（物理电子学专业论文）线阵ccd的读出系统研究.pdf

郑重声明 4 l ilt1 11 1 111 1 11 1i ii ii y 18 3 2 5 5 6 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者：i 心鑫托 嗍沙户年厂月f 日 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州 大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学 位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑 州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者：象j 宓鞭 日期： 吖。年多月厂日 摘要 摘要 本文以闪烁光纤阵列探测器的研发为背景，介绍了一种高速线阵c c d 读出 系统的构成。本论文主要完成了读出系统的p c 端软件设计，其中包括驱动和应 用程序的设计；进行了读出系统中数据传输部分基于p c i 总线的数据传输板( p c i 光纤接收板) 的设计；最后对该c c d 读出系统的数据读出和传输性能进行测试 并给出了测试结果。 本文首先介绍了c c d 读出系统的功能、硬件和软件设计，其中p c i 光纤接 收板的设计和系统软件的设计是本文工作的重点。对于p c i 光纤接收板，本文 介绍了其功能、各个模块的设计和接收板的p c b 设计，并介绍了光纤传输和 r o k e t i o 技术、p c i 总线的特点、配置方法以及数据传输方式。同时该传输板 还可以作为一个通用的数据传输板灵活运用于其他探测器的数据传输。系统的 软件部分主要包括驱动程序和p c 端数据获取程序的设计，软件部分主要完成的 任务是数据的获取、处理和显示以及实现上位机对设备的控制。该系统中采用 了u s b 和p c i 两种总线方式实现数据传输，因此驱动部分的介绍也分为u s b 和 p c i 两种，其中设计u s b 驱动采用的开发工具为w i n d r i v e r ，设计p c i 驱动采用 的开发工具为p l x 公司提供的p l xs d k 开发包，他们都属于w d m 驱动的范畴。 软件部分开发的平台为v c + + 6 0 和l a b v i e w 8 0 。v c + + 6 0 是开发动态链接库的 工具，动态链接库源程序的编写和动态链接库的生成需在v c + + 6 0 中完成； l a b v i e w 是上位机界面的开发工具，它所做的主要工作是通过其外部程序接口调 用动态链接库实现将数据获取到l a b v i e w 平台下进行处理和显示等功能，同时 还可以实现上位机对p c i 和u s b 设备的控制。本论文最后对系统的传输性能进 行了测试，测试u s b 和p c i 的数据传输速率，给出了线阵c c d 的数据获取结果。 关键词：线阵c c dp c iu s b 驱动l a b v i e w a b s t r a c t a b s t r ac t t h et h e s i si n t r o d u c e sar e a d o u ts y s t e r mf o rl i n e a rc c d i nt h ed e v e l o p m e n t b a c k g r o u n do fc c dt e c h n o l o g ya p p l i e dt ob ee x p l o r e di nt h et w i n k l i n gf i b e ra r r a y d e t e c t o r i nt h i st h e s i s ，t h es o f t w a r eo ft h ed i s i g ni sc o m p l e t e d ，w h i c hi n c l u d e st h e d r i v e ra n dt h ea p p l i c a t i o n a tt h es a m et i m e ，t h ef i b e ra n dp c it r a n s m i s s i o nb o a r di s d e s i g n e d a tl a s t ，t h ef u n c t i o nf o rr e a d o u ta n dt r a n s m i s s i o no ft h es y s t e r mi st e s t e d a n dt h et h et e