一种LVDS转USB3.0多通道适配器

技术领域

本发明涉及适配器技术领域，具体涉及一种LVDS转USB3.0多通道适配器。

背景技术

某星载光谱仪主要利用空气中的气体分子的窄带吸收特性来鉴别气体成分,并根据窄带吸收强度来推演出微量气体的浓度。某星载光谱仪是利用DOAS技术，通过吸收紫外波段谱线，对多种大气污染物(例如NO2、SO2、O3和CO)进行监测和分析的卫星载荷。

星载光谱仪与星载平台上采用的是标准航空接口，在研制过程中需要先在地面进行调试测试和调试。以往测试某星载光谱仪CCD成像电路LVDS和RS-422接口时常采用工控机和多种采集卡的方式，但是由于工控机体积大，不方便在不同工作环境下进行调试测试，此时这种工控机加装采集卡的方式则变得极为不便利，所以需要一款简单易连、体积小、重量轻的产品。相对于工控机，笔记本电脑则易携带，而笔记本最通用、方便的接口就是USB接口，于是产生了以USB3.0为接口的适配器的研制需求，LVDS转USB3.0适配器应运而生。由于新研的某星载光谱观测分为对地推扫与临边摆扫各两个，共计四个通道CCD成像电路，于是仅支持一通道LVDS转USB3.0适配器的方案需要四个板卡，四路USB3.0接口。因此研制了LVDS转USB3.0多通道适配器，在不增加USB接口的前提下，增加了四路RS-422数管接口和四路LVDS数传接口，进一步简化地面调试的连接，增强地面调试的灵活性。

相关术语解释：

A.USB3.0：Universal Serial Bus 3.0，是通用串行总线的简称，是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。

B.FPGA：Field Programmable Gate Array，是现场可编程门阵列的简称，是一种半导体集成电路。

C.LVDS：Low Voltage Differential Signaling，是低电压差分信号的简称，是一种采用极低的电压摆幅和差分形式高速传输数据的协议。

D.RS-422：即EIA-422，是一系列的规定采用4线，全双工，差分传输，多点通信的数据传输协议。

E.UART：一种通用串行数据总线，用于异步通信。

发明内容

本发明提出的一种LVDS转USB3.0多通道适配器，可解决上述技术问题。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种LVDS转USB3.0多通道适配器，包括1路USB3.0接口、1个FPGA、1个USB3.0主控芯片、4路RS-422接口芯片和4路LVDS接口芯片；RS-422接口芯片连接数管接口，实现输入输出的RS-422电平和TTL电平的相互转换，当上位机发送数管指令时，数管接口由USB3.0主控芯片实现，FPGA收到后进行缓存，然后对各通道RS-422接口进行广播；

各通道发送RS-422数管指令时，经由FPGA进行判断并标记通道号后，经由USB3.0主控芯片和USB3.0接口发送至上位机；

各数传接口将输入的LVDS信号转化为TTL信号发送给FPGA，在FPGA内部进行判断LVDS信号来源于何通道，并给该通道LVDS信号进行通道号标记后，转化为符合USB接口芯片协议的16位并行信号，发送到USB3.0主控芯片，再通过USB3.0接口将数据发送到上位机。

进一步的，所述USB3.0主控芯片配置结构为：

1)第一个接口为UART接口，UART接口包含三个端点，分别为发送、接收和中断端点，以实现串口功能；

2)第二个接口为同步从设备队列接口此接口包含一个接收FPGA传输数据的同步从设备队列端点；同步从设备队列接口用于外部处理器需要对CYUSB3014的内部缓冲区进行数据读/写访问的应用。

进一步的，所述FPGA同时接收各通道LVDS串行图像数据，将实现串行到并行数据的跨时钟域转换功能，转换完成后写入对应通道的乒乓缓存，然后查询各乒乓缓存满空状态，并在读出过程中打包并添加帧头和通道号，并按照通道号进行标记，最后按照USB3.0接口协议依次发送到USB3.0主控芯片进行传输。

进一步的，所述FPGA中当四通道LVDS接口接收LVDS串行图像数据后，跨时钟域串并转换模块将串行图像数据转换为16bit并行图像数据存入对应通道乒乓缓存中，乒乓缓存中的一个RAM写满后，乒乓缓存状态位取反，乒乓缓存中的两片RAM读写状态则由乒乓缓存状态位决定；

乒乓缓存输出数据由读状态RAM输出，并输出读计数器、乒乓缓存状态位和读出数据。

进一步的，所述FPGA还包括四通道数据处理模块，四通道数据处理模块通过查询各个通道乒乓缓存状态位和通道读状态标志位，当一个通道乒乓缓存处于读状态位，且通道读状态标志一致时，将该通道数据DMA通道控制单元，发送至USB3.0主控芯片，由USB3.0接口发送至上位机；

在发送该通道数据前，会将先该通道包头先行发送，各通道乒乓缓存标志位由乒乓缓存读写状态决定，通道读状态标志位由该通道RAM是否读出完成决定；

当这两个状态标志不一致时或该通道RAM数据已经发送完成，将继续查询下一个通道状态，如此循环往复依次发送各个通道LVDS图像数据。

进一步的，RS-422数管接口分为发送模块和接收模块；

RS-422数管接收模块，是将各通道光谱仪发送的各通道光谱仪状态信息按照通讯协议提取数据并进行缓存，当缓存全部指令后，通过USB3.0主控芯片，经USB3.0发送至上位机，上位机根据各通道数据包头，判断通道号，将状态信息提取并显示当前各关键指标状态；

