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基于FPGA的数字光端机的设计
李亮;胡一梁;韩瑞珍
【期刊名称】《中国有线电视》
【年(卷),期】2008(000)009
【摘要】介绍一种基于FPGA的视频、音频、反向数据的远程传输系统的研究与设计,分析该系统的具体原理和工作过程.该系统设备简单、便于维护,可应用于视频监控系统中.
【总页数】3页(P955-957)
【作者】李亮;胡一梁;韩瑞珍
【作者单位】浙江传媒学院,浙江,杭州,310018;浙江传媒学院,浙江,杭州,310018;浙江传媒学院,浙江,杭州,310018
【正文语种】中文
【中图分类】TN943.5
【相关文献】
1.基于FPGA的数字光端机的设计与实现 [J], 李林;谢代华;冯正勇
2.基于FPGA的数字式光端机的研究与设计 [J], 陈文辉;蒋国平;马幼军
3.基于FPGA/CPLD的数字光端机系统设计 [J], 韩立金;郭莉;贾志强
4.基于FPGA新型视频光端机模块的设计 [J], 郭娟;耿涛;刘玉珍;张晓鹏;丁鑫
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基于FPGA的自动跑8字电动小汽车设计指导老师: 王彦朱卫华黄智伟陈琼申政琴裴霄光(南华大学湖南衡阳421001)摘要:设计了一辆可以自动跑8字的电动小汽车，并基于超高速硬件描述语言VHDL在Xilinx 公司的SpartanⅡE系列的cx2s100e-6pq208芯片上编程实现.自动跑8字的电动小汽车主要由光电检测电路、FPGA控制部分和电机驱动电路构成。
光电检测器对黑白轨道进行检测，送入FPGA控制部分处理，然后通过对电机的驱动来控制小车沿着8字形轨道行驶。
FPGA控制部分是本设计的核心内容，主要根据检测信号的输入，利用状态机完成对小车方向的改变和产生PWM波进行速度的调节。
采用FPGA做系统的控制部分，缩短了小车行走一圈的总时间，降低了小车偏离轨道的次数和时间。
关键词:自动跑8字电动小汽车； FPGA； VHDL； PWM波英文题目Abstract:Keyword:目录第一章整体设计方案 (2)1.1 设计要求 (2)1.2 整体设计原理 (2)1.3 方案比较 (3)1.4 设计实现 (3)第二章单元电路设计 (5)2.1 电动机PWM驱动电路的设计 (5)2.2 光电检测电路的设计 (5)2.3 电源的设计 (6)第三章软件设计 (6)3.1 FPGA控制模块的原理 (6)3.2 FPGA中单元电路的设计 (7)第四章系统测试 (9)第五章结论 (10)参考文献 (10)附录 (10)第一章整体设计方案1.1 设计要求一．任务设计并制作一个能自动跑8字的电动小汽车，允许用玩具汽车改装，但不能用人工遥控（包括有限和无限遥控）跑道宽度0.5m，表面贴有白纸，两侧有挡板，挡板与地面垂直，其高度不低于20cm,在跑道中间有一宽度为0.1m的黑线。
二．要求1.基本要求车辆从任意一点出发,然后沿着8字形的轨道跑.力求跑完一圈的时间最少。
2.发挥部分1.2 整体设计原理方案一:采用纯硬件来实现小车跑8字。
安徽理ｊＩ＝大学硕士论文图中Ⅺ＋和Ⅺ．接收光收发模块传来高速低压差分串行数据信号，ＲＯＵＴ０到ＲＯＵＴ９为转化后的低速并行的ＬＶｌ］凡电平的数据信号，该数据信号直接和ＦＰＧＡ核心处理芯片的引脚相连。
ＦＰＧＡ再对低速的数据信号进行分接，传输到相应的模块。
３、发射端光收发部分电路设计光的收发主要有两种方式，一种是在发射端采用单独的激光器，配合控制驱动芯片（如ＡＧＣ、ＡＰＣ）来完成光的发射，在接收端采用独立的ＰＩＮ组件，再配以相应的放大电路来完成光的接收。
这种方式因为发射功率大，适合远距离传输，成本也低。
但是由于其电路结构复杂，集成度低，调试困难，可靠性差。
另一种方式是采用集成光模块。
发射模块集成了ＬＤ及控制驱动芯片，接收模块集成了ＰＩＮ和后续的放大电路，输出信号一般符合ＰＥＣＬ电平。
此种方式优点电路结构简单，集成度高，调试方便，可靠性高。