s tr e s u l t sa r eg i v e n f i r s t l y , t h et h e s i si n t r u o d u c e st h ef u n c t i o n ，h a d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g n o ft h ec c dr e a d o u ts y s t e r m a m o n gt h e m ，t h et a s ko ft h ep c io p t i c a lf i b e r t r a n s m i s s i o nb o a r da n dt h es o f t w a r ed e s i g ni st h ek e y p o i n t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h e p c io p t i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o nb o a r d sf u n c t i o n ，t h ed e s i g no fe v e r ym o d u l ea n dt h e p c bd e s i g nf o rt h eb o a r d o p t i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o na n dr o k e t i ot e c h n o l o g y , t h e p c ib u sc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ec o l l o c a t i o nm e t h o da n dt h ew a yo fd a t at r a n s m i s s i o na r e a l s oi n t r o d u c e d t h eb o a r dc a nb eu s e da sac o m m o nt r a n s m i s s i o n t h es o f t w a r e d e s i g no ft h es y s t e r mi n c l u d e sd r i v e ra n dp cp r o g r a md e s i g no ft h ed a t aa c q u i s i t i o n s o f t w a r e n em a i nt a s ko ft h es o f t w a r ed e s i g ni st or e a d t op r o c e s sd a t a , t od i s p l a y a n dt or e a l i z et h ec o n t r o lo fp c i nt h es y s t e r m ，u s ba n dp c ib u sa r eb o t hu s e df o r d a t at r a n s m i s s i o n s ot h ed r i v e rw i l lb ei n t r o d u c e di sf o ru s ba n dp c ib u s t h e d e v e l o p m e n tt o o lf o ru s bd r i v e ri sw i n d r i v e ra n dt h et o o lf o rp c id i v e ri sp l xs d k b o t hw i d r i v e ra n dp l xs d kb e l o n gt ot h ec a t e g o r yo fw d md r i v e r t h e d e v e l o p m e n tp l a t f o r mf o rs o f t w a r ei sv c + + 6 0a n dl a b v i e w 8 0 t h ed l lf i l ei s c o m p i l e di nv c + + 6 0a n dt h ep e c i f i cd a t at r a n s m i s s i o nc a nb ec o m p l e t e di nt h ed l l e x p o r tf u n c t i o n t h et o o lt od e v e l o pp ci n t e r f a c ei sl a b v i e w