甄國(guó)涌，杜 志，李輝景，鄭 佳

(中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

在某視頻圖像的采集存儲(chǔ)系統(tǒng)中，采編器將接收到的視頻數(shù)據(jù)編幀后送至存儲(chǔ)器進(jìn)行存儲(chǔ)，通過(guò)測(cè)試臺(tái)將數(shù)據(jù)讀回上位機(jī)后還原為圖像，從而對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中的狀態(tài)進(jìn)行分析。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，測(cè)試臺(tái)通過(guò)長(zhǎng)線與采編器相連，由于測(cè)試環(huán)境干擾較多，傳輸線距離較長(zhǎng)，使得信號(hào)在長(zhǎng)線中傳輸時(shí)容易受到影響而導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，數(shù)據(jù)還原為圖像后就會(huì)產(chǎn)生失真，從而無(wú)法得到一些重要信息，因此保證信號(hào)在長(zhǎng)線中的可靠傳輸尤為重要。本文針對(duì)長(zhǎng)線傳輸中的問(wèn)題，從硬件電路和時(shí)序兩方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了圖像信號(hào)在并行長(zhǎng)線中的穩(wěn)定傳輸。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 并行長(zhǎng)線傳輸原理

并行長(zhǎng)線將測(cè)試臺(tái)和采編器相連，主要實(shí)現(xiàn)上位機(jī)命令的發(fā)送及存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)的回讀，其傳輸原理框圖如圖1所示。上位機(jī)軟件發(fā)送命令經(jīng)過(guò)USB傳輸?shù)綔y(cè)試臺(tái)主控卡，經(jīng)過(guò)測(cè)試臺(tái)主控卡FPGA控制發(fā)出后再通過(guò)50 m長(zhǎng)線傳輸?shù)讲删幤髦骺乜?，然后采編器與存儲(chǔ)器按照控制邏輯執(zhí)行命令。當(dāng)上位機(jī)發(fā)出讀數(shù)請(qǐng)求命令后，存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)由采編器控制，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)線傳輸?shù)綔y(cè)試臺(tái)，然后測(cè)試臺(tái)控制其讀回上位機(jī)。

圖1 并行長(zhǎng)線傳輸原理框圖

1.2 接口電路設(shè)計(jì)

圖2所示為并行長(zhǎng)線傳輸?shù)慕涌陔娐?，?duì)于長(zhǎng)線數(shù)據(jù)Ldata和長(zhǎng)線讀時(shí)鐘Lclk，其傳輸方向由采編器到測(cè)試臺(tái)。

圖2 并行長(zhǎng)線傳輸接口電路

由于長(zhǎng)線距離較長(zhǎng)，因此在發(fā)送端和接收端之間存在地電位差，引起地環(huán)路電流，從而形成差模干擾。通過(guò)采用光電隔離技術(shù)［1］，將發(fā)送端和接收端的電氣連接斷開，提高了長(zhǎng)線傳輸模塊的抗干擾能力。同時(shí)，在長(zhǎng)線兩端均采用光電隔離，使得長(zhǎng)線“浮地”［2］，減少了因兩設(shè)備間多點(diǎn)接地而造成的共模干擾。

在接口電路設(shè)計(jì)中，由于長(zhǎng)線分布電容的影響［3］，輸出端光耦上拉電阻R4的選擇成為電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。如果選擇的上拉電阻阻值不合理，長(zhǎng)線分布電容與光耦上拉電阻的充電現(xiàn)象就會(huì)使得信號(hào)波形在上升沿時(shí)發(fā)生嚴(yán)重畸變，對(duì)于長(zhǎng)線讀時(shí)鐘和數(shù)據(jù)而言，這種畸變會(huì)引起較多的誤碼現(xiàn)象。圖3為上拉電阻分別在3.3 kΩ和330 Ω時(shí)的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)波形。圖3a是上拉電阻R4為3.3 kΩ時(shí)長(zhǎng)線讀時(shí)鐘和數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)波形圖，由于時(shí)間常數(shù)t=RC，使得電路充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，從而導(dǎo)致上升過(guò)程中爬坡時(shí)間太長(zhǎng)，很大程度上引起數(shù)據(jù)誤碼率的增加。經(jīng)過(guò)調(diào)試，上拉電阻為330 Ω時(shí)，長(zhǎng)線讀時(shí)鐘和數(shù)據(jù)波形得到很大改善，能夠保證數(shù)據(jù)可靠、正確地傳輸，其波形圖如圖3b所示。