另外，随着科学技术不断提高，集成的光模块的价格也开始变的合理。
基于上述两种方案，综合考虑该数字光端机采用集成光模块。
该模块选用武汉电信器件公司的ＲＴＸＭｌ２３．３．３５．ＳＣ光收发一体模块【１６】。
其收发独立工作，３．３Ｖ供电电压，最高传输数据速率为６２２Ｍｂｐｓ；采用标准的ｌＸ９封装；单纤双向传输，由于其内部集成了波分复用器，发射端光纤波长为１３１０ｎｍ，接收端光纤波长为１５５０ｎｍ；接口形式为ＳＣ接口：信号传输的电平为ＰＥＣＬ电平。
其传输距离为２０ｋｍ。
其内部功能框图如下：ＳＤｌＲＤＵｒｎｉｔｉｎｇＡｍｐｌｉｆｉｅｒｏＤ石ｃ翻●－＿＿－＿＿＿一一）Ｓｉｇｎａｌ。
ＰｒｅａｍｐｌｉｆｉｅｒＤｅｔｅｃｔｏｒＲＤＴＤＭＱＷＬａｓｅｒＯｕｔｐｕｔＬＤＤｒｉｖｉｎｇＣｉｒｃｕｉｔ－—－－－－—啼ＴＤＴｌｌ·，、＾Ｉ。
Ｌ＿ＪＡＩｎＵｌ’１Ｉ图１４ＲＴＸＭｌ２３－３．３５．ＳＣ内部结构框图Ｆｉｇ１４ＲＴＸＭｌ２３·－３—·３５··ＳＣＩｎｔｅｒｎａｌＢｌｏｃｋＤｉａｇｒａｍ●●●●３数字光端机的硬件实现（２）、ＬＶＤＳ接口输入电路ＬＶＤＳ输入差分阻抗为１００Ｑ，为适应共模电压宽范围内的变化，输入极还包含一个自动电平调整电路，将共模电压调整为一固定值，该电路后面是一个施密特触发器，主要是为防止不稳定，设计有一定的回滞特性，后级是差分放大电路，其输入结构见下图：Ｐ，１ｒＫ件Ｄｆ狮ａＰＴ眦ＩＥⅧ．ＳＣＨＬ＾ｌｎ？ｒＳ丑卫ｒ嗽ＩＰａＱＯＥＲｈ图１８ＬＶＤＳ接口输入电路Ｆｉｇ１８ＬＶＤＳｉｎｔｅｒｆａｃｅｉｎｐｕｔｃｉｒｃｕｉｔＬＶＤＳ的接收端需要有终端匹配电阻，没有终端匹配电阻，ＬＶＤＳ无法工作。
《FPGA应用开发》课程标准课程名称：FPGA应用开发课时数：64 学分：4适用专业：智能产品开发与应用1.前言1.1课程的性质本课程是集成电路技术专业群共享课程，智能产品开发与应用专业根据培养目标，重在培养学生针对FPGA特定领域的应用设计、集成电路设计以及芯片验证能力。
掌握通用的FPGA 设计方法，能正确使用EDA工具，分析和论证确定基于FPGA的系统实现方案，编写基于FPGA的数字系统硬件描述语言Verilog程序，进一步熟悉EDA工具的编辑、编译、仿真及下载验证实现系统调试，使学生掌握FPGA系统初步设计的步骤和方法。
本课程学习以《数字电子技术》、《C语言程序设计》为基础和先导，也是进一步学习智能产品设计、集成电路设计等课程和开展毕业设计的基础。
1.2设计思路随着信息产业以及微电子技术的持续发展，FPGA的应用范围已经遍及航空航天、汽车、医疗、工业控制等领域。
当今集成电路芯片的种类繁多，而且每种芯片的功能、复杂程度都存在很大差异，技术的快速更新要求电子产品从业人员拥有更专业、更扎实的硬件语言编程知识和能力，才能够利用FPGA技术在纷繁复杂的应用场合。
Verilog语言作为一种应用广泛的硬件设计语言，掌握其编程能力是集成电路类与电子类专业学生毕业后的增值能力之一。
通过对该课程的学习，训练学生能够熟练地使用QuartusII等常用EDA软件对FPGA作一些基础电路系统的设计，同时能较好地使用Verilog语言设计简单的数字逻辑电路和逻辑系统，学会行为仿真与FPGA相关硬件测试技术。
这些都是智能产品开发、集成电路设计和测试岗位最为重要的能力，因此本课程在智能产品开发、微电子专业中处于非常重要的地位，应当作为专业核心课程和必修课程。
本课程立足于培养学生的实际能力，对课程内容的选择标准作了改革，打破以知识传授为主要特征的传统学科课程模式，转变为以工作任务为中心来组织课程内容和课程教学，让学生通过完成具体项目来构建相关理论知识，并发展职业能力。
课程设计说明书西华大学610039摘要：提出了“温室大棚监控系统”，“多功能的智能小车”，“人脸识别系统”等多个我很感兴趣的项目，并对它们进行了功能描述。
在分析这些项目的基础上，选取了“多功能的智能小车”项目。
针对该项目，提出了“基于stm32的智能小车”，“基于FPGA的智能小车”等多种方案。
