“MNFGascogne”通过精心收集，向本站投稿了3篇基于FPGA的总线型LVDS通信系统设计，以下文章小编为您整理后的基于FPGA的总线型LVDS通信系统设计，供大家阅读。
篇1：基于FPGA的总线型LVDS通信系统设计
基于FPGA的总线型LVDS通信系统设计
摘要：总线型低压差分信号（BLVDS）是一种性能优良的物理层接口标准。本文介绍一种基于总线型LVDS的通信系统方案，以及利用FPGA芯片实现系统核心模块的设计方法。该方案可广泛使用在高速通信领域，具有较高的应用价值。关键词：BLVDS FPGA 串化 解串 高速通信
低压差分信号LVDS（Low Voltage Differential Signal）是由ANSI/TIA/EIA-644-1995定义的用于高速数据传输的物理层接口标准。它具有超高速（1.4Gb/s）、低功耗及低电磁辐射的特性，是在铜介质上实现千兆位级高速通信的优先方案；可用于服务器、可堆垒集线器、无线基站、ATM交换机及高分辨率显示等等，也可用于通信系统的设计。BLVDS（Bus LVDS）是LVDS技术在多点通信领域的扩展，要求附加总线仲裁设计、更大的驱动电流（10mA）和更好的阻抗匹配设计。
通常是LVDS电路设计使用各种专用芯片，如美国国家半导体公司的DS92LV16等。我们用FPGA芯片自行设计BLVDS内核及扩展部分。相比之下，使用FPGA可大幅减少芯片数量，降低成本，提高系统可靠性，同时具有更大的灵活性和向后兼容性。由于目前尚无实用的16位VLVDS收发器芯片问世，本设计也填补了专用芯片（ASIC）的空白。
(本网网收集整理)
我们最终选了Xilinx公司的XCV50E。此芯片属于Virtex-E系列，具有如下特性：
*0.18nm 6层金属工艺，具有5.8万个系统门；
*使用1.8V核心电压，低功耗设计；
*130MHz同部时钟；
*64KB的同步块同存（BlockRAM），可实现真正的双口操作；
*支持包括LVDS、BLVDS在内的20种高性能接口标准；
*8个全数字的延迟锁定环DLL（Delay Locked Loops），具有时钟移相和乘除功能；
*支持IEEE 1149.1边界扫描标准，具有基于SRAM的在系统配置功能。
我们使用Xilinx Foudation F3.1i软件开发XCV50E芯片。设计流程为：首先用编写VHDL语言程序、绘制原理图或设计状态机的方法生成网络表，功能仿真正确后，经过翻译、映射、放置和布线、时序优化及配置过程，生成比特流文件。然后，进行时序仿真，仿真通过后下载到PROM中。（我们用了Xilinx公司的XC18V01。）
1 结构及工作过程
1.1 系统结构和FPGA结构
本通信系统由背板和若干通信子卡组成。背板并更有8个插槽，并布有BLVDS总线和其它控制、地址总线。通信子卡由EP7211芯片（负责数据处理）、XCV50E及DRAM、PROM等外围芯片和元件组成，系统结构如图1所示。
设计完成后的`XCV50E由控制部分、发送FIFO、帧编码器、串化器、解串器、帧解码器、数据检出器、接收FIFO、时钟倍频器及输入输出单元等部分组成，结构如图2所示。
1.2 工作过程
在发送子卡中，EP7211将待发数据整理成多个长255字，字宽16位的数据帧，发至FPGA内的发送FIFO中。该FPGA得到总线控制权后，即发送同步帧（由同步字与填充字组成），待被寻址的接收子卡实现与自己的同步后，再发送数据帧。各帧数据经串化器转化为两对差分信号，并从中获得同步信息并实现同步，继而检出有效数据，写入接收FIFO，同时以快中断（FIQ）通知EP7211。
2 软件设计
2.1 EP7211程序设计
通信子卡内的EP7211为系统级芯片，用来预处理和接收数据。EP7211的内核为ARM7TDMI，使用32位精简指令。发送数据的流程如图3所示。接收较简单，只需在快中断（FIQ）服务程序中写入接收FIFO的读取代码即可。
2.2 FPGA设计
FPGA的设计中，发送及接收FIFO的设计用了双口快内存（Block RAM），时钟
倍频器用了延迟锁定环（DLL）。帧解码器由30位并行数据产生器、同步字检测阵列和接收状态机组成。以下重点介绍帧编码器和串化器的设计。
（1）帧编码器的VHDL语言设计
帧编码器包括一个长为256的计数器和一个四状态的单热点状态机，用以产生同步帧和数据帧。部分代码如下：
PROCESS（RESET，CLK） //产生长256的计数器
IF RESET='1'THEN COUNT<=0；
