基于LVDS的存储测试系统的设计

【摘要】针对空间侦察、地面观测及空间探测等遥感仪器产生的大量高速数据存储、传输问题，采用LVDS接口芯片接收将采集器件采集到的数据并转换为差分信号，然后将接收到的差分信号数据转换为TTL信号。最后由FPGA控制将数据写入FLASH存储器中，最终通过输出接口由计算机来读取存入存储器的数据。通过FPGA的功能编程和多级仿真以及系统的状态机仿真，表明该设计方案可行，能对被测信号实时精确的完成采集、传输、存储工作。

【关键词】数据存储;接口芯片;FPGA;LVDS;差分信号

引言

随着无线遥测技术的不断发展应用，遥测系统会采集到大量数据，这源源不断的数据流需要高速大容量的存储设备进行存储，另一方面数据要以低速返回地面进行分析处理，这就需要一套稳定可靠的数据存储转发系统[1]。

本文利用LVDS技术的特点而设计了基于LVDS的存储测试系统，该系统能够将大量的数据流快速精确的转换并存储到存储模块中，最终通过输出接口由计算机结合读数软件来读取存入存储模块的数据。

1.系统总体结构

本文要完成的是基于LVDS的储存测试系统的设计，整个系统首先由LVDS接口芯片将采集部件采集到的数据接收并转换为差分信号数据，再将差分信号转换为常用的TTL信号。送入FPGA进行缓存，然后由FPGA控制将数据写入FLASH存储器中，最终计算机通过输出接口来读取存入存储器的数据。总体结构如图1所示：

图1 系统总体结构图

2.硬件电路设计

该系统硬件方面主要由LVDS接口，FPGA、FPGA、FLASH、JTAG、时钟、电源模块组成。详见图2：

图2 系统的硬件结构图

2.1 LVDS芯片选择

本系统中所用LVDS芯片为DS92LV090A，它是专为高速、低功耗背板或者电缆接口而设计的。该器件由3.3V的单电源提供工作电压，有9个驱动器和9个接收器。为了尽量减少总线负载，驱动器输出和接收器输入都在内部连接。驱动器将3V的TTL电平（单端）转换为差分总线LVDS（BLVDS）的输出电平。它支持高速的操作环境，和最小的电磁干扰。此外，差分信号提供±1V的共模噪声抑制[3]。

2.2 FPGA配置接口设计

FPGA是基于RAM的结构，不能够直接运行固化在芯片内的代码，需要进行配置。FPGA 器件的配置下载方式共有三种：主动配置方式（AS）、被动配置方式（PS）和基于JTAG的配置方式。本设计中使用JTAG方式。JTAG方式使用Altera下载电缆完成。主要使用4根信号线：TMS、TCK、TDI、TDO，分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。

2.3 存储电路设计

本设计中所采用的NAND FLASH芯片K9F1G08。该芯片128M的NAND型Flash。它内部存储阵列可分为1024块， 每一块分为64页，1页包含2112字节，K9F1G08UOM的特别之处在于其命令、地址、数据信息通过8条I/O线时分复用， 这样128M空间的28位地址可以分四次写入地址寄存器， 这种结构既减少了管脚数， 又降低了系统接口连接的复杂性[4]。

3.系统软件设计

3.1 LVDS接口模块

LVDS控制模块主要实现的是控制DS92LV090A芯片将8路的差分数据信号转换为TTL信号，一位的同步时钟信号也转换为TTL信号，这里的同步时钟信号作为FIFO的写时钟。8路数据进入FIFO 缓存后，将数据写入FLASH存储器。

3.2 数据缓存模块

FLASH控制器的读写速度会产生不可避免地波动，对输入的数据流不能做到严格同步，这就需要对输入数据进行缓存。利用FPGA内部的资源在FLASH控制模块前后添加FIFO缓冲能够对数据流的速度有效进行控制。具体控制框图如图3所示：同步FIFO数据仿真波形如图4所示：

图3 FIFO数据控制框图

图4 同步FIFO数据仿真波形

3.3 FLASH控制模块

FLASH控制模块主要实现FIFO的数据读取、FLASH的数据存储和数据读取、FLASH的擦除、消抖[5]。详见图5FLASH控制框图、图6 FLASH控制的仿真波形：

图5 FLASH控制框图

4.结束语

本文通过研究设计LVDS的存储测试系统，恰当选择了适合要求的LVDS芯片;设计了简单可靠的硬件系统集成方案，组成了以FPGA为核心，集合FLASH存储器、LVDS芯片等模块的集成试验样机，并用VHDL硬件描述语言编程设计了新的并行架构，进行了FPGA的功能编程和多级仿真以及系统的状态机仿真;经过实验证明，所研究方案可行能够达到预期要求。

参考文献

[1]王胜，王新宇.LVDS技术及其在高速系统中的应用[J].遥测遥控，2005，62（4）：41-46.

[2]孟汉城.测试与测试技术的发展[J].航天测控，2004，5（13）：5-6.

[3]M.David Stone.大容量存储器发展预测[J].电子计算机与外部设备.1997，21（6）.

[4]雷磊.NAND型FLASH海量存储系统的设计与实现[D].北京理工大学硕士学文，2008.

[5]许辉.基于FLASN的大容量记录器研究[D].中北大学硕士学位论文，2007.

作者简介：郑谭（1989―），山西太原人，硕士研究生，现就读于中北大学计算机与控制工程学院，研究方向：恶劣环境下的动态测试。