基于FPDP的高速數據傳輸系統設計

隨著電子技術的高速發展，越來越多的信號處理系統，需要高速的數據采集和大吞吐量的數據傳輸，來實現數據的高速實時處理能力。在雷達系統中，原始數據中包含豐富的信息，及時獲得原始數據并進行實時分析就顯得尤為重要，因此在雷達處理機中需要大量使用板間通信，并保證板間數據傳輸具有高速性和可靠性。單板系統已經不能滿足需求，需要多板共同實現。

　　FPDP總線可用于兩個或多個VME板之間的高速數據傳輸，其數據傳輸速率可達160 MB／s。FPDP總線位于VME板卡的前面板，完全不影響位于背板插槽的VME總線。在實際應用中，一塊VME板卡允許有多個FPDP端口。因此，在雷達系統中，可使用FPDP總線必將提高數據傳輸和處理能力。

　　1 FPDP總線概述

　　FPDP(Front Panel Data Port，前面板數據端口)總線最初是由加拿大的Interactive Circuits and Sys-tems Ltd(ICS)公司開發，后經VSO(VITA Stand-ards Organization)組織提出并形成標準協議。FPDP總線是32位的并行同步總線，通過80芯的扁平連接電纜進行板間連接。主要用于兩個或多個 VME總線板卡間進行高速數據傳輸。

　　FPDP總線上的設備可以有：

　　(1)FPDP主發送設備(FPDP／TM：FPDPTransmitter Master)，主發送設備是數據傳輸的源端，并產生所有其他板需要的時鐘及相關時序信號；

　　(2)FPDP主接收設備(FPDP/RM：FPDP Re-ceiver Master)，主接收設備是數據傳輸的末端，用于接收數據和終止控制信號；

　　(3)FPDP接收設備(FPDP／R：FPDP Receiv-er)，接收設備只是接收數據，沒有終止控制信號，允許數據傳輸繼續下去。

　　FPDP總線上必須至少有一個主發送設備和一個主接收設備。但可以有多個接收設備，從而可以實現“多點”傳送。在某一時刻，總線中只有一個主發送設備，傳輸以單方向進行，故在總線上的設備之間也就不存在總線的競爭和沖突問題。所以FPDP總線協議不包含地址和仲裁周期，從而可以實現高速數據傳輸。

　　雖然FPDP總線為單向傳輸，但可以通過硬件鏈路開關或者軟件手段對FPDP總線的發送設備與接收設備進行配置，實現分時復用的雙向數據傳輸。

　　2 設計實例

　　在雷達系統中，原始數據(有關目標的距離、方問、速度等狀態參數)的變化對于成像結果有著十分重要的影響。因此能不能夠實時傳輸采集到的原始數據并進行有效分析，將直接影響到成像質量的好壞。

　　在該設計中，FPGA的數據通道采用FPDP總線結構，分別與A／D板、DSP板相連，進行實時高速數據傳輸。A／D板負責對回波信號進行高速采集，DSP板接收FPGA發送過來的合成數據進行后期處理。FPDP接收模塊負責接收來自A／D板的原始回波數據，FPDP發送模塊負責把原始回波數據及其他飛機參數打包并以FPDP協議的形式發送給DSP板。如圖1所示。

　　A／D板與DSP板的數據接口均為FPDP總線結構，發送方式為單幀模式。對于單幀數據傳輸模式，同步信號SYNCn應該先于第一個發送的數據，此時數據有效信號(DVALIDn)仍為高，指示數據無效。在進行數據傳輸時，將DVALIDn信號有效，在時鐘STROB(或PSTROBE)上升沿的同步下將發送數據驅動到FPDP的數據總線上。在時鐘STROB(或PSTROBE)上升沿，接收設備對D[31．．0]和DVALIDn信號進行采樣。若 DVALIDn為低，則認為發送過來的數據是有效的。單幀數據傳輸波形圖，如圖2所示。

　　為了滿足信號處理機實時處理的要求，要求輸入到DSP板的原始數據符合處理的數據格式。而采集到的數據需按一定格式打包，稱為數據合成。FPGA要將來自不同設備的數據合成為所需的幀格式后轉發到DSP板。這樣，DSP板在獲得數據幀后就可以直接進行處理而不必再有格式轉換的開銷。其原理圖，如圖3所示。

　　由于FPDP總線傳輸實時性要求很強，在傳輸過程中不允許數據丟失，具有數據量大、傳輸速度高等特點。因此，FPDP接收邏輯應在接收到原始回波數據后，盡快發送給DSP板。否則，將造成數據堵塞、丟失及紊亂，嚴重影響后端的成像處理，因此在FPDP總線收發邏輯之間引入一個數據緩沖區FIFO，暫存原始回波數據。

　　FPDP接收邏輯接收來自A／D板的回波數據，主要負責對數據緩沖區FIFO的寫入操作。其工作流程如下：在FPDP總線數據有效(DVALIDn為低) 時，FIFO的寫請求Wr-req信號有效，此時數據隨著寫時鐘信號(Wr-clk即AD板發送過來的Ad-strob信號)寫入FIFO。若FPDP總線數據無效，此時FIFO的寫請求信號也無效，數據不能寫入FIFO。

?　　FPDP發送邏輯接負責將回波數據和其他飛機參數按照一定的格式打包，并經由FPDP總線發送出去。其工作流程如下：FIFO的讀請求Rd-req信號由發送時序計數器產生，當計數器的計數值為一定值(A／D采集滿一幀數據)時，Rd-req有效，隨著讀時鐘(Rd-clk即A／D板時鐘 AD_strob)信號，數據從FIFO中讀出，此時計數器清零。數據按一定格式打包后，按FPDP單幀傳輸模式將打包數據送入DSP板。

　　FPDP發送邏輯應當在FPDP同步信號SYNCn到來后立即啟動數據發送，這樣大大增強了數據傳輸的實時性和可靠性。值得注意的是，A／D板傳來的第一組回波數據來不及打包傳送給DSP板，因此要在FIFO中累積一組回波數據后再開始往DSP板發送數據，這樣每次發給DSP板的一幀數據中，回波數據應為上一次A／D板發來的數據，這樣可以保證不丟失回波數據，只是最后一組回波數據仍然會存在于時序板中，采集不到，應當丟棄。

　　特別地，由于模塊的輸入輸出功能已確定，所以作為A／D板接收端的方向信號DIRn不被使用，而作為DSP板發送端的DIRn信號則常接低。對于輸入的 SUSPENDn和NRDYn信號，A／D采集板對NRDYn信號不響應，所以FPGA對這兩個信號也不響應，避免干擾AD采集板的數據采集。

　　3 設計仿真

　　以下給出了基于Quartus 6．0的一段波形仿真圖，如圖4所示。

　　如圖4所示，為FPDP發送邏輯的仿真圖，其中FPDI_SUSPEND和FPDI_NRDY始終無效(為高)，在發送數據前FPDO_SYN先有效(為低)，此時FPDO_DVALID仍無效(為高)。在傳輸數據時，FPDO_DVALID有效(為低)，在時鐘FPDO_STROBP的上升沿將數據通過 FPDP總線送出。

　　4 結束語

　　從以上的分析得出以下結論：

????? (1)該設計中，FPDP總線以其特有的前面板方式和傳輸機制，有效地解決了多塊板卡間的高速數據傳輸問題；

????? (2)FPDP數據的高速、實時接收和發送是難點。該設計采用了一個片內FIFO緩沖區解決了此問題。片內FIFO集成度高、占用資源少，有效地解決了系統需求；

????? (3)該設計使用同步信號作為接收幀的有效標志，提高了系統的實時性和可靠性。