摘要：針對航天測控系統要求數據傳輸實時、高速、遠程的特點，本文提出了基于LVDS總線傳輸的測控系統方案。文章詳細闡述了該系統的主要組成部分，同時對所涉及的關鍵技術進行了理論探討并提出相應的工程解決方案。該系統最終技術指標的驗證通過上位機" title="上位機">上位機對數據的實時分析來實現。目前該系統在實際的工程應用中得到了充分的驗證，對LVDS總線在航天測控系統中的推廣起了示范性作用。?

關鍵詞：LVDS；遠程傳輸；實時測控

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引言：

在火箭發射過程中，需要對一些溫度、液位等參數進行測量，然而由于所處環境常為較為惡劣的環境，因此就需要在現場對這些信號進行測量記錄，經遠程傳輸后傳給地面處理器對數據進行分析處理。面對各種遠程監測方式，如何提高測控系統遠程通信的可靠性、準確性和及時性，及如何擴大通信的距離，一直是遠程測控系統設計和研究的關鍵性問題。以往，在遠程測控系統中常采用RS422接口方式進行數據傳輸，這種方式雖然能夠保證數據遠程傳輸的準確性，但是它的信號擺幅較大，很難達到較高的傳輸速度，因此其實時性較差。因此，在本文中所設計的數據總和測試臺" title="測試臺">測試臺采用了LVDS接口方式進行系統設計，這樣可以有效的提高數據傳輸的速度，從而提高通信的及時性。同時，本數據測試臺采用模塊化設計，提高了測試臺內各模塊的可移植性，并簡化了研發過程中的調試。?

1 系統硬件設計：

本系統所要完成的主要功能有：采集傳感器輸出的多路緩變物理量信號及液位傳感器輸出的RS485總線形式的測試數據被轉變成LVDS信號后驅動150M長電纜將數據傳送至測試計算機，數據的傳輸速度為200Mb/S。為此，整個系統的設計分為三個部分：數據綜合測試臺、中繼器" title="中繼器">中繼器以及LVDS-USB適配器（如圖1所示）。?

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圖1 數據采集測控系統框圖?

1.1數據綜合測試臺：

?????? 在工作狀態下，數據綜合測試臺負責給外部傳感器供電，并采集傳感器輸出的緩變物理量信號和RS485信號；然后通過LVDS輸出接口把采集到的數據傳輸到150M遠的測試計算機中。在自檢狀態下，數據綜合測試臺一方面模擬輸出傳感器的電信號，另一方面同時采集模擬傳感器輸出的緩變物理量信號和RS485信號；然后通過LVDS輸出接口把采集到的數據傳輸到150M遠的測試計算機中。最后上位機通過讀回的數據就可以判斷自檢是否正常，從而判斷整個系統的工況。?

目前，測試臺的設計多采用整體化的設計，當電路設計出現問題時需要對整個系統進行修正，容易造成資源的浪費。為此，本數據綜合測試臺采用模塊化設計，這種設計方式結合橋聯邏輯提高了各模塊之間的可移植性及控制的靈活性。該測試臺由中心控制模塊、模擬量采集模塊" title="采集模塊">采集模塊、數字信號采集模塊及模擬量信號源模塊四部分組成（如圖2所示）。?

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圖2 數據綜合測試臺?

中心控制模塊的功能是把各種功能的模塊通過LVDS總線連接起來，構成一個菊花鏈式的網絡拓撲，其中橋聯邏輯負責把數據依照模塊設定的地址傳輸到目標模塊。模擬采集模塊負責采集模擬信號，控制邏輯控制多路復用開關及16位A/D對多路模擬信號進行分時服用采集，然后通過LVDS發送接口發送到中心控制模塊。數字信號采集模塊完成量方面的任務：首先，在工作模式下采集傳感器發送的RS485信號，然后通過邏輯控制將信號有LVDS發送接口發送到中心控制模塊；其次，在自檢模式下，數字信號采集模塊通過中心控制模塊的橋聯邏輯接收上位機發送的數據，并將數據存儲在模塊內的數據存儲器中，然后通過上位機的控制，通過接口電路發送RS485信號，同時，接收這種信號，再讀回到上位機，以檢測系統的工況。模擬信號源工作在數據綜合測試臺的自檢模式下，它接收上位機向下發送的模擬傳感器的波形數據信號，存儲在波形存儲器中，并在成功接收后將成功接收的信號反饋給上位機，然后接收上位機的控制，通過16位的D/A將波形數據轉換成高精度波形向外發送，為模擬采集模塊提供自檢用模擬信號輸入。 ?

