作者：韓黨群，唐征兵，張慶玲

1 引 言

對(duì)于一些復(fù)雜的電子系統(tǒng)，單塊電路板很難實(shí)現(xiàn)整個(gè)電路的功能，往往需要多塊電路板才能實(shí)現(xiàn)祭個(gè)電路系統(tǒng)的功能，組成一個(gè)完整的電子系統(tǒng)；還有一 電子系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)等原因，系統(tǒng)中的各功能模塊必須分離安裝，因此也必須使用多塊電路板來實(shí)現(xiàn)。在構(gòu)成這一類的電子系統(tǒng)時(shí)，如果各個(gè)組成部分之間有大量的數(shù)據(jù)需要傳送，則系統(tǒng)中各個(gè)部分之間的通訊問題就顯得特別重要。應(yīng)用并行差分傳送技術(shù)可以有效地解決問題，特別是對(duì)于傳輸距離較遠(yuǎn)，傳輸數(shù)據(jù)量大，傳輸實(shí)時(shí)新要求高的場(chǎng)合，更可以顯示出該技術(shù)的優(yōu)越性，從而為解決諸如上述提到的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題提供了更好的解決辦法與途徑。

2 LVDS技術(shù)

低壓差分傳送技術(shù)是基于低壓差分信號(hào)（Low Volt-agc Differential signaling）的傳送技術(shù)，從一個(gè)電路板系統(tǒng)內(nèi)的高速信號(hào)傳送到不同電路系統(tǒng)之間的快速數(shù)據(jù)傳送都可以應(yīng)用低壓差分傳送技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，其應(yīng)用正變得越來越重要。低壓差分信號(hào)相對(duì)于單端的傳送具有較高的噪聲抑制功能，其較低的電壓擺幅允許差分對(duì)線具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，消耗較小的功率以及產(chǎn)生更低的電磁輻射。低壓差分傳送I/O接口標(biāo)準(zhǔn)由IEEE定義在TIA/EIA-644 and IEEE Std．1596．3這一技術(shù)規(guī)范內(nèi)。

3 Cyclone可編成邏輯器件及其差分接口

Cyclone列系是Altera公司近年來推出的基于1．5 V，0．13μm全銅SRAM工藝現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列器件，其內(nèi)部具有豐富的邏輯資源，最多可提供20060LEs，提供8個(gè)全局時(shí)鐘及1-2組時(shí)鐘鎖相環(huán)，內(nèi)核采用1．5 V的低電壓，I／O接口支持1．5 V，2．5 V，3．3 V及5 V的接口標(biāo)準(zhǔn)，支持低成本的串行配置器件EPCS1，EPCS4等，這些資源為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來極大的方便，再加之其低廉的價(jià)格使得該系列器件的應(yīng)用極為廣泛；除了上述的特點(diǎn)之外，Cyclone列系器件還提供了數(shù)目眾多的高速（640 Mb／s）LVDS I/O接口和低速（311 Mb／s）LVDS I／O接口，這些豐富的LVDS接口資源為差分傳送提供了便利，與傳統(tǒng)的低壓差分傳送接口相比較采用Cyclone的FPGA更具靈活性。Altera公司提供的QuartusⅡ軟件為Cyclone器件的應(yīng)用提供了強(qiáng)大的支持。

圖1是采用Cyclone的FPGA實(shí)現(xiàn)低壓差分傳送的模型結(jié)構(gòu)框圖。該傳送在2個(gè)cyclone的FPGA芯片之間進(jìn)行，利用該可編程邏輯器件的I/O接口的LVDS驅(qū)動(dòng)器把FPGA內(nèi)部邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)換為低壓差分信號(hào)對(duì)，經(jīng)過傳輸線傳送到對(duì)方被差分接收電路接收，在發(fā)送器的輸出端接入電阻網(wǎng)絡(luò)可以削弱差分信號(hào)的幅值，防止信號(hào)產(chǎn)生振蕩，而在接收端的差分對(duì)線之間并入的100 Ω電阻作為終端電阻，由于差分接收器的輸入阻抗較高，因此差分對(duì)線上的電流主要通過終端電阻形成回路，從而也在接收器的輸入端形成差分接收的信號(hào)電壓。由于差分對(duì)線在傳輸過程中耦合的干擾信號(hào)大致相當(dāng)，因此在差分接收時(shí)可以被較好抑制，這也是差分傳送技術(shù)最基本的原理與出發(fā)點(diǎn)。 圖2中（a），（b）分別是LVDS差分發(fā)送與接收時(shí)的信號(hào)波形。

表1是Cyclone系列器件差分接口工作的特性參數(shù)。

4 LVDS技術(shù)通訊的方案

低壓差分傳送技術(shù)僅是一種技術(shù)手段，簡(jiǎn)單地講這種技術(shù)手段提供了用于通信的具有較高抗干擾能力的信號(hào)傳輸形式，但是對(duì)于一個(gè)具體的通訊系統(tǒng)而言，除了需要這樣的傳輸手段以外，還必須確定相應(yīng)的通信方式及通訊協(xié)議，通常可以采用串行通信或并行的通信方式。對(duì)于串行通信方式又有異步串行通信與同步串行通信之分，異步串行通信不需要傳送時(shí)鐘信號(hào)，但是通信的速率通常較低，難以滿足高速數(shù)據(jù)通信的需要；同步串行通訊具有較高的通信速率，但是實(shí)現(xiàn)的難度較大，通信接口及相關(guān)的協(xié)議較復(fù)雜［4-5］。