基于时间和难度的考虑，选取了基于FPGA的智能小车方案。
分析了该项目的功能模块，确定了要完成该项目需要学习和掌握的测量、控制、计算机、通信等方面的知识。
在此基础上，计划了完成本项目的时间进度以及知识学习、储备安排。
关键词： FPGA智能小车测量控制计算机通信引言随着现代社会科技水平的高速发展，人们对生活的质量的要求也逐渐提高，因此对工智能领域的研究也越来越受到重视。
从古代进行交通和信息运输的战马到如今基本家家户户都拥有的汽车，交通方式在不断的进行变化，效率也在不断的进行提升。
但是如今频频发生的交通事故也让人头痛不已，造成了较多的人员伤亡和经济损失，以及比较不好的社会影响，大多是驾驶人本身操作不当所导致的。
于是现在的市场上急需一种可以实现自动循迹，避障，自动跟随功能的小车，这样可以大大减少甚至消除交通事故的发生。
而我要做的这一款小车模型的功能大致就是这样的，为以后大批量生产这种智能汽车打下研发和制造的基础。
相信在不久的将来这种智能汽车会在大众之间普及！1 选题随着社会的高速发展，人们的交通方式也在发生着显著的变化，从古时候的战马，到近代的自行车，以及到21世纪的汽车，使得交通运输和信息传递的效率显著提升。
而为了减少甚至避免交通事故的发生，一种能实现自动避障，循迹，跟随功能的智能小车想法应运而生。
主要可以分为基于stm32的智能小车和基于FPGA的智能小车。
1.1 项目描述●基于stm32的智能小车由ST（意法半导体）公司使用arm公司的cortex-M3为核心生产的32位的单片机，由于单片机的内部资源较为丰富，因此可以实现较多功能。
·53·文章编号：1006-1576（2008）04-0053-03基于FPGA 的车载光端机的设计与应用李铁，徐润华（上海电控研究所 科技部，上海 200092）摘要：一种基于FPGA 的数据光纤传输设备，先将多路的视频、音频、数据进行高分辨率数字化，形成高速数字流，然后将多路数字流进行复用，通过发射光端机进行发射，通过另一端的接收光端机进行接收，解复用，恢复成各路数字化信号，再通过数字模拟变换恢复成模拟视频、音频、数据。
关键词：FPGA ；A /D 变换；车载光端机；数据传输 中图分类号：TJ81 文献标识码：ADesign and Application of Vehicle Optical Terminal Based on FPGALI Tie, XU Run-hua(Technology Department, Shanghai Electric Control Research Institute, Shanghai 200092, China)Abstract: Optical fiber data transmission equipment based on FPGA carries out high resolving rate digital for multi video, audio and data and realizes high speed digital stream. Then, reuse of multi digital stream. Optical transmitter transmits the data to optical receiver. Resolve the reused data and resume to digital signal. Finally, use digital simulation to convert data to video, audio and data.Keywords: FPGA; A/D conversion; Vehicle optical terminal; Data transmission0 引言在军用车辆上涉及到大容量数据传输和安全保密传输的场合下，光纤传输成为必要的技术手段。
故介绍一种基于FPGA 的视频、音频、RS -485等数据的光纤传输设备的设计和实现。
1 系统构成原理与功能光端机采用数字视频编码技术，通过一根光纤实现3路正向视频＋一路反向视频、一路双向数据、一双向音频和7路正向开关量＋7路反向开关量的同步传输。