圖3 不同上拉電阻下的長(zhǎng)線讀時(shí)鐘和數(shù)據(jù)波形圖

1.3 傳輸線的反射干擾

50 m傳輸線由于穿艙需要被分為A，B，C，D共4段，其中B，C兩段傳輸線長(zhǎng)度不能改變，分別為5 m和30 m，A，D的長(zhǎng)度在保證總傳輸線長(zhǎng)度不變的情況下可調(diào)。4段之間用J14A-26和YF6-57系列接插件進(jìn)行連接，其連接方式如圖4所示。

圖4 長(zhǎng)線電纜連接示意圖

在試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)A段傳輸線長(zhǎng)度為1 m，D段傳輸線長(zhǎng)度為13.4 m時(shí)，按圖4連接好長(zhǎng)線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在接收端接收到的長(zhǎng)線讀時(shí)鐘和數(shù)據(jù)的波形如圖5a所示。從圖中可以看出，時(shí)鐘和數(shù)據(jù)均發(fā)生嚴(yán)重畸變，讀回的數(shù)據(jù)經(jīng)上位機(jī)軟件分析后發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重丟數(shù)。而當(dāng)A段傳輸線長(zhǎng)度為13.4 m，D段傳輸線長(zhǎng)度為1 m時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸正常，其波形如圖5b所示。

經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)信號(hào)在圖4長(zhǎng)線電纜中進(jìn)行傳輸時(shí)，由于其傳輸路徑分為4段，而每一段傳輸線均有相應(yīng)的瞬態(tài)阻抗，當(dāng)信號(hào)傳輸?shù)絻啥蝹鬏斁€的接插件連接處時(shí)，由于瞬態(tài)阻抗發(fā)生變化，從而引起信號(hào)在阻抗不連續(xù)點(diǎn)處的反射。反射的強(qiáng)弱程度可以通過(guò)反射系數(shù)的大小來(lái)表示，將反射系數(shù)定義為

圖5 長(zhǎng)線不同連接方式下的波形

式中:K為反射系數(shù);Z1為輸入阻抗;Z2為輸出阻抗。當(dāng)Z1＜Z2時(shí)，稱其為欠阻尼狀態(tài)，而當(dāng)Z1＞Z2時(shí)，稱其為過(guò)阻尼狀態(tài)［4］。在工程設(shè)計(jì)中，由于傳輸線瞬態(tài)阻抗影響，完全使Z1=Z2，即臨界阻尼狀態(tài)很難滿足，因此最常用的方式是設(shè)計(jì)為輕微的過(guò)阻尼狀態(tài)。對(duì)圖4的連接方式進(jìn)行反射建模分析，其反射模型如圖6所示。

圖6 傳輸線反射模型

當(dāng)按照A=1 m，B=5 m，C=30 m，D=13.4 m 進(jìn)行連接時(shí)，各段傳輸線的瞬態(tài)阻抗關(guān)系為Za＜Zb＜Zd＜Zc。根據(jù)式(1)，AB反射面和BC反射面的反射系數(shù)較大且為正，而CD反射面的反射系數(shù)較小且為負(fù)。此時(shí)，AB和BC反射面均為欠阻尼狀態(tài)，1 m傳輸線和13.4 m傳輸線使得反射面的反射增強(qiáng)，對(duì)信號(hào)傳輸影響較大，因此造成圖5a的波形畸變。將1 m傳輸線和13.4 m傳輸線對(duì)換連接后，傳輸線阻抗匹配使得反射減弱。

2 長(zhǎng)線傳輸時(shí)序的抗干擾設(shè)計(jì)

2.1 長(zhǎng)線傳輸時(shí)序設(shè)計(jì)

圖7為長(zhǎng)線傳輸時(shí)序示意圖，圖中Lreq為長(zhǎng)線讀數(shù)請(qǐng)求，Lclk為長(zhǎng)線讀時(shí)鐘，D0～D7為8位并行數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)位中，數(shù)據(jù)在t1時(shí)間段進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在t2時(shí)間達(dá)到穩(wěn)定。

