在易损坏的活动部件[13]，导致记录仪毁坏。
磁带记录仪的毁坏不易被修复，数据无法重新发送，会造成数据丢失的情况。
为弥补这些劣势，逐渐出现固态存储记录仪，它是通过存储芯片内部晶体管的开关状态来存储数据的，相对于磁带记录器不需要读写头、不需要存储介质移动（转动），它的存储密度高、存储速度快、功耗低、体积小、重量轻。
固态存储器的制作工艺不断提高，非常适用于做飞行器的数据存储设备。
随着固态存储器的不断发展，其制作工艺、存储密度、功耗等性能大幅度提升，各个领域都开始青睐固态存储器产品，相关公司也纷纷投入对固态存储器的研究中。
研究的原始初衷为代替磁带记录器，所以在外形、功能等方面仍和磁记录仪相似。
在固态存储器件的应用基础上，固态记录器于上世纪八十年代初投入使用，首先是应用到军事领域[14]。
例如Fairchild0航天公司针对极地轨道磁测量卫星研制的一款以cmosram为存储介质的固态记录器。
现如今固态记录器的发展前景更为广阔，在众多的生产厂商中L-3通信公司和美国的CALCULEX公司为领军者，位于世界军工企业100强。
L-3通信公司生产的记录器主要应用于航天领域，它们公司研制的美国国家海洋大气局第三代实用气象观测卫星NOAA，其轨道接近正圆的太阳同步轨道，用于日常的气象业务。
另一款美国航天局发射的LANDSAT陆地卫星，其轨道设计为与太阳同步的进极地圆形轨道，确保遥感感测条件的基本一致，利于图像的对比。
弹载记录器BLU-109的存储介质为闪存，再不加炸弹组件的情况下重约906千克，可侵彻1米多厚的加固混凝土结构，应用于空中发射导弹。
随着半导体技术的飞速发展，固态记录器也从几百兆比特发展到几百吉比特，应用范围也从机载、星载扩展到车载、弹载[15]。
国内对数据存储技术的研制起步较晚，初期阶段仅是研制以磁心为记忆元件的磁芯存储器。
随着数据的爆炸性增长，根据我国国家信息化建设的紧迫要求和高科技产业发展的要求，中国的存储产业开始进入快速发展的阶段。
中科院为我国最早将固态存储器实际运用到卫星上的部门，于1999年发射的实践五号，是我国第一颗采用公用平台思想设计的小型科学实验卫星。
它的存储介质为SDRAM[16]，完成了对航天器S波段高速数传发射机与大容量固态存储器进行在轨测试的任务。
中北大学也很重视数据记录仪的研制：
在2007年研制的过载测试系统，成功应用于弹丸侵彻混凝土硬目标以及弹丸侵彻硬土与混凝土复合介质加速度的测试[17]。
研究的别的一系列产品也都成功的用于实际测量中，并取得良好的结果[18]。
根据固态记录器技术的发展来看，主要投入的方向为：
1）高速率
面对采集器件ADC等性能的提高，采集后大量数据的高速稳定实时传输到存储器中成为瓶颈，总线接口技术可解决此问题。
2）大容量
由于实际应用中对记录器容量需求显著增加，因此要求记录器单机容量越来越大，有的要求几T的量级。
3）低功耗
随着集成电路的集成度不断提高，低压供电成为急需，可以降低功耗减小成本；还能利用掉电进掉电中断的方式，将要保存的数据保存下来，降低系统功耗。
4）高集成度
随着集成电路的不断发展，存储器的设计趋向于软件设计，使得人们对体积小、耐用、技术含量高的存储器越来越大的需求的到满足，它在整个集成电路产业中发挥得作用越来越大。
5）模块化
固态记录仪今后的主流设计方向是模块化、系列化、标准化，大幅度降低了工作周期很成本费用[19]。
1.3课题研究内容
本文为基于LVDS的某武器遥测系统数据记录仪研制，整个系统的设计思路是首先在接收数据端实时接收由采集和加密部件发出的大量数据，并将接收到的差分信号数据转换为我们常用的TTL信号，送入FIFO进行缓存，然后由通信控制器件FPGA将数据写入FLASH存储器中，最终由上位机通过USB接口来读取存入存储器的数据。
以下为章节安排：
第一章：
阐述了本设计的研究背景和意义，分析了国内外的研究现状，并提出了本课题的研究内容。
第二章：
简介LVDS技术和BusLVDS的相关理论，概括了传输低压差分信号的高速数字电路的关键技术，最后简要介绍低压差分信号的应用。
第三章：
根据性能要求，设计了系统的总体方案，并对器件做了选型。