光端机先将多路的视频、音频、数据进行高分辨率数字化，形成高速数字流，然后将多路数字流进行复用，通过发射光端机进行发射，然后通过另一端的接收光端机进行接收，解复用，恢复成各路数字化信号，再通过数字模拟变换恢复成模拟视频、音频、数据。
其整体框图如图1。
图1 系统框图2 系统硬件设计与实现系统涉及到视频、音频、RS485、开关量等数据信号的传输，故就各路信号的处理分别加以说明。
(1) 视频通道图2 视频A /D视频发射模块由摄像头或者其他输出的视频信号组成，如图2。
视频放大芯片选用OPA691，是TI 公司OPA69X 系列视频放大器，提供高性能视频信号滤波整形处理，差分增益和差分相位分别可达0.07% 和0.02°。
AD 芯片选用AD9280，是高性能ADC （8bits, 32MSPS ），将视频放大器处理后的模拟信号变换成数字信号，SNR 可达到46dB ，其最大特点是内部集成了钳位功能和一个增益可调的放大器。
收稿日期：2008-01-15；修回日期：2008-02-13作者简介：李铁（1977-） 男，湖北人，2005年硕士毕业于吉林大学，从事光纤通信与信号处理研究。
，·54·视频接收模块把FPGA 解复用来的数字信号进行D /A 转换，如图3。
图3 视频D /A视频DA 芯片选用AD9708(8bits, 125MSPS)，它是针对视频应用设计的。
(2) 音频通道（如图4）图4 音频通道音频发射模块采用NE5532（音频电路专用的高性能低噪声运算放大器）和CS5430（101dB, 192kHz, 24-bit 音频A /D 转换芯片）。
音频接收模块采用CS4334（96dB, 96kHz, 24-bit, 音频D /A 转换芯片）和TDA7050（低功耗的音频功率放大芯片）。
(3) RS485通道和开关量信号通道因为RS485和开关量信号不需要A /D 转换，只需要用一定的隔离手段之后与FPGA 相连。
(4) 高速并串数据转换接口Serdes由于光纤上只能传输串行数据，经过FPGA 数据复用过的信号必须经过并串数据转换接口才可传输。
使用高速并串转换器（Serdes ）。
HDMP -1032/1034提供从260M 到1400M 的速率范围，其功耗低于660mW ，并行接口为LVTTL 电平，串行接口有CML 和VML 电平，可与大多数光/电模块直接对接。
HP 1032发射器（TX ）和HP 1034接收器（RX ）是千兆比特通用串行/解串行芯片， 用于构建点对点数据通信链路。
为用户提供传送并行数字信号的“虚扁平电缆”接口；并行信号载入TX ，通过串行通道传递到RX ，串行通道可是同轴电缆或光纤；在RX 数据恢复原始的并行格式。
对用户隐藏其编码、复用、时钟提取、解复用及译码的复杂性。
(5) 光电转换模块光电转换模块选用成都网动的NTR -2612/2613。
NTR -261x 高性能光模块采用双波长WDM 技术，使用1310/1550nm 传输波长在单根光纤中实现双向数据通讯。
多量子阱激光器符合class1国际激光安全标准及IEC -825要求。
NTR -261x 系列模块支持1.25Gbps 传输速率。
特别选择其工业级模块，满足了国军标的温度适应性。
3 系统软件设计3.1 设计思想现有系统同时传输4路视频及话音与数据信号，假若采用8位编码，一路模拟视频信号将产生8位的数字视频信号，4路编码后将产生32位的数字信号，且在系统中还可能传输话音及数据，开关量等其他信号，就HP 1032/1034芯片为例，该芯片最多可扩展17路数据复用解复用传输，在目前复/分接芯片中很少有32路I /O 口复用/解复用芯片，因而仅仅通过单片复/分接芯片将不能满足要求，必须采用多次复/分接才能完成设计。
利用FPGA 来设计系统的一次复/分接，后用HP 1032/1034串行/解串行芯片完成二次复/分接系统设计，实现多路视频、音频及数据在一根光纤上传输。
3.2 传输协议采用自定义帧格式，时分复用的方式完成FPGA 的一次复接。
