（通信与信息系统专业论文）基于pci接口的光纤数据传输卡的设计与实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着数字通信技术和计算机系统的高速发展，越来越多的高速串行传输技 术以及接口技术得到了广泛的应用，发挥着越来越重要的作用。随着各种技术 的不断发展和完善，出现了各式各样的数字化产品，这些产品给我们的生活带 来了极大的方便。本文对光纤通信的相关技术以及p c i 接口技术进行了分析， 调研了当前在光纤通信中广泛使用的元器件，对比了几种p c i 总线接口的实现 方法，最后设计了一套应用于b 超系统中的基于p c i 接口的光纤数据传输系统。 该系统以光纤通信为核心，同时使用p c i 总线接口与p c 机完成数据通信功能， 达到了较高的数据传输速率，取得了良好的效果。 本文设计和实现了基于p c i 接口的光纤数据传输卡，主要完成了以下几个 方面的工作： 首先，论文对光纤通信中的关键技术以及p c i 总线接口的协议进行了分析， 探讨了系统设计中各个环节的关键技术以及设计的难点，对当前光通信中使用 的器件进行了调研，选择合适的光通信模块来实现光数据通信，并选择合适的 方法来实现p c i 总线接口的逻辑，结合f p g a 数字处理的方法，提出了整体方 案的设计； 其次，详细介绍了系统中各个功能模块的硬件电路设计，并初步分析了各 个功能模块的电路设计能否达到设计的要求，完成了系统的原理图设计以及 p c b 的设计； 再次，介绍了系统的主要功能模块的软件程序设计，主要包括使用p c i i p c o r e 实现p c i 总线接口的逻辑，编写p c i 总线接口的驱动程序，并完成设计的 板卡与p c 机之间的通信； 在此基础上，调试板卡中各个功能模块，直到这些功能模块能够正常的工 作，并在实验室测试了设计的板卡。通过发射板卡的f p g a 产生模拟数据信号， 交给发射板卡的光模块，数据经光纤传输给接收板卡，接收卡的光模块接收到 数据之后，将数据交给接收板卡上的f p g a ，然后通过p c i 总线接口将数据传 输给p c 机，完成整个的通信过程，通过测试的结果，设计的基于p c i 接口的光 纤数据传输卡可以较好完成数据的传输过程，达到了设计的要求。 关键词：光通信；光模块；p c i 总线；p c ii p c o r e ；f p g a 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e d i g i t a l c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n d c o m p u t e rs y s t e mo fr a p i d d e v e l o p m e n t ，m o r ea n dm o r eo ft h eh i g h - s p e e ds e r i a lt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g ya n d i n t e r f a c et e c h n o l o g yh a sb e e nu s e d ，p l a y sam o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l e w i t ht h e d e v e l o p m e n ta n dp e r f e c to ft e c h n o l o g y ，t h e r eh a sa p p e a r e dv a r i e t i e so fd i g i t a l p r o d u c t so nt h em a r k e t ，t h e s ep r o d u c t sb r i n gag r e a tc o n v e n i e n c et o0 1 1 1 l i f e i nt h i s p a p e ria n a l y s i st h er e l e v a n tt e c h n o l o g yo ft h eo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o na n dp c i i n t e r f a c et e c h n o l o g y , s u r v e yt h ec u r r e n tc o m p o n e n t sw i d e l yb e e nu s e di no p t i c a lf i b e r c o m m u n i c a t i o n , a n dc o m p a r ew i t l lt h es e v e r a li m p l e m e n t a t i o n so nt h ep c ib u s i n t e r f a c e a tl a s t , id e s i g nas y s t e mo ft h eo p t i c a lf i b e rd a t at r a n s m i s s i o nb a s e do np c i i n t e r f a c et h a tu s e