圖7 長(zhǎng)線傳輸時(shí)序

在實(shí)際傳輸過(guò)程中，8位數(shù)據(jù)經(jīng)長(zhǎng)線傳輸后，使得數(shù)據(jù)不穩(wěn)定時(shí)間增加，對(duì)應(yīng)圖7中t1時(shí)間段變長(zhǎng)，t2時(shí)間段變短。圖8為對(duì)長(zhǎng)線傳輸前后的4位數(shù)據(jù)D0～D4進(jìn)行測(cè)量的波形，圖8a為傳輸前的4位數(shù)據(jù)波形，從圖中能夠看出，4位數(shù)據(jù)幾乎同步變換，其不穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)度為54 ns。而從圖8b中經(jīng)長(zhǎng)線傳輸后的數(shù)據(jù)波形能夠看出，數(shù)據(jù)位變換不同步，使得數(shù)據(jù)不穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)度增加到145 ns。本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)時(shí)鐘由40 MHz晶振提供，其周期T=1/(40 MHz)=25 ns，圖8b數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，周期個(gè)數(shù)為145/25≈6個(gè)，而讀數(shù)是在長(zhǎng)線讀時(shí)鐘的上升沿進(jìn)行的，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_，只有增加長(zhǎng)線讀時(shí)鐘周期，使得數(shù)據(jù)穩(wěn)定時(shí)間增長(zhǎng)，才能保證數(shù)據(jù)的正確。因此，長(zhǎng)線傳輸時(shí)序的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是對(duì)長(zhǎng)線讀時(shí)鐘進(jìn)行調(diào)試，達(dá)到傳輸速度和傳輸距離的最大匹配。

圖8 長(zhǎng)線傳輸前后的數(shù)據(jù)不穩(wěn)定時(shí)間(截圖)

2.2 讀時(shí)鐘消抖

為了提高讀時(shí)鐘的抗干擾能力，長(zhǎng)線讀時(shí)鐘的消抖是必須的。本文采用延時(shí)比較法進(jìn)行消抖，其基本原理為:在數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生由1到0或者由0到1的跳變時(shí)，只有在其跳變電平保持連續(xù)的N個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘時(shí)才對(duì)其進(jìn)行采樣，否則將該跳變作為抖動(dòng)消除，保持原來(lái)電平不變。長(zhǎng)線讀時(shí)鐘消抖流程如圖9所示。

圖9 長(zhǎng)線讀時(shí)鐘消抖流程

消抖使得波形產(chǎn)生延時(shí)，延時(shí)時(shí)間由為N個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘，消抖計(jì)數(shù)N的值是影響消抖成敗的關(guān)鍵，圖10給出了消抖失敗引起的兩種數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的仿真時(shí)序。圖中fosc為系統(tǒng)時(shí)鐘，Lrdclk為消抖前的長(zhǎng)線讀時(shí)鐘，Lrdclk為消抖后的長(zhǎng)線讀時(shí)鐘，Ldata為長(zhǎng)線數(shù)據(jù)。對(duì)于圖10中上方仿真圖，Lrdclk的高電平部分被兩個(gè)抖動(dòng)分為3部分，當(dāng)最長(zhǎng)的高電平持續(xù)時(shí)間低于消抖計(jì)數(shù)時(shí)間時(shí)，有效電平被作為抖動(dòng)消除，消抖后時(shí)鐘缺少一個(gè)上升沿，從而引起數(shù)據(jù)的丟失。對(duì)于圖10所示仿真圖，Lrdclk的高電平部分被抖動(dòng)分為兩部分，當(dāng)兩部分中較小的一部分的持續(xù)時(shí)間低于消抖計(jì)數(shù)時(shí)間時(shí)，該部分被作為抖動(dòng)消除，抖動(dòng)的上升沿被延時(shí)到數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定時(shí)間區(qū)域，在該區(qū)域取數(shù)就會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)的誤碼。因此，消抖計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)必須調(diào)試后確定，在本設(shè)計(jì)中，N的值為6時(shí)達(dá)到消抖效果。

圖10 消抖失敗引起的兩種數(shù)據(jù)錯(cuò)誤(截圖)

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

并行長(zhǎng)線傳輸技術(shù)接口電路簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定，能夠滿足測(cè)試距離和測(cè)試速度的要求。本文介紹的并行長(zhǎng)線傳輸速度快，抗干擾能力強(qiáng)，在電磁設(shè)備較多的試驗(yàn)環(huán)境中，成功保證了4 Gbyte圖像數(shù)據(jù)在1 Mbit/s的傳輸速度下穩(wěn)定傳輸。長(zhǎng)線讀時(shí)鐘與系統(tǒng)時(shí)鐘的波形如圖11所示。圖11中，在40 MHz晶振提供的系統(tǒng)時(shí)鐘周期下，每40個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期產(chǎn)生1個(gè)長(zhǎng)線讀時(shí)鐘，因此長(zhǎng)線讀時(shí)鐘的頻率為1 MHz，而圖像數(shù)據(jù)的讀取是在每個(gè)長(zhǎng)線讀時(shí)鐘的上升沿進(jìn)行的，因此圖像數(shù)據(jù)的傳輸速度為1 Mbit/s。

圖11 40 MHz系統(tǒng)時(shí)鐘與長(zhǎng)線讀時(shí)鐘對(duì)應(yīng)波形圖(截圖)

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