摘要：：結(jié)合一個(gè)實(shí)際的遠(yuǎn)程高速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，比較了目前常用的各種數(shù)據(jù)傳輸方式，介紹了各個(gè)公司的PCI接口芯片的特點(diǎn)，以及高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和各種實(shí)現(xiàn)方案。
關(guān)鍵詞：USB 光線（FireWire） 低壓差分（LVDS） HOTLink PIC 數(shù)據(jù)采集 遠(yuǎn)程傳輸
數(shù)據(jù)采集是信息處理系統(tǒng)的最前端，對(duì)于一般的數(shù)據(jù)采集任務(wù)有通用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可供選用。但是由于數(shù)據(jù)源以及用戶需求的多樣性，通用的采集設(shè)備不可能總線滿足定制要求。例如一個(gè)項(xiàng)目需要采集由一塊高速CCD圖像處理板送來(lái)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸速率必須穩(wěn)定到10Mbytes/s，數(shù)據(jù)源為一個(gè)遠(yuǎn)端（50m左右）設(shè)備發(fā)送的連續(xù)數(shù)據(jù)流，要求所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須能夠現(xiàn)場(chǎng)采集，遠(yuǎn)程傳輸，并實(shí)時(shí)地存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù)。
本系統(tǒng)的核心部分為高速距離傳輸和數(shù)據(jù)采集兩個(gè)部分。
1 數(shù)據(jù)傳輸方案
在數(shù)據(jù)傳輸部分的設(shè)計(jì)中，調(diào)研了基于USB、火線（FireWire）之類的解決方案。采用這些協(xié)議開發(fā)設(shè)備可以使數(shù)據(jù)采集部分的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單。目前，主板一般都支持USB1.1，不需要設(shè)計(jì)專門的數(shù)據(jù)采集卡。如果采用火線（FireWire）協(xié)議，TI的OHCI-lynx系列的芯片（TSB12LV23）集成了一個(gè)PCI接口和火線的協(xié)議層。但是目前USB1.1標(biāo)準(zhǔn)還達(dá)不到所需要的帶寬，而USB2.0還沒有得到主板的普遍支持。采用火一雖然使得數(shù)據(jù)接收端的設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單。但是由于火線是一條多主的總線，每發(fā)送一幀數(shù)據(jù)都要打一個(gè)包頭，由于鏈路層協(xié)議的復(fù)雜，包頭的結(jié)構(gòu)也相當(dāng)?shù)娜唛L(zhǎng)，對(duì)于數(shù)據(jù)發(fā)送端鏈路層的大量寄存器配置，僅用CPLD實(shí)現(xiàn)，調(diào)試麻煩，
不靈活。如果采用MCU來(lái)實(shí)現(xiàn)能夠?qū)ι习費(fèi)bps的數(shù)據(jù)流實(shí)時(shí)地打包的數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)，復(fù)雜程序太高，嚴(yán)重影響項(xiàng)目進(jìn)度。
依據(jù)開發(fā)難度、成本，最后選擇了兩種方案來(lái)構(gòu)建傳輸系統(tǒng)：低壓差分（LVDS）和HOTlink。
低壓差分信號(hào)傳輸器件一般應(yīng)用于背板信號(hào)互連之類的短距離通訊中，例如交換機(jī)系統(tǒng)。LVDS標(biāo)準(zhǔn)定義傳輸距離為10m，實(shí)際工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)10Mbps的數(shù)據(jù)流在五類雙絞線上使用低壓差分至少可以在40m左右的傳輸距離穩(wěn)定傳輸。目前國(guó)內(nèi)的應(yīng)用中一般在超過(guò)100m的情況下使用一個(gè)LVDS的中繼板。普遍使用的LVDS器件是國(guó)家半導(dǎo)體的90C031，90C032，1：1發(fā)送接收模塊，不帶復(fù)用與解復(fù)用的功能。如果需要兩根串行線傳輸方案，國(guó)家半導(dǎo)體也提供復(fù)用比可達(dá)到14：1與1：14的復(fù)用與解復(fù)用LVDS器件。LVDS器件使用比較方便，不需要內(nèi)部編程與外部的邏輯控制，在PCB版圖設(shè)計(jì)時(shí)注意差分信號(hào)線基本等長(zhǎng)、匹配電阻等瓿即可正常工作。