t h em i a nt a s ko f l a b v i e wi st oc a l ld l lf i l ef r o mi t sc a l ll i b r a r yf u n c t i o nn o d ea n dc o m p e t et h ew o r k t oo b t a i nt h ed a t aa n dt h e n ，p r o c e s sa n dd i s p l a y , b e s i d e s ，t h ec o n t r o lp r o g r a mf o ru s b a n dp c ie q u i p m e n ti sc o m p l e t e d f i n a l l y , at e s ti sm a d e 1 1 1 ed a t at r a n s f e rr a t eo fu s b a n dp c ib u si st e s t e da n dt h et e s tr e s u l to fl i n e a rc c dd a t aa c q u i r i n gi sg i v e n k e yw o r d s ：l i n e a rc c d ；p c i ；u s b ；d r i v e r ；l a b v i e w i i 目录 目录 郑重声明i 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 插图索引v i 第1 章绪论1 1 1 课题研究的背景及意义1 1 2 本文研究的工作2 1 3 论文内容安排3 第2 章系统介绍4 2 1 系统硬件构成4 2 2 系统软件构成5 第3 章p cl 光纤接收板的设计7 3 1 硬件框图7 3 2 光纤接收模块设计8 3 2 1 光纤接收8 3 2 2r o c k e t1 0 接口9 3 3p c i 接口模块设计1 1 3 3 1p ci 总线介绍11 3 3 2p c i 接口芯片的选取1 2 3 3 3p ci 接口的原理设计l3 3 4p c b 设计。l7 3 5 寄存器与e e p r o m 配置1 9 i i i 目录 3 6 数据传输的实现2 1 3 6 1t a r g e t 数据传输方式2 l 3 6 2 本地中断的实现。2 2 第4 章系统软件设计2 3 4 1 驱动程序设计2 3 4 1 1w d m 驱动程序概述2 3 4 1 2 使用win d riv e r 开发u s b 驱动2 5 4 1 3 使用p l xs d k 开发p ci 驱动3 0 4 2 动态链接库的创建3 2 4 2 1 动态链接库介绍。3 2 4 2 2u s b d l l 的创建一3 3 4 2 3p ci d l l 的创建3 6 4 3 使用l a b v i e w 丌发上位机应用程序3 8 4 3 1l a b vie w 简介3 8 4 3 2l a b v i e w 调用外部程序3 8 4 3 3 人机界面设计4 l 4 4l a b v i e wv i s a 模块的应用4 2 4 4 1 生成v is a 驱动一4 3 4 4 2 基于v i s a 通信的实现4 4 第5 章测试结果4 6 5 1u s b 数据传输测试4 7 5 2p c i 数据传输测试4 8 5 3 线阵c c d 数据获取测试结果4 9 第6 章结论5 l 参考文献5 3 附录au s b d l l 主程序5 5 i v 目录 附录bp ci d l l 主程序5 8 个人简历在学期间发表的论文及研究成果6 2 致谢6 l v 插图索弓 插图索引 图1 1 闪烁光纤阵列探测器结构2 图2 1 系统框图4 图2 2c c d 数据采集框图5 图3 1 光纤接收板框图7 图3 2 光纤收发器电路连接8 图3 3 光纤数据流图9 图3 4 电源滤波电路1 0 图3 5p c i 9 0 5 4 的内部结构框图1 2 图3 6p c i 总线主要信号1 4 图3 8p c i p c i 光纤传输板p c b 图1 8 图3 9p c i 光纤传输板实物图1 8 图3 1 0 串行e e p r o m 参数配置2 0 图3 1 lp c i 从模式单周期读时序( 3 2 位总线宽度) 2 l 图3 1 2p c i 从模式突发读时序( 3 2 位总线宽度) 2 2 图4 1 设备驱动程序栈2 4 图4 2w d m 驱动程序层次结构2 5 图4 3w i n d r i v e r 体系结构2 6 图4 4 设备列表1 2 7 图4 5 设备列表2 2 8 图4 6 