一种多通道数据接口卡的设计与实现

一种多通道数据接口卡的设计与实现

0多通道数据传输卡的设计在电子系统、网络系统、雷达等严重干扰的情况下，为了实时传输传感器采集的信号，需要进行高带宽、干扰和高可靠性数据分布的路径。传统的局域网技术难以满足高速数据实时传输的要求。如果采用电缆作为传输介质,不仅数据传输速率和传输距离受到限制,也极易受到电磁干扰的影响而发生误码。为了保证数据传输的可靠性,需要采用光传输技术。由传感器采集到的模拟信号经A/D变换后转换为多位数字信号,根据对A/D变换的不同精度要求,变换后的数字信号一般为8～16位。如果每一位数字信号都通过一路光信号进行传输,每一路采集到的模拟信号都需要大量的光电器件,对于带有多路信号采集的数据传输卡,不仅体积庞大,成本也较高。为此,在多通道数据传输卡的设计中,采用时分复用技术,首先把经A/D变换后得到的并行数字信号转换为一路高速串行信号,再转换为光信号发送出去,这样不仅可以降低数据传输卡的成本,更重要的是可以实现数据传输卡的小型化,实现空间高密度的数据传输。本文采用时分复用技术和同步光传输技术,设计实现了多通道数据传输卡,每通道最多可传输20位并行数据(对应一路高精度A/D或两路低精度A/D),每一个全双工传输通道采用两根光纤作为传输介质,可以代替一根96芯的电缆。数据传输卡上可配置的通道数由传输卡的物理尺寸决定,一般可配置1～6个通道。该数据传输卡不仅可以用来传输同步采集数据(带有同步时钟的A/D变换数据),也可以用来传输异步采集数据。1数据传输卡的工作原理多通道数据传输卡采用模块化设计,每一通道都可以单独使用。在设计中采用时分复用传输技术以减少光电器件的数量,降低成本和实现硬件设备的小型化。该数据传输卡提供VME总线接口,之所以选择该接口主要是为了利用VME主机的高可靠性和良好的机械性能。根据不同的用户需求也可提供PCI总线接口,PCI主机价格便宜,但PCI总线接口的带负载能力、可靠性和机械性能不如VME总线接口。以带VME总线接口的数据传输卡为例,具有3个全双工传输通道的数据传输卡的工作原理如图1所示。数据传输卡在功能上由以下几部分组成:总线接口模块该模块用来实现数据传输卡和计算机总线的数据交换,对输入输出信号进行驱动。数据编码和译码模块该模块对发送和接收的数据进行编码和译码,保证数据的正确传输。通道选择模块该模块用来选择数据在各组全双工工作链路中的流向。数据发送模块把并行数据经时分复用后以光信号发送出去。数据接收模块把接收到的光信号经光电转换和解时分复用后恢复为并行电信号。辅助模块包括时钟产生电路,偏置电路,滤波电路,链路状态显示电路等。数据在三通道数据传输卡上的发送过程如下:(1)数据经VME总线接口模块传输到可编程逻辑器件(EPLD),总线接口模块和可编程逻辑器件之间通过数据总线、地址总线和控制总线相连,实现数据、地址和控制信息的双向传输。(2)数据在EPLD经汉明编码后传送到发送缓存。(3)发送缓存中的数据经通道选择后发送到相应的数据发送模块,在该模块,并行数据经信息编码后转换为高速串行数据流,经光电转换后以光信号发送出去。数据发送过程中所需的同步并行时钟由时钟产生电路驱动,频率范围为7.5～75MHz。数据在三通道数据传输卡上的接收过程如下:(1)接收到的光信号在数据接收模块首先经光电转换变为电信号,在经解时分复用变为并行信号,经信道译码后传送到接收缓存。(2)接收缓存中的数据经通道选择后传送到可编程逻辑器件EPLD。在EPLD中经汉明译码校验后传送到VME总线接口模块。2全双工数据传输卡trt多通道数据传输卡每通道最多可以收发24位并行数据,同步时钟范围为6.3～62.5MHz。该卡不仅可以收发同步并行数据,也可以用来收发异步并行数据。采用该卡传输异步并行数据时会造成相位失真,在实际应用中应根据系统允许的最大相位失真来确定同步时钟的频率。传输异步并行数据时,多通道数据传输卡可能产生的最大相位失真与时钟频率的关系如图2所示。采用该数据传输卡传输并行数据、地址和控制信号,可以代替体积庞大的电缆,同时可以提高系统抗电磁干扰的能力,扩展信号传输的距离。每一全双工数据传输通道可以双向传输20位并行数据/地址信号和4位控制信号,可以代替一条96芯的电缆(采用电缆传输时需采用双极性信号)。可以选择单模或多模传输,最大传输距离分别为3.5km和600m。该卡的性能如表1所示。多通道数据传输卡的最大通道数由系统允许的最大功耗和传输卡的物理尺寸决定。采用5V电源时一般可以传输3个全双工通道或6个单工通道;如果采用3.3V电源,最多可传输6个全双工通道。该数据传输卡的主要应用对象为:(1)需要进行高速数据传输的场合,单通道最高数据传输速率为1500Mbps。(2)需要抗强电磁干扰的场合。(3)需要高互连密度的场合,每一全双工通道可以代替一条96芯的电缆。(4)需要长距离传输的场合,最大传输距离为3.5km。该数据传输卡的应用方式可以采用点对点、点对多点等各种传输模式,在每一种模式下都可以采用单工和全双工工作模式,分别如图3(a)～(d)所示。3全双工传输通道本文采用虚拟并行传输技术和光传输技术,设计和实现了用于高速数据可靠传输的多通道数据传输卡。该卡最多可以配置6个全双工传输通道,单通道数据吞吐量可以达到3Gb