基于LVDS的高速大容量数据传输系统的设计与实现

郭炳++郭振铎++张猛

摘 要 针对数字图像传输遇到的瓶颈问题，本文提出了一种新的解决方法，采用集串、解串、二次集串、二次解串和均衡等技术，利用LVDS信号特性，借助采集板、集串板、解串板、处理板构建一个LVDS高速大容量数据传输系统，设计实现并验证了图像的实时传输。

【关键词】集串 解串 均衡 LVDS

1 引言

在某光电图像处理系统中，需要把cameralink接口数字相机输出图像通过滑环从舱外传输到舱内，相机输出的是11对LVDS差分信号。图像传输存在如下问题：

（1）LVDS数据传输最远距离为10m；

（2）滑环上供信号传输的接口有限；

（3）信号过滑环很容易受到干扰。

常用处理方法有三种：一是转换为光纤传输，二是转换为网络传输，三是通过中继传输。这三种方法都能实现图像传输，同时也都有一定的不足。光纤传输需要有接收光端机和发送光端机，价格昂贵，成本高，额外增加重量，给安装带来了诸多不便，不利于集成化小型化一体化设计。网络传输对滑环要求比较高，在数据量小的情况下网络传输比较稳定，一旦数据量变大，网络传输会出现信号部分丢失。不同的传输距离需要的中继数量不同，如果传输距离远，则需要多个中继参与才能实现，中继传输需要经过多次转换，并且安装也不方便。为此本文提出了一种新的解决方法，设计实现并验证了图像的实时传输。

2 系统原理与组成

LVDS信号能在差分PCB线对或平衡电缆上以400Mbps的速率传输，其低电压和低电流驱动输出实现了低噪声、低功耗、低误码率、低串扰和低辐射等。标准的最高数据传输速率是655Mbps，理论上在一个无衰耗的传输线上LVDS的最高传输速率可达1.923Gbps。因此可以应用在高速传输数据能力的系统中。传统的LVDS传输距离一般不超过十米。由于电缆是有损耗的传输线，会使信号产生失真和畸变，传输会出现大幅衰减，经由电缆传送的低电压差分信号同样也会出现衰减情况。

未解决上述问题，本文利用LVDS信号特性，借助集串板、解串板、处理板、采集板构建一个LVDS高速数据传输系统，设计实现对图像的实时传输。系统设计时把相机输出的11对LVDS差分信号首先送至采集板，采集板里把信号经过处理后分三路输出，一路直接输出进行数字显示，一路传输至处理板进行跟踪处理并显示，一路送至集串板，集串板接收到数据后进行集串处理，把11对LVDS差分信号转换为1对LVDS差分信号后送至解串板，解串板进行解串处理，把1对LVDS差分信号转换为11对LVDS差分信号，然后再送到采集板，采集板里把信号经过处理后分两路输出，一路直接输出进行数字显示，一路传输至处理板进行跟踪处理并显示。整个系统组成如图1所示。

3 功能设计与实现

在整个系统中，采集板和处理板都是采用成熟技术，并且这两部分都是用于功能验证。系统的核心在集串板和解串板，集串和解串都需要自适应均衡处理，因此系统的关键是集串、解串和均衡。

本系统输入的cameralink接口数字图像点阵大小为640×512，刷新频率为100hz，数据位宽为10位，数据流量不超过320Mbps，数据传输率均满足要求。

数字相机输出的11对差分信号经过采集板处理后送至集串板进行解码，把11对LVDS电平的信号转换为28位TTL电平的数字图像、1路时序信号、6路控制信号等输入到FPGA电路里进行各种处理，处理后的信号首先经过驱动电路，增强信号的传输能力，然后利用集串器把35个TTL电平的数字信号转换为4对LVDS电平的差分信号，MAX9207是一个很强大的集串器件，它能够把10位TTL电平的并行数据转换为1对LVDS电平的串行数据，信号能够以660Mbps通过电路板或者双绞线传输，能够很方便地实现数据的传输。采用MAX9207进行集串处理，数据带宽完全能够满足实际使用要求。4对LVDS信号再经过DS32ELX0421电路采用集成的直流平衡编码技术进行数据集成，该集串器可以同时把5对LVDS差分数据信号和1对LVDS差分时钟信号集成为1对LVDS差分信号传输出去，能够最大限度地减少信号的数量。经过二次集串处理，数字图像最终转换为1对LVDS差分信号。整个集串处理如图2所示。

均衡处理采用CLC012，它具有二级自适应滤波器单元，能自适应地对不同长度的电缆和双绞线进行均衡，CLC012的抖动极低，能够为数据链路提供了很宽的噪声容限。CLC012均衡器从波形中回收信号，并将它恢复到适当电压电平。CLC012的原理如图3所示。均衡后的图像可以直接经过同轴电缆从电路板向外传输，这里设计的电缆长度为30m。

解串板通过同轴电缆接收到信号之后首先经过高速驱动器CLC005驱动同轴电缆进行信号增强，经直流耦合后把均衡处理后的1对LVDS差分信号首先进行解串，数字通道图像首先经过DS32ELX0124把1对LVDS差分信号转换为4对LVDS差分信号。DS32ELX0124采用直流平衡解码使能技术把1路LVDS差分信号转换为5路LVDS差分数据信号和1路时钟差分信号，DS32ELX0421和DS32ELX0124是集串和解串的配对模块。一个用来集串，一个用来解串。这里采用1路DS32ELX0124把数字通道数据解串为4路LVDS差分信号，然后通过4路二次解串电路MAX9208转换为35路TTL电平的数字信号，再经过驱动信号增强信号的传输能力，驱动后的TTL信号就可以直接用于图像处理。如图4所示。

经过上述采集、集串、自适应均衡、解串等处理，系统就完成了图像数据的传输。

4 验证

把相机对准同一个固定目标，本系统可以有一下几种验证方法：

（1）用采集板同时直接观察传输前后的图像，看是否有变化；

（2）把传输前后的图像同时送到处理板的DSP片内，进行跟踪处理，观察传输前后脱靶量的变化情况是否一致；

（3）把传输前和传输后的图像同时传输到处理板FPGA里，对同一时刻的像素求差的绝对值的累加和，看每场的累加和是否为0。

采用三种方法验证发现，处理前和处理后的图像效果均保持一致，没有变化。这说明在30m长的同轴电缆中，本系统设计的图像传输完全能够满足使用要求。

参考文献

[1]鵬乡琳 LVDS在长距离信号传输中的应用[J].网络信息技术，2006（25）7：60-61.

[2]高同海，宋明，丁晓明.自适应均衡器在LVDS息线长距离传输中的应用[J].单片机与嵌入式系统，2005.

[3]杨翠虹，文丰，姚宗.基于LVDS 的高速数据传输系统的设计[J].通信技术，2010.

作者简介

郭炳（1982-），现为中国电子科技集团公司第二十七研究所工程师，主要从事光电图像处理。

郭振铎（1982-），现为中原工学院电子信息学院讲师，主要研究方向为图像处理技术及嵌入式系统开发应用。

张猛，现为中国电子科技集团公司第二十七研究所工程师，主要从事光电图像处理装备制造。

作者单位

1.中国电子科技集团公司第二十七研究所 河南省郑州市 450047

2.中原工学院 河南省郑州市 450047