di nbu l t r a s o u n ds y s t e m w i t ht h eo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o na s t h ec o r e a n du s et h ep c ib u si n t e r f a c et oc o m p l e t et h ec o m m u n i c a t i o nf u n c t i o nw i t l l t h ec o m p u t e r , t h es y s t e mc a na c h i e v eah i g hr a t eo fd a t at r a n s m i s s i o n , a n do b t a i na g o o de f f e c t 1 1 1 i sp a p e rd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o nt h eo p t i c a lf i b e rb a s e do np c ii n t e r f a c e c a r dd a t at r a n s m i s s i o n , m a i n l yc o m p l e t e st h es e v e r a lw o r k s ： f i r s t , i nt h i sp a p e ria n a l y s i st h es e v e r a lk e yt e c h n o l o g i e si n t h eo p t i c a l c o m m u n i c a t i o na n dt h ep c ib u sa g r e e m e n t ，a n a l y s i st h es e v e r a ld i f f i c u l t i e so ft h ek e y t e c h n o l o g yi nt h es y s t e md e s i g na n dt h ed e v i c e su s e di nt h eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n , t h e nc h o o s et h ef i g h to p t i c a lm o d u l et or e a l i z et h eo p t i c a ld a t ac o m m u n i c a t i o na n d t h ea p p r o p r i a t em e t h o dt or e a l i z et h el o g i co ft h ep c ib u si n t e r f a c e ，c o m b i n e 埘m f p g ad i g i t a lp r o c e s s i n gm e t h o d s ，t h i sp a p e rp u tf o r w a r dt h et o t a ls o l u t i o nd e s i g no f t h es y s t e m ； s e c o n d ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e sp a r t i c u l a r l ye a c hf u n c t i o n a lm o d u l e s o ft h e h a r d w a r ec i r c u i td e s i g ni nt h es y s t e m ，a n da n a l y s i s e st h ev a r i o u sf u n c t i o nm o d u l e c i r c u i td e s i g nw h e t h e ri tc a nm e e tt h er e q u i r e m e n to ft h es y s t e m ，t h e nt h ep a p e r c o m p l e t e st h ed e s i g no f t h es c h e m a t i cd i a g r a ma n dt h ep c b ； t h i r d ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h es o f t w a r ep r o g r a md e s i g no ft h em a i nf u n c t i o n m o d u l e si nt h es y s t e m ，u s e st h ep c ii p c o r et or e a l i z et h el o g i co fp c ib u si n t e r f a c e ， w r i t e st h ed r i v e ro ft h ep c ib u si n t e r f a c e ，a n dc o m p l e t e st h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e