ELSIF CLK'EVENT AND CLK='1' THEN COUNT<=（COUNT+1）MOD 256；
END PROCESS；
TC<='1'WHEN COUNT=255 ELSE '0';
TYPE STATE_TYPE IS（IDLE，PACK1，PACK2，TRANSMIT）；
SIGANL SREG：SETAT_TYPE；
RPOCESS（CLK，RESET） //状态机进程
IF CLK'EVENT AND CLK='1'THEN
IF RESET=1 TEHE SREG<=IDLE ELSE
CASE SREG IS
WHEN IDLE=>
IF SEND_UD='1'THEN SREG<=TRANSMIT； //空闲状态如有发送命令，即转入发送状态
ELSE SREG<=PACK1； //否则，发送填充字1
WHEN PACK1=>
（后略）
（2）串化器的原理设计
串化器由多级嵌套的子图和若干宏模块组成，原理图的顶层图如图4所示。四个四位并入串出寄存器将16位并行数据拆分为四组串行数据，其中的奇数位和偶数位分别通过一个双数据速率寄存器，得到两个差分信号，同时用另一个双数据速率寄存器产生与之同步的差分时钟。其中，双数据速率寄存器为时序敏感器件，其内部主要部分都加入了时序特性限制，如最大时滞（maxdelay）、最大抖动（maxskew），并用FMAP控件强制性地把相关信号放入同一个函数产生器中。
图4 串化器原理图
3 硬件设计要点
①BLVDS信号的偏置电压为1.25V，电压摆幅只有350mV，传输速率≥100Mb/s；因此，电路板制作至关重要，要求至少使用四层板。
②为使干扰信号只以供模方式加到差分线对上（不影响数据正确性），要求差分线对间的距离尽可能小。BLVDS标准要求差分阻抗为100Ω，由公式：
给出。其中，ZDIF为差分线对的差分阻抗，εR为印制板介电常数，δ为信号层到电源层的厚度，b为导线宽度。本电路选用的线距及线宽均为0.18mm。
③考虑到阻抗不匹配引起的信号反射和导线的电导效应，要求XCV50E芯片的差分引脚尽可能地靠近子卡的边缘连接器（≤1.52cm），并给每个差分引脚串联一个20Ω的贴片电阻。
④电源方面：Virtex芯片上电时要求有大于500mA的驱动电流，同时，由于多个输出引脚的电位快速变化，要求每对电源和地引脚都要良好旁路。
4 结论
当使用40MHz的外部时钟时，BLVDS总线上的传输速率为120Mb/s，成功实现了多个通信子卡间的高速数据通信。现在，我们正将该通信系统移植到我单位与胜利油田联合研制的SL-6000型高分辨率综合测井系统上。
篇2：总线型拓扑
采用单根传输线作为传输介质，所有的站点都通过相应的硬件接口直接连接到干线电缆即总线上，
总线型拓扑
，
篇3：现场总线型低压成套开关设备解析
0引言
变配电站微机监控系统是目前电力建设中比较热门的一个话题,由于其可对供配电系统各种运行的开关设备的运行状态和各回路的实际参数进行实时采集和过程显示,对设备进行遥控和自动连锁操作,对参数越限报警、事故报告操作、事件记录和设备的远程配置等功能,从而极大改善配电设备的运行管理,为实现无人值守提供条件,可明显提高配电系统的安全性、提高供电质量、节省能源消耗、减少配电设备的运用费用，因此,目前变配电系统的集成应用已成为趋势。
变电站微机监控系统一般采用分散、分层、分布式结构,整个系统可分为3 层式结构:现场层(由智能型可通信设备组成) 、网络管理层(由安装在各个配电中心或功能段的通信管理单元组成) 、系统管理层主站层(由监控中心计算机系统组成) 。本文对应用于现场层的现场总线型低压成套开关设备进行分析,探讨如何更好地采用元器件和进行低压成套开关设备网络系统的设计。
1电气控制方式研究
现场总线型低压成套开关设备所用元件一般都是智能电子设备,它们都能独立完成传统低压设备的配电、控制和保护功能,而且由于电子设备容易实现准确的测量、运算和复杂的控制逻辑,故通常具有更为精确和强大的功能。最重要的是,它不仅可作为一个独立的设备实现其功能,而且可将采集的信号传送到外部, 接受外部的命令实现操作,这就为实现分布式监控系统提供了基础条件。这里所指的现场总线是用于工业设备之间通信的规约,是已得到众多制造商采用和支持的、开放的通信规约。现场总线的推广为不同厂商设备的互连、互换、互操作提供了可能,使用开放的现场总线已得到广泛的支持。
