基于FPGA的多通道高速数据传输系统的设计
摘要：通过FPGA实现对8通道LVDS接口电路的控制实现数据收发，利用DDR3 SDRAM实现对数据高速缓存，利用FPGA内嵌的PCI-E硬核以PCI-E DMA的方式实现与计算机之间的高速数据传输。测试结果表明，系统可以实现多数据的高速收发，传输速率可达到300MB/s，目前本系统已成功应用于某数据记录仪中。
关键词：高速数据传输；FPGA；LVDS；DMA；PCI-E总线；DDR3
中图分类号：TP274.2 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）04-0164-01
1 系统总体设计和模块设计
多通道高速数据传输系统组成模块主要包括：LVDS收发模块、FPGA控制模块、DDR3 SDRAM缓存模块[1]。系统的传输板卡是传输系统的核心模块，其作用是控制实现数据的接收与发送功能，通过FPGA控制高速多通道LVDS接口对外部数据的接收和发送，并通过对DDR3 SDRAM 的控制实现高速数据的大容量缓存；传输系统与计算机之间通过调用硬核实现PCI-E总线通信[2]。传输系统中传输板卡的连接方式：通过两个连接器连接到背板，其中通过两个ERNI公司的ERmet ZD 高速连接器连接到背板，而且還通过背板转接实现与计算机COM-E载板PCI-E物理连接；传输板卡的供电模式是标准ATX电源供电，通过连接背板上的ERNI公司的标准CPCI J1连接器实现[3]。
2 系统逻辑控制
系统以Xilinx Kintex-7 XC7K325T-2 FPGA为主控芯片，通过合理配置高速收发器、IO资源实现对8通道LVDS数据收发、DDR3大容量数据缓存、高速PCI-E通信等模块的逻辑控制。使用VHDL硬件语言编写FPGA逻辑程序代码，运用自顶向下的设计思路编程，设计对应的逻辑控制实现各模块功能，并且使用ISE14.7软件进行设计、编译、仿真[4]。
2.1 FPGA控制数据收发
根据DS90CR484A芯片手册进行逻辑控制，将接口芯片PRE、/PD、PLLSEL引脚对应接到高电平设置为可正常工作状态，通过接收芯片串并转化后的48位数据，按照数据帧格式获取有效数据。在编程过程中，FPGA以LVDS接收器芯片内部经数据时钟恢复获取的Rxclkout为时钟标准进行数据解析，其中RPDL为传输延迟时间。
2.2 FPGA控制DDR3数据缓存
DDR3控制器的核心模块采用MIG，系统中模块以多通道形式、利用高速总线互联对接TX FIFO和RX FIFO。该总线具有仲裁特性，既能支持数据通道和PCI-E DMA通道，同时也能申请读写DDR3存储设备。基于DDR3的VFIFO写操作流程图，VFIFO逻辑主要由写控制逻辑（VFIFO_WR_CON）、读控制逻辑（VFIFO_RD_CON）、仲裁逻辑（ARBITRATION）、MIG控制器（MIG_CONTROLER）、初始地址产生逻辑（INIT_ADDR_GEN）组成。VFIFO逻辑中有写缓冲FIFO和读缓冲FIFO，用来对读写数据进行缓冲。
3 系统测试及结果分析
3.1 测试平台搭建
用来对系统进行性能的测试与验证的平台，该平台由计算机平台、高速转接背板、核心传输板卡和外部接收机几部分组成。其中计算机选用研华公司的第三代CPU核心板Express-IB、COM-E载板Express-BASE6作为COM-E模块，该模块具有 PCIe×16（第三代）用于显示或通用x8/4/2/1高速接口插槽，操作系统环境为64位Windows 7系统，FPGA程序下载调试、测试结果显示都在该计算机平台实现。在测试过程中该板卡与计算机的PCI-E插槽的物理链接通过高速转接背板实现，FPGA逻辑控制程序通过JTAG下载盒下载，计算机通过安装PCI-E设备驱动程序建立起核心传输卡与测试应用程序之间连接，这样才能使系统PCI-E通信正常工作。同时，通过LVDS接口实现外部接收机与核心传输板卡数据收发通信。
3.2 计算机数据文件分析
本课题测试应用软件基于VC++在Microsoft Visual Studio 2012编译系统环境下完成。该测试应用的程序具有读写寄存器、DMA TLP测试、DMA 测试和LVDS测试等功能，而且程序也能实时计算接收/发送的数据总量和占用时间，使数据传输速率同步显示。
4 结语
文中详细介绍了基于LVDS的多路高速数据传输系统的设计，并且通过大量可靠的试验对系统性能、传输完整性、速率进行测试测试，最终验证了设计的系统可以实现多通道、高速、大容量信号的发送与接收，同时也在某数据记录仪中取得成功应用。
参考文献
[1]刘黎平，曹俊武，莫月琴，等.雷达遥感新技术及其在灾害性天气测中的应用[J].热带气象学报，2006（22）：1～9.
[2]王怀侠，王 永，王守浩.基于DSP+FPGA数字传输系统的实现[J].电子测量技术，2013，36（11）：98-100.
[3]王晓君，宇文英，罗跃东.基于FPGA的CPCI和LVDS接口技术及应用[J].半导体技术，2007（3）：248-251.
[4]邓建廷.基于PCI Express架构高速交换系统设计和信号完整性分析[D].硕士学位论文.北京：北京邮电大学，2011.
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