n i i 武汉理工大学硕士学位论文 t h es y s t e ma n dt h ec o m p u t e r ； o nt h i sb a s i s ，t h i sp a p e rc o m p l e t e st h ec o m m i s s i o n i n go fe a c hf u n c t i o n a l m o d u l e si nt h es y s t e m ，u n t i lt h ef u n c t i o nm o d u l e sc a nw o r k , a n dt e s tt h eb o a r di nt h e l a b o r a t o r y , i tm a i n l yi n c l u d e ss e v e r a ls t e p s ：t h ef p g ao ft h el a u n c hb o a r ds i m u l a t i o n t h ed a t as i g n a l ，t h e nt h ed a t as i g n a lg o e st ot h eo p t i c a lm o d u l e ，t h r o u g ht h eo p t i c a l f i b e rt r a n s m i s s i o nt h ed a t ab e e nt r a n s m i t t e dt ot h er e c e i v eb o a r d ，t h e nt h er e c e i v e o p t i c a lm o d u l et r a n s m i t st h ed a t at ot h ef p g ao ft h er e c e i v eb o a r d ，a tl a s tt h ed a t ai s t r a n s m i t t e dt ot h ec o m p u t e rt h r o u g ht h ep c ib u si n t e r f a c ea n dc o m p l e t e st h ew h o l e p r o c e s so fc o m m u n i c a t i o n , t h r o u g ht h et e s tr e s u l t s ，t h ed e s i g nt h a tb a s e do nt h ep c i b u si n t e r f a c eo ft h eo p t i c a lf i b e rd a t at r a n s m i s s i o ns y s t e mc a l lc o m p l e t et h ed a t a t r a n s m i s s i o np r o c e s sa n dm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t k e yw o r d s ：o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ；o p t i c a lm o d u l e ；p c ib u s ；p c ii p c o r e ；f p g a i i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 随着数字通信技术以及计算机技术的迅速发展，通信中要求数据的传输速 率越来越高，在长距离的数据传输通信中，传统的电缆已经逐步被光缆代替。 光纤通信技术的发展非常的迅速，技术上不断地更新和完善，通信的能力不断 的提高，应用的范围也不断的扩大，光纤也从多模发展到单模【l 】。随着技术的不 断进步以及制造产业的反展，光纤的价格也在不断降低，也造就了光纤通信技 术的应用不断地扩大，传输的距离也越来越远。1 9 7 6 年，美国在亚特兰大进行 的现场光纤通信实验测试，从而打破了光纤通信技术只是局限于实验室研究的 阶段，使得光纤通信进入了实际应用的阶段，加快了光纤技术的发展，具有非 常重要的意义。当前光纤已经成为了宽度传输的主要煤质，可以实现超大数据 传输速率、超大数据容量、超远数据传输距离，以实现光纤通信系统中的全光 网络为目标，具有很大的发展前景，光纤通信系统成为了国家信息基础设施的 支柱，从上述角度出发，研究光纤通信系统非常有意义【2 1 。 目前，医学上大多都是采用穿刺的方法来检查身体内部器官是否发生病变， 使用这种方法，病人会有疼痛感，给身体的一定程度的损伤，随着医学方法和 电子技术的发展，医学上使用越来越多微创甚至无创的方式来检查这些病变， 减少了病人的疼痛感，同时越来越多的新技术设备被使用，检查身体病变的准 确度要越来越高。当身体内部器官发生病变时，它的弹性以及黏性都会发生变 化，使用超声成像技术来检测这些病变并显示出这些图像，可以达到无创的效 果。 本文研究的一种基于p c i 接口的光纤数据传输系统，依附于国家自然科学 基金一基于声辐射力的二维定量超声弹性成像系统研究( 8 1 0 2 7 0 0 6 h 1 8 2 5 ) ， 在该系统中完成数据传输的功能。