摘要：针对航天测控系统要求数据传输实时、高速、远程的特点，本文提出了基于LVDS总线传输的测控系统方案。文章详细阐述了该系统的主要组成部分，同时对所涉及的关键技术进行了理论探讨并提出相应的工程解决方案。该系统最终技术指标的验证通过上位机" title="上位机">上位机对数据的实时分析来实现。目前该系统在实际的工程应用中得到了充分的验证，对LVDS总线在航天测控系统中的推广起了示范性作用。 

关键词：LVDS；远程传输；实时测控

引言：

在火箭发射过程中，需要对一些温度、液位等参数进行测量，然而由于所处环境常为较为恶劣的环境，因此就需要在现场对这些信号进行测量记录，经远程传输后传给地面处理器对数据进行分析处理。面对各种远程监测方式，如何提高测控系统远程通信的可靠性、准确性和及时性，及如何扩大通信的距离，一直是远程测控系统设计和研究的关键性问题。以往，在远程测控系统中常采用RS422接口方式进行数据传输，这种方式虽然能够保证数据远程传输的准确性，但是它的信号摆幅较大，很难达到较高的传输速度，因此其实时性较差。因此，在本文中所设计的数据总和测试台" title="测试台">测试台采用了LVDS接口方式进行系统设计，这样可以有效的提高数据传输的速度，从而提高通信的及时性。同时，本数据测试台采用模块化设计，提高了测试台内各模块的可移植性，并简化了研发过程中的调试。 

1 系统硬件设计：

本系统所要完成的主要功能有：采集传感器输出的多路缓变物理量信号及液位传感器输出的RS485总线形式的测试数据被转变成LVDS信号后驱动150M长电缆将数据传送至测试计算机，数据的传输速度为200Mb/S。为此，整个系统的设计分为三个部分：数据综合测试台、中继器" title="中继器">中继器以及LVDS-USB适配器（如图1所示）。 

图1 数据采集测控系统框图 

1.1数据综合测试台：

       在工作状态下，数据综合测试台负责给外部传感器供电，并采集传感器输出的缓变物理量信号和RS485信号；然后通过LVDS输出接口把采集到的数据传输到150M远的测试计算机中。在自检状态下，数据综合测试台一方面模拟输出传感器的电信号，另一方面同时采集模拟传感器输出的缓变物理量信号和RS485信号；然后通过LVDS输出接口把采集到的数据传输到150M远的测试计算机中。最后上位机通过读回的数据就可以判断自检是否正常，从而判断整个系统的工况。 

目前，测试台的设计多采用整体化的设计，当电路设计出现问题时需要对整个系统进行修正，容易造成资源的浪费。为此，本数据综合测试台采用模块化设计，这种设计方式结合桥联逻辑提高了各模块之间的可移植性及控制的灵活性。该测试台由中心控制模块、模拟量采集模块" title="采集模块">采集模块、数字信号采集模块及模拟量信号源模块四部分组成（如图2所示）。 

图2 数据综合测试台 

中心控制模块的功能是把各种功能的模块通过LVDS总线连接起来，构成一个菊花链式的网络拓扑，其中桥联逻辑负责把数据依照模块设定的地址传输到目标模块。模拟采集模块负责采集模拟信号，控制逻辑控制多路复用开关及16位A/D对多路模拟信号进行分时服用采集，然后通过LVDS发送接口发送到中心控制模块。数字信号采集模块完成量方面的任务：首先，在工作模式下采集传感器发送的RS485信号，然后通过逻辑控制将信号有LVDS发送接口发送到中心控制模块；其次，在自检模式下，数字信号采集模块通过中心控制模块的桥联逻辑接收上位机发送的数据，并将数据存储在模块内的数据存储器中，然后通过上位机的控制，通过接口电路发送RS485信号，同时，接收这种信号，再读回到上位机，以检测系统的工况。模拟信号源工作在数据综合测试台的自检模式下，它接收上位机向下发送的模拟传感器的波形数据信号，存储在波形存储器中，并在成功接收后将成功接收的信号反馈给上位机，然后接收上位机的控制，通过16位的D/A将波形数据转换成高精度波形向外发送，为模拟采集模块提供自检用模拟信号输入。  