设备管理器设备列表2 9 图4 7p l xs d k 结构模型3 1 图4 8p c i 数据传输流程图3 6 图4 9d l l 调用配置3 9 图4 1 0 调用u s b d l l 核心程序框图4 0 v 1 插图索弓 图4 1 1 调用p c i d l l 核心程序框图4 1 图4 1 2 一个简单的应用界面4 2 图4 1 3v i s ad r i v e rd e v e l o p m e n tw i z a r d 硬件总线窗口4 3 图4 1 4v i s ad r i v e rd e v e l o p e rw i z a r d 基本设备信息图4 4 图4 1 5u s b 设备基本通信的v i s a 编程4 5 图5 1 测试界面4 7 图5 2u s b 传输测试结果4 8 图5 3p c i 数据传输测试结果4 9 图5 4 二极管两端电压与c c d 像素数据对应关系5 0 v i i 第一章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 北京正负电子对撞机( b e i j i n g e l e c t r o np o s i t r o nc o l l i d e r , b e p c ) 于1 9 8 8 年 1 0 月建成，并于2 0 0 8 年完成升级改造【ij ，建成一台全新的正负电子对撞机 b e p c i i 。随着b e p c i i 升级的完成，位于b e p c 直线加速器末端的试验束也将 随之进行升级改造【2 j 。其中为了进一步提高束流单粒子事例的判选效率和定位精 度，增加双粒子以及多粒子事例的鉴别能力，需要寻找一种可替代内层漂移室 的新型探测器。 新型探测器研究的方案之一为采用闪烁光纤屏，利用像增强器进行光放大， 通过线阵c c d 读出来获取数据。采用c c d 读出，是利用了试验束束团打靶频 率低( 5 0 h z ) 的特点，此外在一个c c d 器件中具有多个光敏单元，且集成了光 电转换、电荷贮存、信号串行输出等功能【3 】，对于高密集的探测器，可以大大减 少读出电子学路数，降低读出系统的造价。 闪烁光纤作为粒子探测器，是近二十多年发展起来的新型探测技术之一。 随着闪烁光纤技术的飞速发展，闪烁光纤在粒子物理实验中也得到广泛应用， 凸现出了探测效率较高、响应时间快、探测单元粒度小、可塑性强等优点【4 】【5 】 6 】。 闪烁光纤阵列探测器可分为前端探测装置和后端信号读出装置两大部分。 由闪烁光纤阵列构成的前端探测装置，相对于多丝正比室等传统探测器来 说，其结构更为简单，因为它只需按照探测器所需的几何尺寸，把光纤一根根 整齐排列，用环氧树脂胶等把所有闪烁光纤粘成闪烁光纤块，然后把两端面精 细加工并抛光即可。 由于单根闪烁光纤的光产额很低，其后端信号读出装置相对来说复杂一些。 目前，信号读出方式主要有两种：光电倍增管直接耦合读出方式【6 】，以及c c d 结合像增强器的读出方式。随着c c d 和像增强技术的发展，采用c c d 作为闪 烁光纤阵列探测器的读出更为方便，其成本也越来越低。 闪烁光纤阵列探测器结构如图1 1 所示，采用c c d 和像增强器相结合的方 式读出。 束流中带电粒子平行于光纤轴穿过光线阵列，闪烁光纤阵列前端敷盖反射 第一章绪论 薄膜，使传输至左端面的光子被反射后再传输至右端面，增强光纤的光输出。 光纤探测器在试验束中不是终端探测器，像增强器不能置于束流线中与闪烁光 纤直接耦合，因此在它们之间插入了一个平面光反射镜。在像增强器与c c d 之 间采用光导光纤进行耦合。因为闪烁光持续的时间特别短，为了提高信号读出 频率，系统采用线阵c c d 作为读出单元，利用c c d 数据采集卡完成信号的采 集，然后通过数据传输电路将数据传输到计算树7 j 瞵j 。 闪烁光纤阵列光反 反射 薄膜 图1 1 闪烁光纤阵列探测器结构 c c d 在整个探测器系统中占有重要地位，它输出信息的正确与否关系到整 个测量系统的精度。目前c c d 种类很多，包括线阵c c d 和面阵c c d 等。通常 情况下，面阵c c d 的读出像素远远超过线阵c c d ，为了能及时读出数据，在同 等要求下，选用线阵c c d 作为探测器件。 本论文介绍了一个线阵c c d 的读出系统，重点介绍是数据的传输和计算机 的数据获取工作的研究，作为闪烁光纤阵列探测器前期研制中的一部分工作。 1 2 本文研究的工作 本文在闪烁光纤阵列探测器的前期研究的背景下，研究了一个多路高速线 阵c c d 的读出系统。