光纤传输卡以光纤传输通信为核心，采用p c i 总线接口与计算机完成数据通信，达到了较高的数据传输速率，应用在超声辐 射力弹性成像系统中完成数据传输的功能，减少有效阻断上位机与超声成像系 统的电信号连接，有效减小甚至消除电源噪声对于超声辐射力弹性成像系统的 武汉理工大学硕士学位论文 影响，能够很好地满足设计的要求，达到良好的效果。 1 2 国内外研究的现状 光纤具有高宽度、低损耗、价格便宜等优点，使得国外在2 0 世纪5 0 年代 就开始了对于光纤传输数据信号的理论研究。1 9 6 6 年，英籍华裔学者高锟和霍 克哈姆发表了关于传输介质新概念理论，对于使用光纤来进行数据传输的可能 性进行了探讨，从而奠定了光纤通信技术的基础 3 1 。1 9 7 0 年，美国康宁公司研制 出了2 0 d b k m 的光纤，从而展开了光纤与传统电缆之间的竞争，使得全世界国 家都看到了光纤通信美好的未来，加快了光纤通信技术的发展，对于光纤通信 的发展来说是一个很大的突破。同年，对于光纤通信中使用的光源也得到了实 质性的发展，美国贝尔实验室以及前苏联都先后突破了半导体激光器在低温或 者脉冲激励条件下工作的限制。1 9 7 6 年，美国在亚特兰大成功的进行了光纤通 信系统的现场测试，从而使得光纤通信不再局限于实验的研究，真正的进入了 实际应用的阶段，具有很大的意义。在随后的时间里，光纤通信技术迅猛发展， 与传统的电缆展开了激烈的竞争，并逐步的取代了传统的电缆。 光纤通信的发展主要经历了基础研究的阶段、低速率数据传输以及短距离 发展应用阶段和超高速率超大容量超长距离通信的新技术研究应用阶段。 对于光纤通信来说，超高的数据传输速率、超大的数据容量以及超长的距 离传输数据是我们的追求，随着技术的不断发展，未来在光纤通信系统实现全 光网络不会只是梦想。全光网络是指信息始终以光的实行进行传输，交换机对 于用户的信息不按比特进行而是按波长来决定，并在节点处以光节点代替电节 点，实现节点之间的全光化 4 1 。目前的光纤传输系统中只是实现了节点之间的全 光化，没有实现节点处的全光化，在节点处依旧使用的是电器件，从而限制了 光纤通信系统速率、容量以及传输的距离。 资料表明：人对外界信息的获取上面，其中对于视觉信息的获取最多，( 视 觉信息占总信息量的6 0 、听觉信息为2 0 、触觉信息为1 5 、味觉信息为3 、 嗅觉信息为2 ) 。因此，以视觉信息为主的信息技术发展最快，也最受大众的欢 迎。与其他的传输媒介相比，光纤具有衰减低、频带宽、抗干扰性能强、重量 轻、价格便宜的优点，以光纤为传输媒介的数据传输系统越来越多，应用的环 境也越来越恶劣，( 如电磁干扰强、腐蚀性强的环境) ，光纤相比传统的电缆，光 纤更加适合作为数据传输的媒介。随着数据业务的爆炸式增长，信息高速公路 2 武汉理工大学硕士学位论文 变得越来越拥挤，光纤通信技术以其绝对的优势成为了所有的通信系统中最佳 选择方法之一，与其相关的光器件、光系统、光网络的设计与研究，已经成为 了国际、国内研究的重点和应用的热点。因此，研究光纤数据传输系统，非常 具有意义。 1 3 本文的研究内容 本设计的基于p c i 接口的光纤数据传输卡，是应用在超声辐射力弹性成像 系统中来完成数据传输功能，而当前大多数医用系统中使用的数据传输卡是基 于f p g a 的u s b 接口的数据传输卡，相比u s b 接口的数据传输卡，基于p c i 接口的光纤数据传输卡在使用上隔离了超声辐射力弹性成像系统和主控机，这 样可以有效的减少甚至避免主控机电源不稳等给超声辐射力弹性成像系统带来 的干扰，同时f p g a 的逻辑也更加复杂，可以满足超声辐射力弹性成像系统图 像数据的传输要求。 本文主要完成了以下几个方面的工作： ( 1 ) 分析了当前光纤通信中的技术以及p c i 总线接口的协议，对系统设计 中各个环节的关键技术以及设计的难点进行了探讨，同时对当前光纤通信中使 用的器件进行了对比并选择合适的光通信模块来实现光数据通信以及选择合适 的方法来实现p c i 总线接口的逻辑，结合f p g a 数字处理的方法，提出了整体 方案的设计； ( 2 ) 详细介绍了系统中各个功能模块的硬件电路设计，并初步分析了系统 中各个功能模块的电路设计能否达到要求，完成了系统的原理图设计以及p c b 的设计： ( 3 ) 介绍了系统的主要功能模块的软件程序设计，主要包括定制a l t e r a 公 司的3 2 位p c ii p c o r e 来实现p c i 总线接口的逻辑，编写f p g a 内部逻辑和控制 代码，并编写p c i 总线接口的驱动程序，来完成本设计的板卡与上位机机之间 的通信； ( 4 ) 调试板卡中各模块电路，测试板卡是否满足设计的要求。 1 4 论文的结构安排 第l 章介绍了项目的应用背景、设计的目的和意义、发展的趋势以及完成 武汉理工大学硕士学位论文 的主要任务和论文结构的安排； 第2 章详细介绍了光通信的基本原理与电路结构，讲述了当前在光通信中 广泛应用的光收发一体模块的原理和优点； 第3 章主要介绍了系统方案的整体设计，以及在关键电路上的元器件选 择，关键电路的设计结构； 第4 章主要介绍了本系统的硬件设计，各工作模块的详细设计电路，设计 出了系统的原理图以及p c b 板； 第5 章介绍了本系统的软件设计，包括定制a l t e r a 公司的p c ii p c o r e 来实 现p c i 总线的逻辑，f p g a 内部控制逻辑的设计和板卡底层驱动程序的设计等几 个主要功能模块的设计； 第6 章展示了本设计的板卡的调试结果； 第7 章为论文的总结和展望。