在配电监控系统之中的现场层设备,是分散、分布式的结构,保持原有的电气系统设计的设备间隔划分,单元化、模块化设计,各间隔独立处理。各设备不依赖网络可独立完成各自的电气功能,而通过网络的集中的控制设备能实现设备间协调和连锁控制及系统监控功能。具体来讲,可进行如下比较:
(1) 传统的电气控制方式。传统的低压开关
设备主要通过断路器、接触器、热继电器、熔断器、各种控制继电器、各种主令电器、互感器、电工仪表等实现配电、控制、保护、监视功能,这种产品不仅配有数十个或更多的模拟指针仪表,大量继电器给生产、储存、维修带来极大不便,且以人工直接操作为主,无法实现计算机管理,难以实现较复杂的控制逻辑。
(2) 现场总线型低压成套开关设备的电气控制方式。现场总线型低压开关设备完全摒弃了以模拟仪表、继电器为监测、控制设备的传统型开关设备的管理观念和模式,代之以大量的智能型元器件(智能型网络仪表、网络I/O、智能型断路器、智能型分散功能模块等)和极少量普通型控制设备,是一种新型的网络集成式全分布控制设备。
总线型低压开关设备可对电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数、频率、电度等电参数进行监测,对断路器的分合状态、故障信息进行监视和控制,对断路器的运行参数进行远程设置调整,并提供完善的远程监控软件,从而实现“三遥”或“四遥”功能。
2总线网络技术研究
2. 1现场总线技术特点和电器应用现状
现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室的自动控制装置之间数字式、串行、多点通信的数据总线。现场总线技术是实现现场级设备数字化通信的一种工业现场层网络通信技术,采用现场总线技术可迅速、简单、低成本地实现自动化。现场总线技术的出现打破了原有控制系统的结构与模式,使控制系统趋向分散化、网络化、智能化,其最明显的特点为:信号传输数字化、标准统一全开放、控制单元独立。现场总线中,各种模拟信号在现场就被转换成标准的数字信号,采用全数字式、双向传输,传送时不易受周围环境的干扰,并可克服模拟信号在传输过程中衰减的问题,从而使数据有很好的完整性、可靠性和抗干扰性,延长了信号传输距离;系统从上到下全开放,采用公开化的通信协议,遵守同一通信标准的不同厂商设备之间可互联和实现信息交换,用户可灵活选用不同厂商的现场总线产品组成实际的控制系统,达到最佳的系统集成。控制功能彻底下放到现场,由高度智能的现场设备分散地完成具体功能,如数据采集与补偿、运算和控制、设备自校验和自诊断等功能。它把DCS集中与分散相结合的集散系统结构变成了新型全分布式结构,简化了控制系统结构。
目前,工业控制系统中应用的现场总线已有40多种,应用在低压电器产品上主要有:德国西门子公司的Profibus-DP协议;美国Rockwell公司的DeviceNet协议; 日本三菱公司的CC-L ink 协议;法国施耐德公司的Modbus协议; Asi协议(主要传送开关量信号) 。
每种现场总线都有其优势,也有其不足。大部分专家认为,从目前技术水平看,没有绝对先进的现场总线。从技术特征看,Profibus与CC-Link比较类同,这两种总线通信速率较高,但协议较复杂,成本较高,简单的主从通信方式相对单一、效率低; DeviceNet总线通信速率低于以上两种总线,但协议相对简单、成本较低、通信方式相对“灵活”;Modbus总线协议更为简洁、成本低,但功能相对较弱; Asi总线主要适用于开关量传送和低压控制电器通信。
据低压电器产品特点及我国低压电器行业和市场实际情况,我国可通信低压电器发展主要跟踪DeviceNet、Profibus、Modbus、Asi 4种总线，
2. 2现场总线组网技术分析
要实现对现场智能化设备的远程监控,必须形成智能化网络(见图1) ,通常包括监控用计算机或PLC和配电自动化监控软件组成。
监控计算机或PLC按安装位置可分为前置机和监控机。据系统设计前置机为可选方式,按实际需要可直接安装在现场的总线柜上或安装现场,用户可在现场直接查看各种参数并进行修改。前置机连接总线柜内所用的可通信元件,这些可通信元件的数据均由前置机负责采集并可通过TCP / IP网络与其他监控计算机连接,起到数据搜集、中转的作用。考虑到现场的工作环境及可靠性的要求,前置机必须具备工作于恶劣环境的运行能力。前置机一般采用工业控制计算机,其防护等级高、可工作于变电站高温环境。监控机安装在值班室或各种非现场的远程监控场合。在已安装了前置机的场合,监控机无需与总线柜的各种可通信设备进行直接连接,用户只需将前置机和监控机通过局域网连在一起即可。若用户需要,可加装多台监控机,同时对总线柜进行监控。监控机也可选常用的PC机,但考虑到系统的可靠性,笔者认为采用品牌机为宜。