HOTLink 是Cypress公司的高速長(zhǎng)距離點(diǎn)對(duì)點(diǎn)串行通信產(chǎn)品系列。符合DVB-ASI、ATM、SMPTE-259M、ESCON等標(biāo)準(zhǔn)，用于構(gòu)建符合這些標(biāo)準(zhǔn)的通訊產(chǎn)品的物理層。標(biāo)準(zhǔn)的HoTlink產(chǎn)品數(shù)據(jù)傳輸速率范圍為160～400Mbps，支持同軸電纜、雙絞線以及光纖接口。傳輸距離與傳輸介質(zhì)有關(guān)。用雙絞線以及同軸電纜可以傳輸100～500m，光纖傳輸可以達(dá)到數(shù)公里。具體工作原理是：在發(fā)送端將八位輸入數(shù)據(jù)串行輸出，接收端重新組合。發(fā)送端無(wú)有效數(shù)據(jù)時(shí)自動(dòng)發(fā)送空數(shù)據(jù)，接收端根據(jù)流自動(dòng)恢復(fù)時(shí)鐘。外部邏輯可以監(jiān)視恢復(fù)時(shí)鐘是否失同步，一旦失同步即可控制接收端重新同步時(shí)鐘，而且HOTLink產(chǎn)品的一大特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流與指令流的分離。HOTLink的理論誤碼率為零，實(shí)現(xiàn)誤碼來(lái)自于內(nèi)部時(shí)鐘失同步以及外部環(huán)境電磁干擾。
HOTLink 第二代產(chǎn)品可以支持1500Mbps的傳輸速率，支持8位1、6位、32位數(shù)據(jù)接口，性能大大提高。當(dāng)然基于HOTLink設(shè)計(jì)通訊產(chǎn)品難度相對(duì)要大一些，應(yīng)用HOTLink傳輸系統(tǒng)需要比較復(fù)雜的外部狀態(tài)機(jī)的控制來(lái)保證接收端時(shí)鐘正確恢復(fù)（一個(gè)演示的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖見圖1）.而且由于系統(tǒng)時(shí)鐘頻率較高， PCB版圖設(shè)計(jì)需要比較研究，要求設(shè)計(jì)者仔細(xì)考慮各種電磁干擾影響。
2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案
基于計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以依據(jù)與計(jì)算機(jī)的接口同而分類。以目前工程應(yīng)用來(lái)看，基于ISA總線的系統(tǒng)雖然帶寬足夠低速采集使用，但是由于主板生產(chǎn)商趨向于不再支持ISA，面監(jiān)被USB接口產(chǎn)品取代的趨勢(shì)。而高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要還是基于PCI總線傳輸數(shù)據(jù)。這主是由于PCI總線相對(duì)于其它總線有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
·PCI總線得到了廣泛的支持；
·PCI總線目前32Bit，33MHz時(shí)鐘，理論帶寬133Mbytes/s，可升級(jí)到64Bit，66MHz時(shí)鐘頻率；
·PCI總線產(chǎn)品開發(fā)有豐富的硬件資源可供選擇（常見產(chǎn)品比較見表1）；
·PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)開發(fā)在常見平臺(tái)下有較好的軟件包支持。例如Dos下可直接調(diào)用PCIBios函數(shù)，Windows下有非常好的開發(fā)輔助軟件包，而Linux直接提供類似于PCIBios的函數(shù)可供開發(fā)者調(diào)用。
目前市場(chǎng)上常見的有AMCC、PLX、CYPRESS等公司的橋芯片。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用與比較，各個(gè)型號(hào)的PCI接口芯片的大致特點(diǎn)如表1所示。
表1 各公司PCI接口芯片覽表
| 公 司 | 主要特點(diǎn) | 驅(qū)動(dòng)開發(fā) | 價(jià)格 | 技術(shù)資料 |
| AMCC | FIFO接口適合于設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集卡，使用單間，性能好。 | 有DOS下驅(qū)動(dòng)的例子參考 | 較昂貴 | 較為全面，提供評(píng)估版版圖 |
| CYPRESS | 內(nèi)置DPRAM，可以代替外部緩存，有效降低系統(tǒng)成本。 | 有VXD例子 | 便宜 | 技術(shù)文檔比較全面 |
| Oxford | 提供PCI與各種接口的橋接功能，如并口、ATAPI。 | 例子程序 | 便宜 | 網(wǎng)絡(luò)文檔 |
| TI | 與TI的DSP的無(wú)縫連接 | 例子程序，評(píng)估程序 | 很便宜 | 網(wǎng)絡(luò)文檔，有評(píng)估模塊 |
| PLX | 從低檔廉價(jià)的PCI接口到高端有眾多型號(hào)可供選擇。 | 提供了SDK，降低開發(fā)作量 | 多種選擇 | 許多有價(jià)值的在RDK中出售 |