并行通信方式通常具有較高的傳輸速率，且簡(jiǎn)單易行，但是直接的簡(jiǎn)單并行是不能進(jìn)行較長(zhǎng)距離的數(shù)據(jù)傳輸?shù)模谕ǔＧ闆r下單端信號(hào)并行傳輸不具有長(zhǎng)距離傳輸?shù)囊饬x。這里把并行傳輸方式與差分傳輸相結(jié)合就可以實(shí)現(xiàn)并行的差分傳送，他既具有差分傳輸?shù)目煽啃耘c高的抗干擾能力，又具有并行傳輸?shù)母咚傩浴?shí)時(shí)性及簡(jiǎn)單性。簡(jiǎn)單地說并行差分傳送就是把并行傳送的單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)進(jìn)行傳送，并由接收端的差分接收電路接收后還原為單端信號(hào)。 由于單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)后信號(hào)線的數(shù)量加倍，采用并行的差分傳送較適合解決較近距離的高速數(shù)據(jù)傳輸與設(shè)備互連，例如一幢建筑內(nèi)部的設(shè)備互連，一個(gè)大型電子系統(tǒng)內(nèi)部各不同單元之間的通信連接等。對(duì)于遠(yuǎn)距離的通信采用該方式由于線路的成本及鋪設(shè)等原因較少采用。由于并行的差分傳送需要較多的差分發(fā)送器與差分接收器，采用通用的收發(fā)器將是系統(tǒng)地規(guī)模龐大，成本上升，不易實(shí)現(xiàn)，采用Cyclone系列的可編程邏輯器件，利用其豐富的差分接口資源可以使這一問題迎刃而解。

5 并行低壓差分傳送技術(shù)在工業(yè)繪圖機(jī)上的應(yīng)用

工業(yè)繪圖機(jī)是重要的圖形輸出設(shè)備，被廣泛地應(yīng)用于CAD設(shè)計(jì)、GIS地理信息系統(tǒng)、數(shù)碼影像輸出等領(lǐng)域。早期的繪圖機(jī)一般采用筆式繪圖輸出，但是筆式繪圖機(jī)存在著輸出速度較慢、輸出圖形質(zhì)量較差、只能輸出線條圖等缺點(diǎn)，因此筆式繪圖機(jī)正在逐漸被噴墨繪圖機(jī)所取代，數(shù)字化的噴墨繪圖機(jī)具有輸出速度高、輸出圖形的質(zhì)量好，不僅可以輸出線條圖還可以輸出任意的點(diǎn)陣圖形，對(duì)繪圖機(jī)用紙的質(zhì)量要求較低，有利于降低成本，自動(dòng)化程度高，提高了生產(chǎn)的效率。目前工業(yè)用噴墨繪圖機(jī)正在朝著寬幅面、高速度、高輸出質(zhì)量的方向發(fā)展，這使得工業(yè)噴墨繪圖機(jī)成為一個(gè)大型的復(fù)雜機(jī)電控制系統(tǒng)。在這個(gè)控制系統(tǒng)中電氣控制部分包括噴墨打印數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、組織、處理、傳送、噴墨頭的驅(qū)動(dòng)、輸紙電機(jī)及字車電機(jī)的控制等。

在噴墨繪圖機(jī)工作時(shí)安裝在字車上的噴墨頭在字車電機(jī)的拖動(dòng)下沿導(dǎo)軌運(yùn)行，噴墨頭及其驅(qū)動(dòng)電路通常是一起安裝的，屬于運(yùn)動(dòng)部分，而噴墨繪圖機(jī)的主控制器由于體積較大、板上的連線較多等原因無法安裝在字車上，通常固定安裝在機(jī)器機(jī)架的一側(cè)，這樣一來就存在一個(gè)問題，即噴墨繪圖機(jī)主控制器到噴墨頭之間的數(shù)據(jù)傳送問題。這一數(shù)據(jù)傳送問題存在這樣幾個(gè)特點(diǎn)：第一，傳輸?shù)木嚯x較遠(yuǎn)。當(dāng)前，寬幅面的噴墨繪圖機(jī)輸出幅面可以達(dá)到2 m以上，字車運(yùn)行的區(qū)間達(dá)到2．5 m，再考慮安裝等原因從主控制器到噴墨頭的數(shù)據(jù)傳輸距離應(yīng)在3 m左右；第二，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣纫筝^高。噴墨繪圖機(jī)通常為提高噴墨輸出的速度采用多個(gè)噴墨頭并行的方式進(jìn)行工作，每個(gè)噴墨頭工作時(shí)都需要大量的打印數(shù)據(jù)，多個(gè)噴墨頭所需要的打印數(shù)據(jù)量就會(huì)更多，在筆者所設(shè)計(jì)的噴墨繪圖機(jī)中就采用了4個(gè)噴墨頭進(jìn)行噴墨輸出，4個(gè)噴墨頭每秒鐘需要消耗7．9 MB的數(shù)據(jù)；第三，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性強(qiáng)。繪圖機(jī)工作時(shí)字車運(yùn)行到對(duì)應(yīng)的位置時(shí)噴墨頭就必須在相應(yīng)的位置噴印輸出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，因此這里的數(shù)據(jù)傳輸必須具有嚴(yán)格的實(shí)時(shí)性能，否則將嚴(yán)重的影響繪圖機(jī)的圖形輸出質(zhì)量。對(duì)于上述所要求的數(shù)據(jù)傳輸采用單端的數(shù)據(jù)傳輸是無法滿足要求的，采用RS 485總線、CAN總線等常用的串行差分傳送技術(shù)也不能滿足這里的數(shù)據(jù)傳輸要求，而且采用串行數(shù)據(jù)傳輸會(huì)使實(shí)時(shí)性受到影響，因此這里綜合考慮采用簡(jiǎn)單易行的并行低壓差分傳送技術(shù)來解決這一問題，圖3是該接口設(shè)計(jì)方案的原理框圖。