配电自动化监控软件采用组态软件,可方便地按照现场的配置,结合各种总线标准和用户需求形成人机界面。通过连接总线柜的智能设备,用户可在任何时间、任何地点实时掌控整个配电系统的运行情况。如常熟开关制造有限公司的Riyear-PowerNet配电监控系统软件,通过高效率的数据采集,现场的工作状态、趋势曲线、历史记录、操作及报警记录等均可远程显示。该系统可支持Profibus-DP、Device Net、Modbus等总线协议,并具备有以下主要功能:
(1) 组态功能。能任意组态出系统的人机界面。可在计算机屏幕上直接画出供配电系统主接线图,成套开关设备回路及布置图,直接操作主接线图上的元器件,察看各种运行状态及报表、曲线图。
(2) 控制功能。能对系统设备进行参数设定、读取、控制。如断路器的合分操作,保护特性整定,遥测电流、电压、功率及功率因素等。
(3) 报警功能。当系统中设备出现报警时,屏幕上会自动弹出报警画面、发出报警声并能以电话等方式通知用户。
(4) 调试诊断功能。可调试、诊断设备,便于用户快速排除设备故障。
(5) 报表及曲线图功能。能根据用户需要生成各种日报表、月报表、年报表,以及历史趋势曲线图,便于用户分析、处理,合理安排各种生产设备的投入运行时间。
(6) 用户管理功能。能对不同的用户设定不同的权限,具有相应的安全检查性。
(7) 系统拓展功能。通用的OPC接口可与其他程序交换数据,可生成HTML 文件,可通过Internet或LAN远程监控。
2. 3现场总线型低压成套开关设备与元件和系统的关系
现场总线型低压成套开关设备就是采用标准开放的现场总线通信技术将具有通信功能的低压智能设备(智能型断路器、智能型保护控制装置、智能型测控装置及智能仪表等)由通信电缆相互连接起来,通过后台主控系统( PLC或PC系统)实现对整个配电系统数据采集和运行状态的远程监视、保护参数的调整、控制(“四遥”功能)以及系统数据的存储分析和设备运行管理等功能的低压成套设备。作为现场层的总线型低压成套开关设备处于配电室高温、强电磁场干扰等恶劣环境下,为保证系统的稳定运行,必须考虑如何提高元件设备和通信系统的可靠性和抗干扰能力,主要体现在如下几个方面:
(1) 采用保护与测控功能一体的元件,各保护监控装置可独立完成测量、保护和控制功能,其功能的实现不依赖于通信层及变电站监控系统层。智能化电器元件的选型主要根据工程总体设计需要进行,考虑到应用在无人值守场所,故其高可靠性成为更重要的指标,目前相对优秀的国产元件有常熟开关制造有限公司的CM1、 CM2、CM1Z、CW1、CW2、CW3等各类开关设备。
(2) 电器元件的选择必须在对设备功能、质量稳定性和外形进行选择的同时充分考虑现场总线通信接口规范(物理接口、协议、传输速率、数据量等) ,有系列化要求的尽可能选用同一厂家的产品。由于配电系统要准确集成各种元件,同一厂家的不同产品本身具有统一的设备层描述,可快速地组态、实现用户目标。若从网络仪表、I/O模块到智能电气元件,如断路器、电动机保护器等为同一厂商生产产品,那么集成速度、效率就最高。目前,在国内惟一能从系统到元件全部系列化设计的仅有常熟开关制造有限公司,不仅开发有上位机系统软件,还有CGZ1总线型低压成套开关设备,更具有业内享有盛誉的CM1、CW1等电器元件。
(3) 要求高抗干扰能力,在强电和弱电混合使用的总线型低压成套开关设备,必须具有满足IEC 61000 标准的电磁兼容能力,故在设计上就应考虑该因素。除选用电磁兼容性能好的各类电器元件外,为了提高通信网络的运行可靠性和系统可维护性,应设立专用的通信电缆敷设通道,远离强电环境。在设计时可设有独立的通信回路小室,采用金属隔板与主母线及大电流主回路完全隔离,从而有效地抑制由于主回路电流变化而产生的磁场对通信控制系统的干扰。
3结束语
现场总线型低压成套开关设备是实现变配电监控系统的重要基础,它采用标准开放的现场总线通信技术将具有通信功能、高度智能化的低压智能设备同计算机网络紧密结合,让监控系统的底层装置在可通信管理方面形成标准化、模块化和简单化,从而使配电站的管理更为方便和实用,是传统配电开关设备的理想升级替代产品。
★ 总裁判长讲话稿
★ 市场总岗位职责
★ 总代理商合同
★ 弟子规 总序
★ 年总总结
基于FPGA的总线型LVDS通信系统设计（精选3篇）