第四章：
系统硬件电路设计：
主要包括数据接收模块、数字隔离模块、数据存储模块、USB接口模块。
第五章：
软件设计与实现：
采用ISE9.1进行模块化编程，论述了各模块的功能及实现；介绍了上位机软件的实现。
第六章：
对系统进行了功能测试，并进行实测实验，比对结果。
第七章：
总结全文，阐述了本设计要完成的工作，概括了需要进一步完善的内容。
2LVDS理论及电路设计关键技术
2.1LVDS技术
2.1.1LVDS简述
现今有很多种逻辑电平形式，其中使用最多的是CMOS及LVTTL，但随着信息产业的发展，对数传率、传输距离等特性的要求逐渐增高，传统的逻辑形式已经无法满足要求。
而出现的LVDS高速逻辑电平则是应运而生。
它是一种具有低摆幅的低压差分信号传输技术，也是一种通用的接口标准，适合高速数据传输。
LVDS最早由美国NS公司提出，此技术经ANSI/TIA/EIA-644-1995标准规定得到了业界认可，其主要是规定了LVDS传输的电特性。
LVDS技术可使产品达到100Mbps—1Gbps以上的高数据传输速率，来源于它摆幅为350mV的低压差分信号，可使数据快速过渡和切换。
此外，这种机制与特性决定了LVDS技术抗噪声性能好、耗电量小的优点。
LVDS技术的设计理念适用于印制电路板内的数据传输，同样能使电路板、模块、机架、机柜或机箱与机箱之间进行稳定传输。
应用于较复杂的接口通信芯片组时不仅减少了连接器所需的物理空间，还大幅降低了系统的连接器和电缆成本。
综上所述，要获得高速数据传输，LVDS为一个理想的解决方案。
图2.1LVDS驱动器和接收器原理图
图2.1的驱动器中有一个标称值为3.5mA的恒流源。
M1、M2、M3、M4为NMOS管。
工作状态为M1、M4导通，M2、M3截至，因为接收器输入阻抗非常，所以3.5mA的电流几乎全部从下往上流过一百欧姆的电阻；或者M2、M3导通，M1、M4截止，电流从上往下流过一百欧姆的电阻。
故在接收器的输入端产生了±350mV的电压，即形成一个有效的“1”或“0”的逻辑状态。
综上可得LVDS相对于其它接口有以下优点：
1）高速传输能力
由于LVDS逻辑电平是幅度非常低的信号，变化为350mV左右，相比于其他高电平接口，状态可以更快的切换。
对于点到点的连接，传输速率高达数百Mbps。
2）低功耗特性
LVDS是恒流源驱动，它的电流不会随着频率的增加而改变，所以LVDS的功耗基本是恒定的。
尤其在高频条件下，LVDS的功耗明显远远低于CMOS的功耗。
在传输速率越来越高的今天，LVDS的低功耗特性越来越显著。
3）低电源供电
随着集成电路的集成度不断提高，低压供电成为急需。
低电压不仅可以降低功耗减小成本，还能大幅度减小芯片的散热压力。
LVDS是的低压摆幅信号，供电电压只需提供低电压。
4）噪声性能好
LVDS技术的驱动器采用的是奇数模式，即驱动器的传输线上传输的是等量、方向相反的电流，这种两根差分线互为返回路径的模式不易受开关噪声的干扰，产生电波辐射小。
其次，LVDS的低压摆幅携带能量小，产生电磁辐射的电场强度就会小，从而EMI很低。
而且LVDS的差分传输线紧密耦合时，只响应正负电压之差，故其发出的电磁场相互抵消，抑制了共模噪声。
5）高可靠性
LVDS的驱动器和接收器是恒流源驱动，避免热插拔时造成的损坏。
同时在出现输入开路或输入悬浮等链路状况或故障时，能启动故障防护功能，保证了性能的稳定。
6）成本低廉
LVDS仅需要一个终接电阻，有的芯片将此电阻内嵌于芯片中，相对其他传输线路更节省成本，同时它的耗电量小的特性，可增大印制电路板的使用率。
2.1.2LVDS的通信模式
LVDS通信模式是专门针对点到点信号传输而设计的，也可以实现一点对多点的连接[20]。
1）点对点
图2.2为典型的点对点拓扑的LVDS驱动器和接收器对。
对互连阻抗的控制、驱动器的负载是否恰当及互连的终接方法，是设计低抖动信号传输时要考虑的关键问题。
图2.2点对点拓扑结构原理图
这种结构简单易操作，连接PCB板与电
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