基于FPGA的LVDS高速数据通信卡设计

LVDS信号接收器接收外部的LVDS数据帧，检出帧头，并将帧数据传送给双口RAM进行处理，一个数据帧包含32 bit的帧头和256×32 bit的帧数据。接收的双口RAM实现数据的乒乓存储，写数据的宽度为1 bit，读数据的宽度为32 bit，以此来实现数据的串并转换，同时实现数据时钟域的转换。LVDS接收数据控制模块用于产生双口RAM和SDRAM控制器的地址总线、数据总线和控制总线，实现各接收模块联合控制和数据转移，同时它还负责从SDRAM控制器读取数据送至FPGA内的FIFO缓冲区，用于PCI总线交互。
LVDS信号发送部分由LVDS发送数据控制、双口RAM、FIFO缓冲、LVDS信号发送器和DDS控制器组成。LVDS发送数据控制用于产生各模块的地址、数据和控制总线，实现数据转移和交互。双口RAM实现并串转换和乒乓存储。LVDS信号发送器为数据帧添加包头，并连同帧数据以AD98 51产生的发送频率串行发送出去。
另外，SDRAM控制器是FPGA内用于外部SDRAM控制的模块，PCI本地总线控制器是FPGA内用于控制PCI9054本地总线交互的模块，DDS控制器是FPGA内用于外部AD9851控制的模块。PLL是Ahera FPGA内提供的模拟延迟锁相环模块，可以实现系统时钟的倍频、分频及延迟等时钟控制操作。通过该模块可以实现系统内不同时钟域的时钟分配。

2 软件设计
系统设备的驱动程序采用Windows下的WDM(Windows Driver Model)驱动程序。目前开发WDM驱动程序通常有3种工具，即Windows DDK、DriverStudio和WinDriver。由于DriverStudio包含完善的源代码生成工具以及相应的类库和驱动程序样本，提供了在VC++下进行驱动程序开发的支持，因此设计中使用DdverStudio来开发WDM驱动程序。
设计的上层应用程序采用Microsoft Virtual Studio作为开发平台，通过MFC设计了人机交互界面，主要用于完成接收数据显示存储、发送数据载入、发送频率控制字以及PCI控制命令等功能。其程序面板如图4所示。

3 结果测试
在Ahium Designer 2009平台上进行板卡硬件原理图和PCB图设计，FPGA芯片采用Altera公司的EP1C6Q240C6，使用Quartus II 9．0开发系统实现编程和仿真，完成对电路设计的功能仿真和时序仿真。
在Quartus II中进行引脚分配并编译完工程后，将设计文件下载到FPGA的配置芯片中。在硬件上将LVDS的发送端和接收端连接以实现自发自收。在PC机的应用程序中设置发送频率为50 MHz，然后点击“发送频率控制字”按钮发送频率控制字，载入从0开始的连续累加数字，点击“开始发送”按钮发送数据，然后点击“开始接收”按钮接收数据。从图4所示的发送与接收数据显示可以发现，接收到的LVDS数据与发送的LVDS数据完全一致，系统的发送功能与接收功能符合设计要求。

4 结束语
介绍了基于FPGA和PCI9054的LVDS数据通信卡的设计，通过FPGA实现了LVDS数据的接收发送控制、PCI9054实现了与上位机的数据交互，实现了10～200 Mbit·s-1速率的LVDS数据接收以及10～50 Mbit·s-1任意速率的LVDS数据发送。此板卡的设计，可以有效地应用于某遥测模拟信号源，并对待测设备的LVDS总线协议进行全面测试。