光端机发送板的帧格如表1。
表1 光端机发送板的帧格8B 10B 10B 10B 10B 10B 8B 标志视频－1视频－2视频－3 音频－1、RS485开关量校验光端机接收板的帧格如表2。
表2 光端机接收板的帧格8B 10B 10B 10B 8B标志视频－4音频－2、RS485 开关量校验3.3 一次复接设计一次复接时同步时钟作为一路数据传输到接收端，所以复接过程可省略同步时钟提取及恢复功能模块的设计，主要是把并行的信号转变成串行信号，即实现并/串转化。
并串转换电路由锁存器和并入串出4位移位寄存器组成，如图5。
图5 复接框图4路信号D1(1)、D2(l)、D3(l)、D4(l)在位脉的上升沿到来时，把4路信号分别输入锁存器进行锁存，在CP 脉冲的前半周期将移位寄存器LOAD 信号置成“1”，这时移位寄存器只置位，不移位，于是就将D1(1)、D2(l)、D3(l)、D4(l)送入移位寄存器。
下一个CP 时钟到来时，LOAD 信号为“0"，移位寄存器不置位，只移位，按CP 时钟节拍一位位往外移出，直到LOAD 信号为“1"，循环移位工作就可将并行码变成串行码。
·55·3.4 一次分接设计分接就是把复接端的信号，经过一个反变换过程串/并转化，把一路串行信号经1: 4分离出4路信号，主要由一个4位的串/并移位寄存器及一个4位的锁存器组成。
原理框图如图6。
图6 分接框图时钟S D1 D2 D3 D4 复接D SYN O1 O2 O3 O4图7 全过程仿真波形接收端接收到从发送端传送的复接串行信号DOUT ，在CP 时钟的作用下按顺序一位位移入串/并转换移位寄存散由于是1: 4的分接，CP 时钟为数据的4倍。
移位寄存器在CP 时钟上升沿到来时，按照第1位、第2位、第3位、第4位的顺序向前移，每位寄存器都有一个输出信号端口输入到锁存器， 当同步信号时钟到来时，4位移位寄存器刚好移入4位数据，锁存器的时钟由同步时钟控制，打开锁存器读出4路数据01、02、03、04，循环工作下去串行信号将恢复出4路信号，仿真波形如图7。
其中位同步信号由发送数据端传输到接收端，而引入锁存器则是为了保证每路数据的时延一致，不影响D /A 转换数据的反变换的指标。
4 实验及结论系统要测试的指标参数及测试结果如表3。
表3 指标测试结果光波长1550nm/1310nm 视频信号幅度 1Vp-p出纤光功率-5dB 视频带宽 5Hz-8MHz 灵敏度 -20dB 信噪比 ≧55dB 输入输出阻抗75Ω 微分增益≦3° 微分相位 ≦3％经查阅技术资料及与实际测量性能指标比较，各项性能指标达到国外同类技术产品性能指标。
5 结论该光端机已装配在某型装甲车上，运行情况良好。
在军用车辆上大容量数据传输和安全保密传输方面具有广泛的应用前景。
参考文献：[1] 李泉, 文鹰. 利用FPGA 与串行/解串行芯片HP1032/1034设计数字视频的复/分接[J]. 电子技术, 2003, (2): 43-46.[2] 陈立, 方向忠, 余松煌. 基于专用芯片的视频A/D 变换系统设计与实现[J]. 计算机工程, 2002, (8): 48-49.**********************************************************************************************************（上接第52页） DCS系统与网络监控系统对设备监控的互补，实现了对全厂设备运行状况及机组出力情况的监控和实时信息的准确掌握，提高了电厂生产运行的可靠性、稳定性、安全性和经济性。
在老电厂中，多数DCS 系统与网络监控系统没有实现通信，有的老电厂没有采用220kV 网络监控系统对厂用公用电气设备进行监控。
因此，运行人员要对电厂电气设备运行状态和机组出力情况进行了解需要到各单元查看，或通过内部MIS 网传输的简单的非同步信息；对于大量没有纳入DCS 系统的厂用公用设备及负荷运行状态的监视，需要运行值班人员每天就地巡视或设监控室，浪费了人力物力。