本文的研究工作中利用x i l i n x 公司的r t e x 一2p r o 芯片 f p g a 和p l x 公司的p c i 接口芯片p c i 9 0 5 4 实现了光纤接收板的设计，以完成 高速线阵c c d 数据传输的任务。同时，对p c i 接口和用于单路c c d 测试的u s b 接口的驱动程序和应用控制程序进行设计和实现，使计算机能够实现对p c i 和 2 第一章绪论 u s b 设备的识别，进行设备与p c 机的通信，完成c c d 的数据获取工作。最后 通过自行开发的p c 端控制应用程序对本系统的数据传输性能进行了测试并得出 结论。 总体来说，本论文研究所做的工作主要如下： ( 1 ) 完成p c i 光纤接收板原理图和p c b 的设计； ( 2 ) 完成了p c i 0 5 4 的配置以及f p g a 内部程序设计； ( 3 ) 利用p l xs d k 软件包开发p c i 驱动和动态链接库； ( 4 ) 利用w i n d r i v e r 开发u s b 驱动和动态链接库； ( 5 ) 在l a b v i e w 平台下完成了相关应用程序的开发，实现了数据的处理和显 示，以及对设备的控制等功能。 1 3 论文内容安排 本论文供五章，章节安排如下： 第一章介绍了课题研究的背景和意义，并介绍了论文的主要工作。 第二章对整个c c d 读出系统进行了介绍，首先介绍了其c c d 信号采集部 分电路的设计，然后介绍了数据传输部分的设计以及整个系统软件的设计。 第三章介绍p c i 光纤接收板的设计，首先介绍了其作为整个系统的数据传 输部分的传输优越性以及灵活性，然后介绍了其整个电路的设计过程，并对 f p g a 中的r o c k e t i o 技术和p c i 总线技术进行了介绍。 第四章详细介绍了整个系统软件部分的设计，介绍了w d m 驱动构架、p c i 和u s b 驱动及上位机应用程序丌发和应用的过程。软件部分对完成c c d 数据 的获取起到关键性的作用。 第五章中对整个系统的数据传输性能进行了测试，分别对p c i 数据传输速 率和u s b 在两种驱动程序下的数据传输速率进行测试，并对测试结果进行了分 析。 第六章中对整个论文的研究工作进行总结。 3 第2 章系统介绍 第2 章系统介绍 线阵c c d 的读出系统主要由硬件电路部分和软件设计部分组成，其结构框 图如图2 1 所示。 光 p c i 光 数据 f 拜氏 收 光纤) 纤接收 p c i 息线 p 、一 一 线阵p 、r 1 发 少 板c c c d 拱 g 器 机 a ll fl a 一 i j s b 总线 夕 u s b- 一r ， 图2 1 系统框图 2 1 系统硬件构成 系统硬件部分由线阵c c d 数据采集板和基于p c i 总线的数据传输板两部分 组成。 线阵c c d 数据采集板主要负责c c d 数据的采集、缓冲及包装等。其电路 结构包括多路c c d 及其驱动和信号处理电路、f p g a 模块、u s b 和光纤接口以 及电源模块等部分，整体结构图如图2 2 所示。 闪烁光纤阵列探测器产生的光信号经像增强器放大后，通过光导光纤传输 至c c d 的感光面。c c d 在f p g a 产生的驱动时序控制下进行自扫描，将接收到 的光信号转换成电信号，并输出与光强成正比的电压信号。由于输出信号中带 有一定的噪声，在量化前需要对信号进行处理。c c d 信号处理电路采用前置放 大器加专用处理芯片的形式。专用处理芯片集成了相关双采样、可编程增益放 大器、1 2 b i t a d c 等功能模块，能有效的消除c c d 输出信号中的噪声成分，并将 真实的视频信号转换成数字信号。转换得到的数据被送入f p g a 中，f p g a 利用 内部的b l o c k r a m 资源所生成的f i f o 对采集的数据进行缓存，数据经过简单处 理后由数据传输接口传输到计算机中。传输接口有两种，一个是u s b 2 0 接口， 4 第2 章系统介绍 可实现采集卡的即插即用，由于其传输速率相对较低，主要用于单路c c d 调试， 完成主机命令的传送及f p g a 中数据的读取。另一个是光纤接口，用于板间传 输。数字信号通过光纤收发器转换成光信号经光纤传输至基于p c i 总线的光纤 接收板，再通过p c i 总线将采集到的数据传输至计算机中。 图2 2c c d 数据采集框图 d 专用 片 a 9 9 6 5 基于p c i 总线的数据传输板的设计由光纤收发模块、f p g a 、p c i 接口模块、 电源模块等部分组成。它是c c d 数据采集板和计算机之间的桥梁，是数据传输 电路的重点部分。