基于FPGA和光纖的振動臺用功率放大器數字傳輸技術

文 | 蘇州東菱振動試驗儀器有限公司 王宇 陳俊

基于FPGA和光纖的振動臺用功率放大器數字傳輸技術

文 | 蘇州東菱振動試驗儀器有限公司 王宇 陳俊

本文介紹了一種用于振動試驗系統中功率放大器和控制儀之間的數字信號傳輸技術。該技術通過FPGA和光纖通信技術來實現，能夠達到長距離，高速率，高可靠性的傳輸要求，可以有效提高振動試驗系統的試驗精度。

FPGA；光纖通信

1. 引言

目前，振動試驗系統中控制儀和功率放大器之間都是采用模擬連接方式 ，控制儀輸出的數字信號由DA芯片轉化為模擬信號傳輸，功率放大器通過AD芯片將模擬信號轉化為數字信號經處理后驅動振動臺工作。在AD與DA的轉化過程中，會不同程度的給信號帶來一些干擾與損耗。另外24位的AD和DA芯片不僅價格昂貴，購買也受到各種限制。

如果采用數字傳輸技術，去掉兩端的AD與DA變換，即防止信號轉換、傳輸過程中帶來的誤差與干擾，也可提高傳輸距離，同時也節省了成本。

2.FPGA技術介紹

現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA)是在專用ASIC的基礎上發展起來的，它不僅具有設計靈活、性能高、速度快等優勢，而且上市周期短、成本低廉。FPGA開發工具種類繁多，功能強大，可以完成從輸入、綜合、實現到配置芯片等一系列功能和對設計的仿真，優化，約束，在線調試等功能。

3.總體設計方案

目前，控制儀中DA的輸出精度大多為24位，峰值速率在500K，那么要求方案滿足傳輸速率在1.248Mb/s——24Mb/s自適應，傳輸距離大于100m，同時為防止干擾，必須與其他系統隔離。

綜合以上要求，采用FPGA與光纖模塊結合的方式構建系統，可以滿足高速率條件下長距離傳送的要求。圖3-1為系統的原理框圖。

其中，控制儀將24位數據送入FPGA的乒乓緩沖區中，由FPGA按順序將數據送入串行器DS92LV1023中，并控制串行器將24位并行數據轉換為加入時鐘和控制信號的串行數據，由光纖模塊1417K4A進行發送。接受端光纖模塊收到數據后傳送至解串器中，由解串器將數據還原成24位數據并分離出時鐘和控制命令。由于數字功放部分的DSP數據線是16位，所以當FPGA讀取數據到緩沖區后應將數據分成兩部分送入16位數據總線供DSP使用。

4.系統硬件實現

4.1.統硬件原理

以數據接收端硬件設計為例，該部分以Altera Cyclone III的EP3C16F256C6為主，該FPGA基于SRAM架構，169個IO口，15408個邏輯單元，516096位的M9K-RAM，具有很高的性價比。解串器采用NS公司的DS92LV2422,光纖模塊采用1417K4A,該模塊傳輸速率可達2.5Gb/s。

接收端硬件原理圖見圖4.1.1所示，FPGA在該電路中有三個功能：

a．數據緩沖

FPGA的DO0——DO15直接與數字式功放前置中DSP數據總線掛在一起，A8——A13與DSP的地址總線掛在一起，把FPGA映射到DSP的0x002A00——0x003F00這段地址空間中，使DSP通過外部存儲器接口（XINTF）獲取數據。由于大部分的控制儀發送的是24位數據，而功放中使用的DSP數據總線為16位，所以必須在FPGA端做緩沖處理，把24位數據分成高16位和低8位存儲到兩個連續空間供DSP讀取。

b．解串器控制接口

FPGA通過SDA和SCL引腳配置DS92LV2422，通過DI0——DI15讀入數據。

c．速率匹配

由于受算法限制，控制儀進行不同的試驗（如正弦和隨機）往往采用不同的速率輸出，在之前的模擬方式連接時，這對功放的數據采集沒有任何影響，而一旦采用數字方式連接時，就必須做到輸出和輸入的數據速率是一致的。利用FPGA進行數據采集時，乒乓緩沖區中會保存固定時長（10us）的數據，如果發送速率高，則存儲的數據多，發送速率低則存儲的數據少，但接收端DSP讀取的速率100K是恒定不變的，這樣就實現了不同的發送接受速率之間的匹配。

4.2.統的PCB板設計

接收端PCB為四層板，頂層和底層走的是信號線，中間兩層為電源層和地層，需要注意的是：

a.光纖到解串器之間的差分線對在走線時必須一致，保證其具有一樣的阻抗和一致的長度。這樣做可以保證差分信號對互相保持緊密耦合，減小EMI輻射。

b.要避免數據線在芯片下方穿過，避免產生耦合噪聲影響系統精度，而快速變化的信號線和時鐘線應遠離數字地，防止對其他數據線造成干擾。

c.由于系統采用數字電源供電，引入了一定的高頻噪音，所以靠近芯片電源引腳處串入磁珠和RC濾波器，抑制高頻干擾。

發送端的硬件原理與接收端類似，在此不做詳細敘述。

5.結束語

本文介紹了一種通過FPGA和光纖來實現的振動控制儀和功率放大器的數字傳輸技術。該技術可以實現高速率下大于100m的數據傳輸，經驗證系統性能穩定，可靠，值得進一步推廣。

1. 吳繼華，王誠，Altera FPGA/CPLD設計基礎篇人民郵電出版社，2005

2. Meyeer-Baese,數字信號處理的FPGA實現清華大學出版社，2006

3.盧敏，張子墨，基于FPGA的LVDS——光纖通信系統的實現 江西理工大學，贛州，2007

4.蔣冬初，李玉山，LVDS在高速數字系統中的應用研究西安電子科技大學CAD所，2009

Digital Signal Transmission Technology of Power Amplif i er for Vibration Test Based on FPGA and Optical Fiber Communication

This article introduces a digital signal transmission technology between power amplifier and controller of vibration test system. This technology is achieved by FPGA and optical fiber communications technology, can achieve long-distance, high-speed, high reliability transmission requirements, and can improve the test accuracy of vibration test system.

FPGA；optical fiber communication

王宇（1979—），男，吉林省吉林市人，蘇州東菱振動試驗儀器有限公司電子電氣設計室工程師，主要從事振動臺用功率放大器的設計工作。