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章光通信的基本原理 光纤通信系统按照传输的信号类型可以分为数字光纤通信系统和模拟光纤 通信系统。光纤通信系统的基本结构是由信号源、光发射机、光纤线路和光接 收机几个部分组成，信号源一般指语音、图像、数据或者多媒体信号，光发射 机负责将信号源的信号转变成适合光纤传输的信号，转换之后的信号经光纤传 输给光接收机，光接收机则将接收到的光信号转变成电信号，恢复出和信号源 信号相同的语音、图像等信号【5 】，本论文主要讲述数字光纤系统的原理结构，图 2 1 为基本的光纤传输系统： 发射 - 摹本光纤传输系统一 信 电光光电 息 发发接接 射射收收 源 机机 机机 一 电信号输入 图2 1 基本的光纤通信系统 2 1 数字光发射机原理 卜_ 一 电信号输出 数字光发射机的功能是把信号源输出的电信号转换为适合光纤传输的光信 号，并用耦合技术有效注入光纤线路，通过对光源进行调制，使得转换后的光 信号里面承载着电信号中有效的数据信息，光源的调制方式主要有直接调制和 外调制两种，对光源进行调制的参数有功率、幅度、频率和相位【6 1 。目前光纤通 信系统中大多采用的调制方式为直接光强调制。 数字光发射机主要由光源和电路组成，光源的作用是用来实现电信号与光 武汉理工大学硕士学位论文 信号之间的转换，并设计调制电路和控制电路等，使转换之后的光信号能够准 确的承载电信号中的数据信息，数字光发射机的原理结构框图如下图2 2 所示。 电信 号输出 图2 2 数字光发射机结构 其中，输入接口用于接收电信号，目前大多数采用差分信号输入的形式， 这样可以减少噪声的干扰，线路编码则对输入的电信号进行编码，使得转换后 的信号更加适合在光纤中进行传输，并通过调制电路和控制电路，控制光源准 确的产生承载电信号的数据信息的光信号，并发送给光纤，为了保证输出的光 信号有稳定的光功率，控制电路通常使用自动功率控制电路( a p c ) 和自动温度控 制电路( a t c ) 。 2 2 数字光接收机原理 光信号经过光纤传输一定的距离之后，信号的功率会逐渐减小、波形也会 发生变化，数字光接收机的功能就是提取出经过光纤传输后的微弱光信号，通 过放大信号，均衡以及判决等处理，最后恢复成电信号数据，可以看出，判决 的门限直接关系着恢复的码流的正确率，下图2 3 为直接光强调制的数字光接收 机的原理结构框图： 图2 3 数字光接收机框图 其中，光检测器用来检测接收到的光信号，对检测到的光信号进行转换为 6 武汉理工大学硕士学位论文 电信号，光检测器的性能好坏直接影响了光接收机的性能，要使用性能稳定、 功耗低、噪声小并且能够接收微弱光信号的光检测器。 电信号的放大主要采用前置放大器和主放大器两级处理，为了更好的放大 微弱的电信同时降低噪声的影响，前置放大器一般采用低噪声放大器，而主放 大器一般采用多级放大器，并结合自动增益控制( a g c ) 电路，在提供足够的放大 增益的同时，增益与控制电压有线性的关系，即便输入的光信号在一定范围内 变化，输出的电信号都能够保持一个恒定的状态，从而决定了数字光接收机的 动态变化范围。 发射端的光信号经过光纤传输一定的距离后波形会发生失真，在接收端经 过转换为电信号，并经过信号的放大，但是还是会有一定程度上的失真，而补 偿的目的是对失真的电信号进行补偿，经过补偿后的电信号适合判决，这样可 以减小甚至消除信号码元直接的干扰；判决电路则对补偿后的电信号进行取样 判决，最终恢复出原发送的码涮7 1 。 数字光接收机的噪声主要有两个部分的噪声，外部电磁的干扰噪声和内部 器件产生的干扰噪声，其中外部电磁干扰噪声可以通过屏蔽和滤波加以消除， 而内部噪声是在信号检测以及放大的过程中引入的噪声，是器件本身的噪声， 因此只能通过选择良好的器件和设计合理的电路来尽量降低，一般情况下这种 噪声不可能完全消除。 2 3 光收发一体模块 随着通信技术的发展，在海量、长距离数据传输方面，越来越多的光纤取 代了传统的电缆传输数据，用到了越来越多的光电信号转换设备，发展出了光 收发一体模块，该模块将传统的发射、接收分离组件合在一起，密封在同一个 管壳内，器件的性能更加的优异，用户使用起来也更加的方便。 光收发模块按照外形分有1 9 光模块、2 * 5 光模块、s f f 光模块、s f p 光模 块等；按照传输数据的速率分有1 5 5 m b p s 、6 2 2 m b p s 、1 2 5 g b p s 、2 5 g b p s 等。 用户可以按照需要来选择合适的光模块，目前使用最多的是1 9 光模块，以下 主要介绍的1 9 光模块的工作原理。 光收发一体光模块具有以下优点： ( 1 ) 良好的性能：光模块内部的发射部分和接收部分是独立分离的，发射 部分和接收部分采用分离的电源和接地，设计者可以一起使用也可以单独使用 武汉理工大学硕士学位论文 某一功能，很大程度上减少了发射部分和接收部分之间的相互干扰； ( 2 ) 小型化：光模块采用高集成度的集成电路来完成发射部分和接收部分 的功能，并将两者密封在一起，极大的方便了系统设计； ( 3 ) 高可靠性：光模块内部采用i c 并进行隔离，所有的电路都是密封的， 极大的提高了光电器件的使用寿命，保证电路的可靠性； ( 4 ) 成本低：光模块较以前的光收发分离组件，减少了电路的复杂度和原 材料，同时节约了很大的电路板空间，在很大程度上都节省了成本。 