隨著人們對海洋資源開發(fā)的日益深入，以及海洋軍事的迅猛發(fā)展，人類在海洋中的活動范圍日益擴(kuò)大，與海洋相關(guān)的各種探測技術(shù)也越來越受到人們的重視。其中高可靠性的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是海洋拖纜勘探系統(tǒng)能否實(shí)際使用的重要標(biāo)志。在這方面國外已有成熟產(chǎn)品，但其成本高且對我國進(jìn)行嚴(yán)格的技術(shù)封鎖。目前國內(nèi)傳輸系統(tǒng)多采用光纖作為傳輸介質(zhì)，其傳輸速率高、無中繼傳輸距離遠(yuǎn)、無電磁干擾，但其成本較高且易損壞，可靠性不高[1]。本文根據(jù)海洋拖纜勘探中水聲數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于LVDS的流水線型數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為海洋拖纜勘探系統(tǒng)中水下數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸提供了一種思路，同時(shí)由于LVDS信號的優(yōu)點(diǎn)，有效地提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    海洋拖纜勘探系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    該系統(tǒng)由干端系統(tǒng)和濕端系統(tǒng)組成。干端系統(tǒng)一般置于岸上或拖船上，由上位機(jī)及PCI采集板組成。
   上位機(jī)通過PCI采集板進(jìn)行命令的發(fā)送及水聲數(shù)據(jù)的接收、處理、存儲和顯示。濕端系統(tǒng)位于水下工作區(qū)，包括采集系統(tǒng)和傳輸系統(tǒng)。其中采集系統(tǒng)由水聽器（傳感器）和采集板組成，傳感器采用壓電傳感器或光纖傳感器，用于將水下的地震信號轉(zhuǎn)變成電信號或光信號；采集板由前置放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、濾波器、FPGA及RS485接口電路組成，主要用于將水聽器上傳的電信號或光信號進(jìn)行放大濾波后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號上傳到傳輸板上。傳輸系統(tǒng)由傳輸板和濕端接口模塊組成，傳輸板由LVDS收發(fā)電路、預(yù)加重和均衡電路及FPGA、RS485接口電路組成，主要用于接收本地采集板上傳的數(shù)據(jù)并將其打包成幀，同時(shí)完成數(shù)據(jù)在級聯(lián)傳輸板間的有序上傳。濕端接口模塊主要用于收集由傳輸板上傳的數(shù)據(jù)并通過光電轉(zhuǎn)換模塊將其轉(zhuǎn)換成光信號經(jīng)光發(fā)送電路上傳至PCI采集板，同時(shí)接收PCI采集板下傳的命令并將其轉(zhuǎn)換為電信號通過RS485總線下傳到傳輸板。另外濕端接口模塊還用于同步基準(zhǔn)信號的產(chǎn)生，同步信號用于系統(tǒng)的同步采集和同步傳輸，這對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性有至關(guān)重要的作用[2]。

2 傳輸系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)
    傳輸系統(tǒng)部分設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：整個(gè)傳輸系統(tǒng)級聯(lián)30個(gè)傳輸板，傳輸板間距100 m。每個(gè)傳輸板下設(shè)一個(gè)采集板,采集板收集本區(qū)域內(nèi)的16路水聽器數(shù)據(jù),采樣率4 kHz、采樣精度24 bit。
2.2 傳輸系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
    傳輸板硬件框圖如圖2所示（由于濕端接口模塊除了同步基準(zhǔn)、光電轉(zhuǎn)換模塊和采集板接口之外別的部分與傳輸板一致，故在此不再贅述）。