其功能是数据采集板通过光纤传输过来的光信号经光纤收发 器转换成串行的数字信号，再通过f p g a 内部集成的r o c k e t l o 硬核解串成并行 数据，最后使用p c i 9 0 5 4 接口芯片将数据通过p c i 总线传输到计算机。该p c i 光纤接收板的具体设计将在第三章中详细介绍。 2 2 系统软件构成 软件部分主要包括u s b 和p c i 的驱动设计、动态链接库的创建以及上位机 的l a b v i e w 程序设计。 u s b 和p c i 的设备驱动程序位于主机中，是应用程序与底层硬件之间通信 的桥梁。本设计中，u s b 设备驱动程序的设计曾采用了两种方式，一种是采用 开发工具w i n d r i v e r 进行开发，另一种是使用l a b v i e w 软件中的v i s a 模块直 接生成所需的设备驱动程序，然后调用l a b v i e w 中的函数节点进行编程来实 现主机与u s b 设备的通信。p c i 设备驱动程序采用p l x 公司提供的p l xs d k 开发包生成。 5 ；堙卜： 第2 章系统介绍 动态链接库( d l l ) 是一个可执行模块，其创建是在v c + + 6 0 环境中编译 完成。动态链接库的创建是为了能够实现l a b v i e w 与硬件的关联，计算机与设 备通信的具体工作要在动态链接库中完成。w i n d r i v e r 和p l xs d k 都为开发者 提供了丰富的a p i 函数，开发者只需根据的需要利使用这些a p i 函数编写成实 现具体功能的函数，并将这些函数在d e f 文件中定义成导出函数，编译成动态 链接库的形式。这些导出函数要完成数据传输、设备控制等核心工作，其功能 的实现要在l a b v i e w 程序中调用完成。 上位机控制界面采用l a b v i e w 实现，在这里利用了l a b v i e w 强大的图形 化编程功能和其人性化的前面板设计，主要完成了动态链接库的调用、数据的 处理和显示、以及上位机对设备的控制等功能。 6 第3 章p c i 光纤接收板的设计 第3 章p ci 光纤接收板的设计 p c i 光纤接收板是全部读出系统的一部分，同时可以作为一个通用的数据传 输板使用。本章从硬件电路设计、空间配置、数据传输的实现方法等方面介绍 了p c i 光纤传输板的设计。 3 1 硬件框图 p c i 光纤接收板的硬件电路主要包括光纤接收模块，局部总线部分和p c i 接口等部分，系统框图如图3 1 所示。p c i 光纤接收板的功能是接收一个通道光 纤传输的光信号，经过光纤收发器进行光电转换、放大、量化，输出连续串行 的差分信号，再由f p g a 的r o c k e t l o 接口进行解串行和解码后存入f p g a 的 f i f o ( 当数据量大时考虑扩展r a m ) 中；当f i f o ( r a m ) 中的数据准备好后， 在p c i 接口芯片p c i 9 0 5 4 的控制下，经过局部总线送入p c i 总线，将数据写入 计算机中，从而达到数据的获取。 图3 1 光纤接收板框图 7 第3 章p c i 光纤接收板的设计 3 2 光纤接收模块设计 光纤传输具有传输速度快，高带宽；传输损耗低，传输距离远；抗干扰能 力强，无电磁辐射，无接地和短路问题等优点，因此本系统中利用光纤和p c i 总线进行快速数据读出。p c i 光纤接收板的光纤接收模块采用单根光纤和一个光 纤收发器做单向数据接收，然后将光纤收发器的输出传送到f p g a 。 3 2 1 光纤接收 光纤接收部分实现接收光信号并转化为串行差分信号的是光纤收发器。本 设计中光纤收发器选用a g i l e n t 公司的h f b r 一5 9 3 1 l ，它最高支持2 1 2 5 g b s 的数 据传输率【9 】，具有一个通道的光纤信号输入接口、一个通道的光纤信号输出接口 和与之相对应的两对差分信号接口，能够进行全双工的信号传输。光纤收发器 在本光纤接收板的设计中作为一个单方向的接收器使用，其接收过程是将光纤 传输信号转换为电信号，再进行放大和量化，最后收发器输出是a c 耦合的差分 信号。考虑到f p g a 中r o c k e t l o 接口的参考时钟频率为8 7 5 m h z ，因此光纤接 收板采用1 7 g b s 的数据传输率。 光纤收发器的信号引脚与f p g a 间的电路连接比较简单，只需与所使用的 r o c k e t l o 模块中相应的差分信号引脚相连即可。因差分信号是高速的串行信号， 为保证信号的正常传输需要对周围的噪声源进行一定的隔离，每个电源输入引 脚都需要有专门的电源滤波网络。光纤收发器的电路连接如图3 2 所示。 辎( 二：。 0。一茹一2 。l _ _ i * q ro n ：t 1 1 一。 