基于PCI Express总线的高速数据传输卡设计

地面测控系统由上位机软件、工业控制计算机、地面控制台及相应电缆网组成。在系统联试前它可以和采编器、存储器构成闭环反馈，对采编器、存储器实施自检。地面控制台在上位机软件的控制下，真实模拟机上接口信号，为采编器提供不同的数字量信号,并对回收后的存储器进行数据的读取分析。以前地面测试系统中的上位机软件系统和地面控制台之间的通信是由USB接口来完成的，传输速率较低。为了解决大容量数据高速读取的瓶颈问题，采用PCI Express总线来读取数据。PCI Express 采用了目前业内流行的点对点串行连接, 每个设备都有自己的专用连接, 不需要向整个总线请求带宽, 而且可以把数据传输率提高到一个很高的频率, 达到 USB 所不能提供的高带宽。本文设计并实现的数据传输卡基于PCI Express总线，提高了系统的读写速度,满足了目前大容量高速实时传输记录的要求。

1 系统结构

　地面控制台是模拟机上信号源功能，信号源由上位机生成，然后下载到地面控制台的RAM中。为了正确地发送信号源数据需要对下载的信号源数据进行自检，即将地面控制台RAM中的数据读入上位机来验证控制台中信号源是否正确。本系统通过PCI Express传输卡实现了信号源自检功能。

如图1所示，上位机通过PCI Express接口将信号源的数据下载到FIFO1存储器当中，同时将相应的控制命令发送给FPGA。FPGA检测到相应控制命令后，开始读取FIFO1中的数据，并将该数据经过串并转换写到地面控制台RAM中。为了保证上位机下载到静态存储器中的数据的正确性，上位机可以通过PCI Express接口将地面控制台RAM中的数据写到FIFO2存储器当中，读取其中的数据并进而对该数据进行判读以验证信号源数据的正确性。

2 硬件设计

2.1 差分传输

　低压差分传送技术是基于低压差分信号LVDS的传送技术，其主要特点是抗干扰能力强、传输速率高、低功耗、噪声性能好。

　传输卡接收LVDS数据时，考虑到在远距离的数据传输过程中会遇到一系列的干扰而导致信号的衰减，在接收端设计了CLC014驱动芯片，发送端设计了CLC001驱动芯片，其作用是把传输来的信号增强。CLC001与CLC014是配芯片,在设计中要一起使用才能够起到对长距离传输时信号衰减的恢复。串并/并串转换电路中采用LVDS DS92LV1801芯片，它是一款18位的串并/并串转换芯片，实现16位数据传输。

2.2 PCI Express接口设计

　PCI Express总线接口的设计方法大体有两种:使用可实现PCI Express物理接口的可编程逻辑器件FPGA或使用专用接口芯片。前者的优点是其灵活的可编程性,缺点是开发难度比较大,开发周期比较长;而专用接口芯片实现了PCI Express的物理层和数据链路层、事务层的控制逻辑,这使用户可以专心于其应用方面的开发,而不必费力再调试PCI Express接口,降低了开发的难度,是一般用户实现PCI Express接口的有效方法。该设计采用美国PLX公司推出的PEX8311作为本地总线与PCI Express总线的接口。

2.2.1 PEX8311的性能简介

　PEX8311是一款x1的PCI Express接口芯片,本地端总线频率最高可达66 MHz，数据位宽32 bit。PEX8311有主模式、从模式和DMA三种数据传输模式。主模式是由 Local总线主设备通过PEX8311访问PCI Express总线存储空间和I/O空间；从模式是由PCI Express总线主设备通过PEX8311访问Local总线存储空间和I/O空间；DMA传输模式由PEX8311作为两总线的主设备,能在PCI Express总线存储空间和Local总线存储空间之间互传数据。这三种数据传输方式中,从模式的优先级最高,主模式次之,DMA方式最低。PEX8311桥高速数据传输的内部块图解如图2所示。

PEX8311有6个内部FIFO，分别作为主模式、从模式、DMA这三种数据传输模式的读写数据通道,这些FIFO用于使两条总线的操作相对独立,从而保证高性能的数据突发传输。

2.2.2 电路设计

　从图2可看出,采用PEX8311的接口设计在逻辑上可分为3个功能模块：PCI Express接口部分、EEPROM部分和本地总线部分。

　(1) EEPROM部分

　PEX8311提供两个串行EEPROM接口，在系统上电后读取配置信息。SPI串行EEPROM是PCI-Express的配置EEPROM,它主要用来控制PCI Express的性能。SPI串行EEPROM可以用来预配置片上8 KB共享缓存,用1、2或3字节地址PEX8311可支持容量达到16 MB的SPI串行EEPROM。本设计中使用容量为64 KB的AT25640器件。MicroWire串行EEPROM是本地配置EEPROM，它用来控制本地总线行为，并分配合适的地址范围。配置器件可直接与PEX831l相连。

　(2) PCI Express接口部分

PCI Express接口部分的信号线可以直接与PCI Express连接器(俗称金手指)连接。其中，REFCLK±是一组差分时