    傳輸板的功能有：(1)命令解析及下傳，接收上位機(jī)的命令對其進(jìn)行解析后下傳至采集板，同時(shí)發(fā)送至后續(xù)傳輸板；(2)同步下傳，接收同步信號用于數(shù)據(jù)的可靠傳輸，并下傳至采集板；(3)數(shù)據(jù)接收及處理，接收本地采集板的數(shù)據(jù)并打包成幀；(4)完成數(shù)據(jù)流水線。
　本系統(tǒng)中由于命令、同步信號的速率較低(命令1 MHz、同步4 kHz)、數(shù)據(jù)量小，故采用RS485傳輸。而數(shù)據(jù)由于其數(shù)據(jù)率高(根據(jù)上文所提的指標(biāo)：30×16×24×4 K=46.08 Mb/s,考慮編碼及傳輸必要冗余，速率按192 Mb/s計(jì)算），故采用預(yù)加重和均衡的LVDS傳輸。另外由于雙絞線所具有的尺寸小、柔韌性好、抗干擾能力強(qiáng)、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，故本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)、命令、同步均采用六類雙絞線來傳輸。
2.3 LVDS傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)
　低壓差分信號(LVDS)是一種小振幅差分信號技術(shù)，使用幅度非常小的信號(約350 mV)通過一對差分線對或平衡電纜來傳輸數(shù)據(jù)。LVDS信號功耗小、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸速率高、噪聲性能好，但其直傳距離短，用于長距離傳輸需要解決傳輸距離問題[5]。
　長距離高速電傳最大的問題在于電信號在傳輸介質(zhì)上的衰減[3]。傳輸距離越長衰減越大，另外信號的不同頻率成分衰減程度也不一樣，高頻衰減大、低頻衰減小。本系統(tǒng)采用預(yù)加重和均衡電路來拓展LVDS信號的傳輸距離。預(yù)加重技術(shù)是在信號發(fā)送端通過預(yù)先抬高輸出信號頻譜中的高頻分量來補(bǔ)償傳輸通道的低通濾波效應(yīng)的技術(shù)。而均衡技術(shù)則是在接收端進(jìn)行濾波處理來修正接收端被衰減的波形的技術(shù)，均衡器對低頻衰減大、高頻衰減小。具體實(shí)現(xiàn)電路如圖3所示。

    并行數(shù)據(jù)先通過串行器MAX9205并串轉(zhuǎn)換成LVDS信號后接入預(yù)加重器CLC006，信號經(jīng)預(yù)加重后傳送到六類雙絞線上傳送，經(jīng)100 m雙絞線傳輸后接入到均衡器CLC014，經(jīng)過均衡的信號再接入到并行器MAX9206進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)后接入FPGA處理。其中預(yù)加重前、預(yù)加重后、均衡前、均衡后的信號波形如圖4所示。

3 傳輸系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 FPGA邏輯控制流程
    傳輸板的協(xié)議和控制全部由FPGA硬件邏輯實(shí)現(xiàn)，傳輸板FPGA邏輯結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3.2 命令的解析及下傳
    命令通道完成命令的解析及下傳，采用自定義串行協(xié)議，每個(gè)命令幀包括兩個(gè)字節(jié)，第一個(gè)字節(jié)傳送命令類型，第二個(gè)字節(jié)傳送命令參數(shù)。每個(gè)字節(jié)為9 bit，最高位為標(biāo)示符。
    命令傳輸采用帶中繼的總線模式,這種方式的優(yōu)點(diǎn)是信號延遲小、傳輸距離遠(yuǎn)。命令通過RS485總線方式傳輸，故傳輸板接收到命令后要先經(jīng)過一個(gè)串并轉(zhuǎn)換模塊；之后通過一個(gè)命令延遲模塊來實(shí)現(xiàn)采集板接收命令的同步；最后送入到命令解析模塊進(jìn)行命令的解析，解析完的本地命令直接作用于本級傳輸板，而采集板的命令經(jīng)并串轉(zhuǎn)換后經(jīng)RS485接口下傳采集板。
3.3 數(shù)據(jù)的成幀及上傳
      數(shù)據(jù)通道完成本地?cái)?shù)據(jù)的成幀及數(shù)據(jù)的上傳。每幀數(shù)據(jù)包括80 B，其中前14 B用來表示幀頭、包號、幀號、時(shí)間戳等；中間64 B用來表示水聽器的數(shù)據(jù)，最后2 B為校驗(yàn)位。
      數(shù)據(jù)分為本地?cái)?shù)據(jù)和級聯(lián)數(shù)據(jù)，本地?cái)?shù)據(jù)指本級采集板上傳的數(shù)據(jù)，級聯(lián)數(shù)據(jù)指后級傳輸板上傳的數(shù)據(jù)。本地?cái)?shù)據(jù)由采集板的四路RS485接口上傳，經(jīng)異步接收模塊接收后存入FIFO；當(dāng)同步信號上升沿到來時(shí)，本地?cái)?shù)據(jù)成幀模塊將幀頭信息、四路FIFO中的數(shù)據(jù)以及校驗(yàn)位存入本地FIFO中構(gòu)成本地?cái)?shù)據(jù)。而由后級傳輸板上傳的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)接收模塊和8 B/10 B解碼模塊處理后存入本地FIFO中構(gòu)成級聯(lián)數(shù)據(jù)。本地?cái)?shù)據(jù)和級聯(lián)數(shù)據(jù)由流水線控制模塊[4]通過對兩個(gè)FIFO輪流進(jìn)行讀操作，形成一種“乒乓結(jié)構(gòu)”，將系統(tǒng)所有的數(shù)據(jù)逐級上傳到上位機(jī)。
    圖6為使用Quartus II中的Signal Tap工具查看到的傳輸板內(nèi)部信號的實(shí)測波形。從上到下依次為本地采集板異步接收波形、本地?cái)?shù)據(jù)上傳波形、級聯(lián)數(shù)據(jù)上傳波形、傳輸板接收與發(fā)送波形。