在該設(shè)計(jì)方案中主處理器采用了高速的DSP處理器TMS3202407，主頻速率40 MHz。這里從主處理器的總線信號(hào)取8位數(shù)據(jù)、6位地址及總線寫信號(hào)經(jīng)差分轉(zhuǎn)換后進(jìn)行傳送，由于只存在從主控制器到噴墨頭驅(qū)動(dòng)器的單向數(shù)據(jù)傳送，因此接口的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了，避免了雙向的差分轉(zhuǎn)換。在噴墨頭一側(cè)每個(gè)噴墨頭的控制單元被映射為一組寄存器，4個(gè)噴墨頭的所有控制寄存器被到映射到主控制器的I／O空間，6位地址信號(hào)被差分接收后還原為6位本地單端信號(hào)，用來選擇噴墨頭映像寄存器，被選中的單元在寫信號(hào)的作用下把經(jīng)差分接收到的一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)寫到該單元。由于差分傳送所用的柔性導(dǎo)電帶排列在一起，因此經(jīng)過差分傳送后主控制器的總線信號(hào)由于時(shí)延的一致性仍然保持著原有的時(shí)序特性。 為實(shí)現(xiàn)差分的發(fā)送與接收在主控制器上采用可編程邏輯器件EP1C6Q240，在噴墨頭一側(cè)同樣采用EP1C26Q240實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的差分接收，Cyclone系列器件具有豐富的內(nèi)部資源，可以很方便地使用這些資源來實(shí)現(xiàn)收發(fā)接口的地址譯碼、緩沖、寄存等功能，這樣就極大地方便了用戶的接口設(shè)計(jì)，筆者通過實(shí)踐深切體會(huì)到這一點(diǎn)帶來的方便。

該方案經(jīng)過測(cè)試，完全可以滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳送的要求，從而大大的簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，取得了較好的效果，測(cè)試時(shí)采用的通信線為間距1 mm的FFC柔性導(dǎo)電帶，長(zhǎng)度4 m。圖4差分接收信號(hào)波形-I為實(shí)際測(cè)試差分接收端所得的信號(hào)波形，從圖可以看出差分信號(hào)的波形整體，幅值VID穩(wěn)定在500 mV左右，接收端共模電壓VCM穩(wěn)定在1．5 V左右，此時(shí)的數(shù)據(jù)傳送速率為4 MB／s；圖5差分接收信號(hào)波形一Ⅱ?yàn)閭鬏斔俾?0 MB／s時(shí)的信號(hào)波形圖，此時(shí)信號(hào)的前后沿時(shí)間在信號(hào)的傳輸周期中所占的比例加大，波形質(zhì)量下降，但是總體性能穩(wěn)定可靠，完全可以滿足寬幅面噴墨繪圖機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸需要。由于筆者所使用的DSP系統(tǒng)主頻為40 MHz，20 MB／s的傳輸速率已經(jīng)達(dá)到了處理器的極限，如果采用更高速度的處理器，差分傳輸?shù)乃俣葢?yīng)該還可以提高。

6 結(jié) 語(yǔ)

低壓差分傳送技術(shù)具有卓越的性能，而具有差分收發(fā)接口的可編程邏輯器件的出現(xiàn)與應(yīng)用又為差分傳送技術(shù)的應(yīng)用創(chuàng)造了更有利的條件。并行差分傳送技術(shù)的采用為實(shí)現(xiàn)高速的設(shè)備互連及組建大規(guī)模的電子系統(tǒng)提供了一條簡(jiǎn)便易行的解決之道。筆者經(jīng)過在寬幅面的噴墨繪圖機(jī)上使用該技術(shù)充分的證明了該技術(shù)的有效性。

責(zé)任編輯：gt

?