图3 2 光纤收发器电路连接 光纤收发器与r o c k e t l o 连接的只有两对差分线，输出和输入的两对a c 耦 8 第3 章p c i 光纤接收板的设计 合的差分信号，其差分阻抗为1 0 0q ，要在制作电路板的过程中对差分线进行阻 抗匹配。 3 2 2r o c k e t10 接口 r o c k e t l o 是x i l i n xf p g a 内部集成的可编程高速串行收发器，采用两对差 分线进行数据的发送和接收，可以实现两个单工和一个全双工的数据传输，支 持6 2 2 m b s 3 1 2 5 g b s 的全双工传输速率。r o c k e t l o 具有强大的时钟生成和数 据恢复系统，可以自动生成参考时钟，而不需要外围元件，并且具有8 b 1 0 b 的 解编码的功能。r o c k e t l o 收发器发送和接收串行信号，工作于2 5 v 的直流电压 下，内部带有5 0 q 或7 0 q 的匹配电阻。此外，r o c k e t l o 采用了预加重技术，可 以补偿传播媒质中的高频损耗，极大地降低了共模信噪比和线路衰减。基于上 述特点，r o c k e t l o 可以理想地适用于需要很高串行速度的芯片与芯片之间的信 号传输，或者作为高速背板或光纤转发器的接口【m 】。 该光纤接收板中使用的f p g a 芯片是x i l i n x 公司v i i t e x 一2p r o 系列的 x c 2 v p 4 ，它具有4 个r o c k e t l o 接口，分布于f p g a 的上下两端，每条通道可提 供6 2 5 m b s - - 一3 1 2 5 g b s 的传输速率，且不需要发送端配置串行数据速率，这是 因为接收端的工作时钟是从接收数据中提取出来的j 1 2 】。在参考时钟的同步下， r o c k e t l o 对数据进行解串行、8 b 1 0 b 译码操作，输出3 2 1 6 8 位的并行数据，考 虑到光纤数据传输速率和p c i 总线传输速率的匹配，输出数据要通过f p g a 的 f i f o 进行缓冲，再往p c i 总线上传送。数据流图如图3 3 所示： 8 、1 6 、3 2 位数据输入 4 0 l5 6 3 m h z 时钟输入 8 、1 6 、3 2 位数据输出 物理编码子层 物理媒介适配层 ：b 1 0 bu 发送 编码广卅f i f o 并行环路 串并l 蟑 发送时钟 耋盟壁 西石 i 通道绑定 榆测li 时钟修上e 2 0 倍频 爵j 丽： _ 1 弹性缓冲 编码 接收时钟生成 瓣b 蛎 转换l r _ 1 “” 图3 3 光纤数据流图 9 t x + t x r x + r x 第3 章p c i 光纤接收板的设计 为了保证r o e k e t i o 接口的可靠操作，硬件设计应严格按照r o c k e t l o 手册给 出的标准进行设计，需要特别注意的有以下几点： ( 1 ) 时钟考虑：r o c k e t l o 对参考时钟的要求比较严格，其精度一般要求比 较高。因此参考时钟要选用高精度的晶振，推荐使用e p s o ne g 2 1 2 1 c a 2 5 v ( l v p e c lo u t p u t s ) 或p l e t r o n i c sl v l1 4 5 b ( l v d so u t p u t s ) 。 ( 2 ) 电源滤波网络：每个r o c k e t l o 收发器包括4 个电源引脚，每个引脚对 噪声都比较敏感，因此r o c k e t l o - i - 作时要对外围的噪声进行滤除，需要专门供 电并且需要使用专用的电压调整器和无源高频滤波网络。电压调整器只可以为 不同收发器的同种电压源所共用，但每个电源引脚都要有独立的无源滤波网络， 电源滤波网络需根据r o c k e t l o 手册的要求，参照图3 4 所示的电路示意图进行 连接。 图3 4 电源滤波电路 每个r o c k e t l o 收发器的电源管脚都需要一个电容和一个铁氧体磁珠来构成 电源滤波电路，其中电容为o 2 2l af ，采用x 7 r 绝缘材料的0 6 0 3s m t 封装，允 许误差范围为1 0 ，电压为5 v ，并且必须放在距离电源管脚l c m 的范围内。未 使用的r o c k e t l o 的电源引脚也要连接2 5 v 电源，但不需要无源滤波【l 。 ( 3 ) 高速差分信号布线：一对差分信号线的差分阻抗控为1 0 0q ，互补的 两个信号线尽量保持等长，所有信号线下方要有一个完整的参考平面，最好选 1 0 第3 章p c i 光纤接收板的设计 用点到点方式在同一信号层走线，与其他的p c b 走线至少间隔5 倍差分线间距。 