3.4 動態(tài)設(shè)置傳輸板包號
    系統(tǒng)成纜后各數(shù)字包要有邏輯“包號”，為了方便成纜，所有數(shù)字包要能隨意裝配，而不必按固定順序裝配，這就要求系統(tǒng)能動態(tài)分配邏輯“包號”。動態(tài)分配時(shí)使用數(shù)據(jù)總線，采用一個(gè)點(diǎn)名命令，當(dāng)數(shù)字包接收到此命令后，會發(fā)送一個(gè)點(diǎn)名幀，“點(diǎn)名幀”中包含自身包號，起始“包號”為0，當(dāng)數(shù)字包接收到“點(diǎn)名幀”后把“包號”加1后發(fā)送至下一數(shù)字包，依此類推，每一數(shù)字包發(fā)送的最后一個(gè)“點(diǎn)名幀”的“包號”就為此數(shù)字包的邏輯ID。
3.5 LVDS傳輸數(shù)據(jù)可靠性軟件設(shè)計(jì)
    并行器MAX9206在接收數(shù)據(jù)時(shí)可以從數(shù)據(jù)中提取出時(shí)鐘，如果提取時(shí)鐘失敗，則稱為失鎖。失鎖后并行器不輸出有效數(shù)據(jù)，這嚴(yán)重影響系統(tǒng)的可靠性，所以要盡量避免并行器的失鎖，在出現(xiàn)失鎖后要盡快地再次鎖定時(shí)鐘。
    在系統(tǒng)上電后，由FPGA控制將串行器MAX9205的SYN置高42個(gè)時(shí)鐘周期以上，此時(shí)MAX9206鎖定發(fā)送端時(shí)鐘。MAX9205的SYN置高時(shí)忽略輸入端數(shù)據(jù)，輸出同步序列“0000011111”，接收端在收到同步序列后更容易從中提取出時(shí)鐘。
    為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使意外失鎖后能夠迅速地再次鎖定時(shí)鐘，系統(tǒng)采用在發(fā)送數(shù)據(jù)的空閑時(shí)刻發(fā)送同步序列的方法。這種方法雖然引入冗余，使有效數(shù)據(jù)率下降，但在數(shù)據(jù)率高達(dá)192 Mb/s的情況下，完全能夠滿足系統(tǒng)要求。
    本系統(tǒng)采用基于預(yù)加重與均衡的LVDS信號來實(shí)現(xiàn)長距離高速率數(shù)據(jù)的可靠傳輸。目前，該系統(tǒng)已完成硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)并進(jìn)行了測試,經(jīng)測試系統(tǒng)工作正常，達(dá)到了項(xiàng)目對系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的要求。待進(jìn)一步的湖試、海試測試完善后，可用于海底地質(zhì)構(gòu)造、海底石油勘探、海洋魚群密度等需要高速數(shù)據(jù)傳輸的海洋工程勘探系統(tǒng)。
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