光收发一体模块主要由插拔式光电器件、电子功能路线和s c 接口三部分组 成。光发射部分除了具有将信号源输出的电信号转换为适合光纤传输的光信号， 并用耦合技术有效注入光纤线路外，同时还具有发射禁止和监视输出功能；光 接收部分具有将光信号转换成电信号外，还具有无光报警功能。随着技术的发 展和设计者的需要，光收发一体模块的品种会越来越多，技术也会越来越完善， 在数据通信和电信传输中会有更加广阔的应用空间。 2 3 1 光模块发送部分原理 光发送单元电路主要整形、光源驱动电路、激光器、自动功率控制电路、 温度补偿电路、背光检测电路等组成。其中激光器有温度老化效应，因此为了 能够使光模块长期稳定地工作，发送电路中增加了自动温度补偿电路以及自动 功率控制电路，如下图2 4 所示为光发送单元的结构框图： 信号 j 心 f 础三j _ ：点写粥，k 激光器l 1 d “ 1 拦 刁儿梆怅驯i 下 b | a p c g i 剃p i 上 _ 温度补偿背光检测 【。 il 匕较放大 图2 4 光发送单位的结构 在光发送单元电路中，光源驱动电路和激光器为电路的核心部分，光源驱 动电路主要功能是通过处理过的数字电信号来调制光源器件的发光强度，驱动 激光器发出一定功率的光信号；而激光器接收到光源驱动上一定程度的激励信 号后，内部形成光振荡，产生相干激光输出信号【钔。 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 2 光模块接收部分原理 光接收单元的功能是将发送单元的光信号转换成电信号，接收单元对光信 号的灵敏度以及信号转换过程中的误码率直接影响了光纤传输系统的性能，同 时对光纤传输系统影响很大的是光纤传输距离等。光纤传输系统和其他通信系 统一样，光信号经过光纤传输的过程中不可避免的会引入各种噪声，数字光接 收单元需要在带有各种噪声的微弱光信号提取出正确的信号，从中正确的判决 出码元信号1 9 。影响码元的判决因素主要有两类：一类是在信号经过光纤传输之 后发生了失真，该种失真可以通过波形整形尽可能的减小失真：另外一类是在 信号传输过程中，信道中引入系统噪声、白噪声等各种无法避免噪声信号，解 决该类噪声的方法有使用性能更好的元器件、尽量使用集成电路来代替分立元 器件、加滤波电容或者接地去耦电容，都可以在一定程度上减小该类噪声。 光接收单元的结构框图如下图2 5 所示，该单元电路主要由光检测器、放大 器、自动增益控制电路( a g c ) 、均衡电路、判决再生电路及时钟判决电路等组成。 ij 均衡判决再事 前盖放大器 币以人硒 i i ：t ! 个l t 。： p ” j “一：u 一”i ，4 ，一一一 ! r r i l a p di _ 爿时钟判决卜 l ；t i ： ha g c 挖制l 。f 。+ r h ! l a p 。偏压电路 一1 l ! l 一一jl ：“j 图2 5 光接收单元的结构框图 其中，光检测器正常工作时需要较高的电压，同时它的倍增特性受温度的 影响，因此通常在光检测器偏压电路后面加上一级自动增益控制电路进行控制， 并对光检测器采取温度补偿措施。前置放大器和主放大器结合，对转换后的光 信号进行放大，并通过自动增益电路( a g c ) ，将不同功率的输入光信号，其放大 增益是通过自动增益控制电路调整得到不同大小的值【1 0 】。均衡器的输出一般分为 两个部分，一部分信号送往判决电路；另一部分信号经峰值检波器之后送入a g c 电路，通过a g c 电路控制使均衡器有稳定的输出。对于判决电路来讲，电路中 对电信号的判决时刻和判决门限都对输出结果产生影响，而判决时刻以及判决 门限的设置主要取决于时钟提取电路的工作性能，数据时钟恢复电路的性能直 9 武汉理工大学硕士学位论文 接影响了接收单元的误码率，该部分设计的好坏对光模块接收单元有重要影响。 2 4 小结 本章主要是光纤通信的原理结构，并介绍了在当前光通信中广泛使用的光 收发一体模块的电路原理，以及使用光纤收发一体模块的优越性。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章系统方案的整体设计 3 1 系统实现方案 从系统的使用角度考虑，本设计主要由两块p c i 光纤数据传输卡组成，其 中，一块板卡是通过p c i 接口插在p c 机的主板上，并通过光纤与另外一块光纤 板卡相连接，根据板卡的传输功能可以分为发射卡和接收卡，系统的结构框图 如图3 1 所示。由于本设计的数据传输卡是使用在超声辐射力弹性成像系统中， 当超声辐射力弹性成像系统的数据处理完之后，经f p g a 将数据传输给本设计 的板卡，然后传输给p c 机进行处理和显示。因此，在实际的应用中，将调试成 功的光通信部分电路加到超声辐射力弹性成像系统的f p g a 数据处理卡中，即 框图中的信号源。在设计和调试阶段，应该设计两块板卡，使用这两块数据传 输卡来测试光通信部分电路的正确性，当光通信部分电的路测试结果正确时， 可以单独的做一块光通信的数据传输卡或者将光通信部分的电路加到f p g a 的 数据处理卡中，而对b 超系统的结果没有任何影响。 