1.2 LVDS-USB適配器：

?????? LVDS-USB適配器適配器的主要功能是接收從測試臺通過LVDS發送過來的一部串行信號，采用FPGA解碼后，通過USB控制器轉換為USB接口傳輸給計算機進行存儲和處理。此外，計算機可以通過該條線路的逆向傳輸將控制命令發送給遠程數據綜合測試臺。適配器還能接收一個外部啟動信號，該信號用于控制測試臺對遠程信號采集器輸入信號的接收（如圖3所示）。該適配器采用Xilinx公司的可編程邏輯器件（FPGA）XC2S100作為數據轉換模塊的主控制器，執行對LVDS模塊以及緩存模塊的操作；利用CY7C68013完成由并行數據轉為USB串行數據的工作，并完成與PC機的通信任務，它既負責USB事務處理也兼具處理器的控制功能，以實現主機和USB設備間的協議轉換。在CY7C68013與FPGA之間增加了輸入/輸出緩存，簡化了FPGA的讀寫控制命令，使系統工作更為可靠。FPGA將上位機的各種命令解析后發送給LVDS模塊，然后控制多功能測試臺上各個模塊的運作。?

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圖3 LVDS-USB適配器?

1.3 中繼器：

由于雙絞線信號傳輸方式為有損傳輸方式，因此為了保證數據傳輸的準確性，在傳輸通路的中段采用中繼器對傳輸信號進行增強恢復，使其達到更好的傳輸效果，保證數據的準確性。中繼器采用線路均衡器對接收到的衰減信號進行均衡恢復，然后通過帶有數據重定時鎖相環的中繼器對數據進行進一步恢復和增強，最后通過電纜驅動芯片將數據向外發送。其中，中繼器帶有自動速率選擇功能，通過對速率選擇配置電阻的配置，其可適應4種不同的數據傳輸速率，提高了中繼器的可操作性及移植性。?

2、關鍵技術：

2.1 LVDS信號的驅動及均衡：LVDS具有低壓差分" title="差分">差分的特點，其較低的擺幅可滿足高速數據傳輸的要求，但是由于傳輸過程中不可避免的衰減，使得LVDS不能兼具支持遠程傳輸的特性，因此，在本設計中采用電纜驅動器對要發送的LVDS數據進行驅動，同時采用自適應電纜均衡器對經過遠程傳輸后的衰減信號進行均衡恢復，從而有效改善了LVDS在遠程數據傳輸方面的劣勢，有利于LVDS在航空測試領域的推廣應用。?

2.2 電磁兼容性設計：

1）電源的電磁兼容性設計：AC/DC電源模塊中的各部件之間和部件與外殼之間都存在寄生電容，這些寄生電容是產生共模電流的主要原因，將AC/DC電源模塊的殼地接至綜合測試臺的殼地可以很好的消除共模電流產生的影響。另外，在AC/DC電源模塊的輸出端設計了抑制低頻和高頻干擾的電容網絡，能夠有效的抑制AC/DC電源模塊輸出干擾。?

2）印制電路板的電磁兼容性設計：LVDS的高速傳輸速率使得PCB板已不再是一個互相連線的簡單集合，因此印制電路板的電磁兼容^[2]性設計的好壞深刻的影響著數據的傳輸性能。在本設計中，對信號線、時鐘信號線等頻率較高的信號線采用地線環繞保護措施，以提高EMC性能；對于LVDS差分信號線，采用緊密耦合的走線方式并盡量降低不平衡走線，同時在電路板上的LVDS走線中，各個LVDS差分線對之間采用多個返回地線，使返回路徑盡量靠近差分信號線對；采用最短走線的原則，以降低天線效應，防止無意發射或接收電磁干擾；布線時按信號的特性進行分區，控制可能的交叉干擾；采用退耦電容的設計以濾除高頻噪聲。?

3）數據傳輸過程中的電磁兼容性設計：在數據綜合測試臺的設計中，所有的數據傳輸都是采用LVDS總線實現的。無論是在電路板上印制導線、電路板與接插件的連接導線，還是長線傳輸的介質導線，均采用緊密耦合的差分線對進行數據的傳輸。由于差分線上的信號強度相等而方向相反（“奇數”模態），就意味著同軸的電場線相互抵消。這樣雖然電場有藕合的傾向，但這些藕合的電場被“約束”住了，無法以TEM 波的形式從導體周圍傳播出去。只有非同軸的電場才可以逃逸到遠場。因此，與單端線路相比，耦合差分信號能以TEM 波形式傳播開的電場能量要小得多。另外，在長線傳輸中采用帶屏蔽的超五類雙絞線進行傳輸，這樣能夠有效地傳送LVDS數據；同時在傳輸數據時，采用8bit/10bit編碼方式對傳送的數據進行編碼，對數據進行直流平衡，從而通降低外界的電磁干擾。?

3、結論：

本文詳細闡述了遠程實時數據采集測控系統的研究與實現，論證了LVDS低壓差分傳輸方式向航天領域推廣應用的實際可行性，為航天測控中低功耗設計提供了具體的解決方案。目前，本測試系統已成功應用于航天遠程測控領域。?

參考文獻

[1] MIKE Noonen. LVDS Owner’s Manual [DB/OL]. National Semiconductor，2004?

[2] Mark l.Montrose，電磁兼容和印刷電路板理論、設計和布線，第2版，人民郵電出版社，2003，2-16?