1.2 LVDS-USB适配器：

       LVDS-USB适配器适配器的主要功能是接收从测试台通过LVDS发送过来的一部串行信号，采用FPGA解码后，通过USB控制器转换为USB接口传输给计算机进行存储和处理。此外，计算机可以通过该条线路的逆向传输将控制命令发送给远程数据综合测试台。适配器还能接收一个外部启动信号，该信号用于控制测试台对远程信号采集器输入信号的接收（如图3所示）。该适配器采用Xilinx公司的可编程逻辑器件（FPGA）XC2S100作为数据转换模块的主控制器，执行对LVDS模块以及缓存模块的操作；利用CY7C68013完成由并行数据转为USB串行数据的工作，并完成与PC机的通信任务，它既负责USB事务处理也兼具处理器的控制功能，以实现主机和USB设备间的协议转换。在CY7C68013与FPGA之间增加了输入/输出缓存，简化了FPGA的读写控制命令，使系统工作更为可靠。FPGA将上位机的各种命令解析后发送给LVDS模块，然后控制多功能测试台上各个模块的运作。 

图3 LVDS-USB适配器 

1.3 中继器：

由于双绞线信号传输方式为有损传输方式，因此为了保证数据传输的准确性，在传输通路的中段采用中继器对传输信号进行增强恢复，使其达到更好的传输效果，保证数据的准确性。中继器采用线路均衡器对接收到的衰减信号进行均衡恢复，然后通过带有数据重定时锁相环的中继器对数据进行进一步恢复和增强，最后通过电缆驱动芯片将数据向外发送。其中，中继器带有自动速率选择功能，通过对速率选择配置电阻的配置，其可适应4种不同的数据传输速率，提高了中继器的可操作性及移植性。 

2、关键技术：

2.1 LVDS信号的驱动及均衡：LVDS具有低压差分" title="差分">差分的特点，其较低的摆幅可满足高速数据传输的要求，但是由于传输过程中不可避免的衰减，使得LVDS不能兼具支持远程传输的特性，因此，在本设计中采用电缆驱动器对要发送的LVDS数据进行驱动，同时采用自适应电缆均衡器对经过远程传输后的衰减信号进行均衡恢复，从而有效改善了LVDS在远程数据传输方面的劣势，有利于LVDS在航空测试领域的推广应用。 

2.2 电磁兼容性设计：

1）电源的电磁兼容性设计：AC/DC电源模块中的各部件之间和部件与外壳之间都存在寄生电容，这些寄生电容是产生共模电流的主要原因，将AC/DC电源模块的壳地接至综合测试台的壳地可以很好的消除共模电流产生的影响。另外，在AC/DC电源模块的输出端设计了抑制低频和高频干扰的电容网络，能够有效的抑制AC/DC电源模块输出干扰。 

2）印制电路板的电磁兼容性设计：LVDS的高速传输速率使得PCB板已不再是一个互相连线的简单集合，因此印制电路板的电磁兼容^[2]性设计的好坏深刻的影响着数据的传输性能。在本设计中，对信号线、时钟信号线等频率较高的信号线采用地线环绕保护措施，以提高EMC性能；对于LVDS差分信号线，采用紧密耦合的走线方式并尽量降低不平衡走线，同时在电路板上的LVDS走线中，各个LVDS差分线对之间采用多个返回地线，使返回路径尽量靠近差分信号线对；采用最短走线的原则，以降低天线效应，防止无意发射或接收电磁干扰；布线时按信号的特性进行分区，控制可能的交叉干扰；采用退耦电容的设计以滤除高频噪声。 

3）数据传输过程中的电磁兼容性设计：在数据综合测试台的设计中，所有的数据传输都是采用LVDS总线实现的。无论是在电路板上印制导线、电路板与接插件的连接导线，还是长线传输的介质导线，均采用紧密耦合的差分线对进行数据的传输。由于差分线上的信号强度相等而方向相反（“奇数”模态），就意味着同轴的电场线相互抵消。这样虽然电场有藕合的倾向，但这些藕合的电场被“约束”住了，无法以TEM 波的形式从导体周围传播出去。只有非同轴的电场才可以逃逸到远场。因此，与单端线路相比，耦合差分信号能以TEM 波形式传播开的电场能量要小得多。另外，在长线传输中采用带屏蔽的超五类双绞线进行传输，这样能够有效地传送LVDS数据；同时在传输数据时，采用8bit/10bit编码方式对传送的数据进行编码，对数据进行直流平衡，从而通降低外界的电磁干扰。 

3、结论：

本文详细阐述了远程实时数据采集测控系统的研究与实现，论证了LVDS低压差分传输方式向航天领域推广应用的实际可行性，为航天测控中低功耗设计提供了具体的解决方案。目前，本测试系统已成功应用于航天远程测控领域。 

参考文献

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

[2] Mark l.Montrose，电磁兼容和印刷电路板理论、设计和布线，第2版，人民邮电出版社，2003，2-16