图3 1 系统结构图 通过前文对光通信的原理以及当前的一些光通信器件特性的介绍，在光通 信电路设计中可以使用目前市场上应用最广泛、技术也最成熟的光收发一体模 块，这样，在测试阶段就不需要单独设计两块板卡，而只需要设计一块光纤数 据传输卡，板卡没有严格意义上的发送卡和接收卡之分，都具有发射数据和接 收数据的功能，这样可以大大的减少设计的成本，由于两块板卡都是一样的， 武汉理工大学硕士学位论文 调试起来也相对简单了很多。当调试的结果能够满足设计的需要后，再将光通 信部分的电路单独制卡或者加到f p g a 数据处理卡中，极大的方便了调试。然 后，本设计的板卡以f p g a 芯片为核心，实现高速串行数据的转换控制，存储， 并完成与p c i 接口的逻辑，实现与p c 机的通信，从而完成了整个数据传输的过 程。因此，单板的结构也基本确定，图3 2 为本设计的光纤数据传输卡的单板结 构图，从结构上看主要有光收发模块、f p g a 处理模块以及p c i 接口三部分组成。 秒 ? 势 ”吁 掣 f p g a 处理 光收发模块p c i 接口 模块 图3 2 光纤数据传输卡结构图 本系统的结构从实际的应用角度来看主要有以下3 个优点： ( 1 ) 超声辐射力弹性成像系统中的超声信号非常微弱，转换成电信号时噪 声也较多，而计算机的电源系统噪声相对较大，本设计的数据传输卡完全将超 声辐射力弹性成像系统与计算机分隔开，使得计算机的电源噪声对超声辐射力 弹性成像系统没有任何的影响。同时，该板卡也可以使用中其他的系统中，完 成数据的传输功能，传输的速率高； ( 2 ) 设计的板卡同时具有发射和接收功能，使用起来方便，也节约了设计 的成本，减少了调试的麻烦； ( 3 ) 由于设计的板卡最终是要插在p c 机主板上使用，那么板卡的面积不 宜过大，而使用f p g a 来实现p c i 接口的逻辑，不选择专用的集成a s i c 来实现 p c i 接口的逻辑，极大的节约了板卡上的空间，同时设计更加灵活。 3 2 设计的关键技术 本设计的基于p c i 接口的光纤数据传输卡使用光纤来传输数据，并通过p c i 接口来完成与p c 机的通信，在设计时主要有以下几个问题： ( 1 ) 光通信部分的设计 本设计中使用光收发模块一体模块来实现光通信的功能，光收发一体模块 一方面是将信号源输出的电信号转换为适合光纤传输的光信号，并将转换后的 光信号注入光纤线路，即完成发射端的功能；另一方面把经光纤传输后光功率 小、波形发生了失真的光信号转换为电信号，并放大一定增益送给判决器进行 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 判决，最后还原为与原发射电信号具有相同信息的电信号，即接收端的功能【1 0 l 。 实际使用的1 9 光模块传输的数据信号为串行的数据信号，而数据源传输 出来的数据为并行的信号，因此光模块发射端的数据进入光模块传输之前要经 过并串转换，接收端的数据在进入f p g a 之前要经过串并转换，同时光收发模 块与高速串并并串转换芯片之间不能够直接互连，要经过接口的转换，在设计 时要根据板卡上的工作电压、光模块的传输速率、f p g a 的工作频率等考虑，选 择合适的光模块接口以及串并并串转换芯片。 ( 2 ) p c i 接口的实现 当前实现p c i 接口逻辑主要有两种方式： 1 ) 使用专用的p c i 接口控制芯片，选择使用这些专用a s i c ，设计者不用 设计复杂的p c i 总线接口逻辑，并且只需要大致的了解p c i 总线的协议，这样 可以大大的缩短设计者开发项目的周期。但是使用这些专用a s i c 的缺点是设计 者只能够根据设计的需要使用到这些专用芯片的一部分功能，比较浪费资源， 而增加了设计的成本； 2 ) 使用可编程逻辑芯片f p g a 来实现p c i 总线，目前f p g a 的制造商都提 供有p c i 总线接口的i p c o r e ，设计者可以根据自己需要的功能来定制不同功能的 i p c o r e ，然后通过仿真来验证p c i 总线逻辑，可以极大的降低设计的成本，因此， f p g a 芯片被越来越多的设计者用来实现p c i 总线接口的逻辑。当然，设计者也 可以通过对p c i 总线协议的理解，自己编写p c i 总线逻辑，由于p c i 总线的时 序较复杂，使用该方法比较费时，会增加设计的开发周期。总之，使用f p g a 来实现p c i 总线，可以根据自己需要的功能来定制不同功能i p c o r e 或者自己编 写不同功能的i p c o r e ，可以帮助设计者设计出更好性能、更低价格的p c i 总线接 口电路板。 本设计中使用第2 种方式来实现p c i 接口的逻辑，设计者可以根据自己的 实际需要来定制不同功能的i p c o r e ，通过仿真来验证正确性，并自己编写本地侧 的逻辑控制，具有极大的灵活性，节约了成本，也极大的缩小了板卡的面积， 使用起来更加地方便。 ( 3 ) 底层驱动的设计 w i n d o w s 从总体上分为内核模式和用户模式。w i n d o w s 的核心代码运行在 内核模式下，内核模式运行在c p u 的r i n 9 0 层，运行在内核模式下的w i n d o w s 的核心组件是安全的，不会受到恶意攻击，所以这些核心组件可以进行所有权 限的操作。