整个电路板的布局要以高速信号线布线方便来调整，信号线的总长度要尽量短。 3 3p c i 接口模块设计 3 3 1p ci 总线介绍 p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ) 的含义为外围部件互联，由i n t e l 公司在1 9 9 1 年底首先提出，并联合i b m 、c o m p a q 、h p 、n e c 等1 0 0 家公司组 成了p c i s i g ( t h ep c is p e c i a li n t e r e s tg r o u p ) 来管理p c i 总线。p c i 是一种具有 多路地址线和数据线的3 2 位或6 4 位的高性能总线，总线时钟频率最高可达 6 6 m h z ，适合于多种高速外设l l3 。 p c i 总线是一种被广泛应用的高性能局部总线，它的主要特点有： 数据总线3 2 位，可扩充到6 4 位。 p c i 总线规范独立于微处理器，与c p u 更新换代无关，通用性好。 p c i 设备可以完全作为主控制设备控制总线。 5 v 、3 3 v 两种电源的信号环境可平滑过渡。 高密度插卡减少p c b 面积。 地址及数据奇偶校验系统可靠。 可进行突发( b u r s t ) 式传输，能够确保总线不断满载数据。 总线操作与处理器存储器子系统操作并行。 总线时钟频率为3 3 m h z 或6 6 m h z ，最高传输速率可达5 2 8 m b s 中央集中式总线仲裁。 采用地址数据复用技术以减低成本。 全自动配置与资源分配，p c i 卡内有设备信息寄存器组为系统提供卡的信 息，可实现即插即用( p n p ) 【l 川。 目前，p c i 总线接口的开发一般有两种方式：一是采用可编程逻辑器件，二 是采用专门的接口芯片。采用可编程的逻辑器件实现p c i 总线接口的方法比较 灵活，用户可以根据自己的需要丌发接口模块的功能，而不是将p c i 接口规范 中的全部功能都实现。但是p c i 协议比较复杂，p c i 接口模块设计的难度也比较 大，对于一般小的项目来说，采用可编程逻辑器件实现p c i 接口设计的方法成 本比较高，开发周期比较长，不适合使用l l 训。 第3 章p c i 光纤接收板的设计 一般情况下，为缩短开发周期，没有必要自己去设计全部复杂的接口逻辑， 甚至可以不必完全理解p c i 规范的细节，使用专用的p c i 接口芯片，就能进行 p c i 用户设备的设计。 3 3 2p cl 接口芯片的选取 目前，市场上有一些专用的p c i 接口芯片，如a m c c 公司的$ 5 9 2 0 、$ 5 9 3 3 ； p l x 公司的p c i 9 0 5 0 、p c i 9 0 5 2 、p c i 9 0 5 4 、p c i 9 0 3 0 和9 0 5 4 系列：c y p r e s s 公司 的c y 7 c 0 9 4 4 9 p v - a c 等等【l 引。使用这些专用接1 ：3 芯片，设计者只需使用地址线、 数据线以及一些读写控制信号，就能实现p c i 总线与p c i 用户设备之间的连接。 本设计中使用的专用接口芯片为p c i 9 0 5 4 。 p c i 9 0 5 4 是美国p l x 公司的主推产品，它采用了先进的p l x 数据流水线结 构技术，是3 2 位、3 3 m h z 的通用p c i 总线控制器专用芯片，能够兼容p c iv 2 2 规范，使得p c i 总线到本地处理器的处理速度最高可达1 3 2 m b s ，具有可编程 的突发传输、可编程的中断传输、可编程的局部总线等待状态，能够执行大小 端模式的互相转换，实现p c i 总线到本地的延时读取模式等功能【1 6 】。 内部寄存嚣 p c i 配霞鹰玎器 弱部削霸奇存器 串f f e e p r o l t r u n t i m e 褥行器 _ 一 仞始化 d m a 寄存器 、 1 2 0 潲恩奇存嚣 z ，、 p c i 总线l o c a l 总线 状态机 f i f o s o t 态9 1 懋 缀 p c i 主模式写 一 1 局部扶设备卜 局 鞠 确 p - i 眦叫_ l l i k i 士= 模式泼 解 _ 蒜一_ c 呈 i 墨 总 总 - 1p c r 圭设备e 1 9 m a o lp c i 局部l 一 硒酆圭设备“。- 线 线 接 1 d a , 0 1 局部p c i 一 接 7 口 1p c 一从设备亡 l p c i 从模式写 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