w i n d o w s 的非核心代码运行在用户模式下，用户模式运行在c p u 的 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 r i n 9 3 层，运行在用户模式下的应用程序的权限是受到限制的，如果应用程序想 要做一些敏感操作时，如直接访问物理内存、物理端口，需要向内核模式下的 组件提出请求【l l 】。p c i 设备硬件资源是由w i n d o w s 操作系统根据p c 机中所有设 备对资源的占有统一分配的，属于用户模式，运行在c p u 的r i n 9 3 层，同时因 其功能和应用领域的特殊性，w i n d o w s 操作系统不对其提供专门的驱动程序， 应用程序设计中也不提供a p i 函数，因而设计者需要自己设计驱动程序，编写 驱动程序的主要目的是为了操作硬件设备，这些对硬件设备的操作包括访问物 理映射内存、设备的端口等【1 2 】。 ( 4 ) f p g a 控制处理的设计 本系统传输的数据为b 超系统检测并经过处理之后的数据，在数据处理的 速度上有较高要求，综合考虑了系统设计的可实现性，数据处理过程中大概需 要的逻辑门数量，设计中的f p g a 大概需要多少输入和输出端口，设计的成本 等要求，最后选择了采用a l t e r a 公司的e p 4 c e l 0 f 2 5 6 作为本系统的f p g a 数 据处理芯片。 在本系统中，f p g a 主要有以下几个功能： 1 ) 作为光模块串并并串转换芯片的是控制逻辑，通过改变芯片的控制管脚 时序来实现信号的串并并串转换功能，接收转换之后的并行数据信号并将该数 据信号进行存储，即完成光收发一体模块的发射和接收功能； 2 ) 系统对于p c i 接口的使用是通过i p c o r e 来实现的，需要在f p g a 里面定 制i p c o r e 来实现p c i 接口的逻辑，需要编写本地侧逻辑，完成本地侧总线的有 关功能的实现。 3 3 设计的注意事项 本设计的板卡在传输数据的速率较高，同时p c i 接口的逻辑比较复杂，因 此在设计板卡是特别需要注意以下几点： ( 1 ) 光收发一体模块采用的1 9 光模块，该模块的信号线采用差分的输入 输出信号线，在设计时差分成对出现的信号线在到达芯片或者模块时应该尽量 的保持等长，同时由于传输的速率较高，光模块与高速i c 尽可能的靠近一些： ( 2 ) 为了减少光模块调试过程的麻烦，光模块的电源时一定要注意加滤波 电路以及接地电容，电源的任何波动都会对光模块的信号产生影响，本设计的 板卡通过p c i 接口和p c 机相连接，接口的电压标准有+ 5 v 和+ 3 3 v ，为了避免 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 p c 机的干扰，设计板卡电源也要注意加上合适的滤波电路； ( 3 ) 由于p c i 接口的逻辑复杂，同时信号传输的速率较高，p c i 对负载的 要求是极其严格的，为了减少调试时的麻烦，p c i 的协议对于p c i 板卡上的信号 线的最大线长度有以下规定： 1 ) 对于p c i 总线接口，接口中所有的3 2 位部分的信号线，其最大的线长 度不能超过15 0 0 m i l ； 2 ) 对于p c i 总线接口，接口中所有的6 4 位部分的信号线，其最大的线长 度不能超过2 0 0 0 m i l ： 3 ) 对于p c i 总线接口中的时钟线，其长度必须在2 4 0 0 m i l 到2 6 0 0 m i l 之间， 并且该时钟线只能和板卡上的一个负载连接【1 3 】。 3 4 小结 本章主要介绍了系统的整体结构和设计过程，对本设计中的几个关键技术 进行了探讨，最后介绍了本设计中应该着重注意的几个地方。 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章系统的硬件电路设计 本系统的硬件电路主要有光模块电路，p e c l 接口电路，串并转换电路， f p g a 电路，j t a g 以及配置下载电路，时钟电路，p c i 接口电路和电源电路等 构成，设计的硬件电路框图如图4 1 所示。 图4 1 系统的硬件电路框图 系统由两块p c i 传输卡组成，根据传输功能分为发送卡和接收卡，是根据 光模块的发送接收功能区分的，由于光模块采用给的是1 9 收发一体光模块， 同时转换芯片t l k l 5 2 1 有串并并串转换功能，发送端和接收端两块板卡的电路 一样，都具有发送数据和接收数据功能。 数据流的走向为：发送端板卡从数据源( b 超系统的测试数据) 接收到数据之 后，经过光模块的并串转换成适合光纤传送的串行信号，然后通过p e c l 接口转 换之后发送给光模块，光模块对数据进行处理之后，经光纤发送给接收端传输 卡，接收卡的光模块通过光纤接收到传输数据，经过简单处理之后发送给串并 转换芯片t l k l 5 2 1 ，转换成并行数据信号交给f p g a ，f p g a 对数据进行处理之 后通过p c i 接口发送给p c 机，即完成完整的数完整传输过程。反方向从p c 机 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 上的传送过来的数据，也是经过类似方法完成数据传输过程。 下面对本系统的几个主要硬件模块进行介绍：包括光模块工作电路，j t a g 以及配置下载电路，时钟电路，p c i 接口电路以及其他电路。 4 1 电源电路模块设计 要保证系统正常工作