RS-422数管发送模块，是由上位机发送控制指令，由FPGA四路RS-422指令串并转换模块按照通讯协议提取指令，并经过四路RS-422指令缓存模块进行缓存，当收满一组控制指令后，发送至四路RS-422指令处理模块提取有效信息，该模块通过判断指令链包头，决定向何通道CCD成像电路发送曝光时间、增益、拍照张数、时间码这些指令进行工作模式控制。

进一步的，USB3.0主控芯片按照UART协议发送和接收数管控制指令。

由上述技术方案可知，本发明的LVDS转USB3.0多通道适配器(以下简称适配器)由1路USB3.0接口、1个FPGA、1个CYUSB3014(USB3.0主控芯片)、4路RS-422数管接口、4路LVDS接口组成。该适配器通过增加了多种接口芯片，并且FPGA通过乒乓缓存和状态查询等方式，可以独立处理各通道数据。LVDS转USB3.0多通道适配器的USB3.0主控芯片可按照UART协议发送和接收数管控制指令，于是在适配器电路上增加了多种接口芯片。

本发明可以实现以下功能：

1、上位机连接USB3.0接口经由USB3.0主控芯片和FPGA向连接到适配器的4路RS-422接口的某星载光谱仪4通道CCD成像电路分别发送数管控制命令如：曝光时间、增益调整、拍照次数等控制参数。4路RS-422接口同时可以接收某星载光谱仪各通道CCD成像电路回传的光谱仪状态信息，经1路USB3.0接口回传到上位机。

2、某星载光谱仪4通道CCD成像电路连接适配器的4路LVDS接口发送LVDS串行图像信息，经由FPGA和USB3.0主控芯片通过同一路USB3.0接口发送至上位机。这种LVDS转USB3.0多通道适配器的方案将解决某星载光谱仪拥有多通道CCD成像电路需要采用多块LVDS转USB3.0适配器，或采用多台以往加装多种采集卡或板卡的工控机的方案。而这种LVDS转USB3.0多通道适配器的方案一块板卡就可以同时连接4通道CCD成像电路，从而提供一种轻便、易携带、低成本、连接简单的地检平台搭建方式。

总来的来说，本发明具备以下优点：

1.此方案成本低廉，体积小重量轻，连接和操作简单，适用于进行一些需要频繁移动位置的测试。

2.一个USB接口以及一个USB设备就可完成四通道数管控制和数传接收功能，减小了上位机软件设计的复杂性。

3.各通道数据相互独立、互不干扰，可以作为单通道或多通道适配器使用，提高了设计的通用性。

4.该适配器可适用于RS-232、RS-485以及RS-422多种数管接口，进一步提高了适配器的通用性。

附图说明

图1是现有的适配器电路在某星载平台的接口框图；

图2是现有的地检平台的设计使用“工控机+采集卡”的形式；

图3是现有光谱仪与地面检测台连接图；

图4是现有LVDS转USB3.0通讯适配器的系统简图；

图5是现有LVDS转USB3.0通讯适配器的结构图；

图6是CCD成像电路利用本发明与地检平台的连接示意图；

图7是本发明整体电路结构图；

图8是本发明对CYUSB3014的内部缓冲区进行数据读/写访问的应用图；

图9是本发明FPGA模块结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

CCD成像电路是某星载光谱仪最重要的组成部分，而LVDS转USB3.0多通道适配器主要用于测试光谱仪CCD成像电路，该适配器电路在某星载平台的接口如图1所示；其中，RS-422数管接口主要功能为发送成像电路的控制指令并接收光谱仪回传的状态信息，LVDS数传接口的主要功能为接收CCD成像电路发送的串行图像数据。

现有的存在以下方式：

一、工控机加装采集卡的方式

在CCD成像电路研制过程中，地面检测设备需要先于成像电路完成，为其模拟卫星平台提供调试、测试的平台。通常，地检平台的设计使用“工控机+采集卡”的形式完成，如图2所示：

其中：

1)RS-422串口卡负责数管控制，之前的设计选用NI公司生产的PCI-8431。

2)LVDS板卡负责接收数传数据，之前的设计选用NI公司生产的PCI-6561。

二、使用LVDS转USB3.0通讯适配器的方式

DOAS成像光谱仪系统与地面检测台的连接如图3所示，其主要完成两方面功能：

(1)DOAS成像光谱仪系统输出的串行LVDS接口格式图像信号转换为USB接口格式图像信号发送给上位机进行实时成像并储存，以方便实时调试测试并用于后续数据处理。

(2)将上位机通过USB接口发送的指令数据，如：图像启停、曝光时间、增益等控制命令，以及时间码信息等，通过USB3.0适配器转换为RS-422同步串行通讯格式发送给光谱仪系统，对光谱仪的工作模式进行控制和查询。

其中，光谱仪的LVDS接口码速率为43Mbps的高速数传通讯接口，该接口作为数传通讯接口；光谱仪的RS-422接口为低速接口，码速率为100Kbps，该接口作为数管通讯接口。

根据以上需求LVDS转USB3.0适配器的系统简图如图4所示。从图4中可以看出，首先DOAS成像光谱仪系统将LVDS图像数据发送给USB3.0通讯适配器的LVDS接收芯片，再发送给FPGA进行串并转换，通过FPGA发送给USB芯片，最后通过USB接口发送给上位机。指令数据则直接通过RS-422芯片和USB芯片与上位机直接进行通讯。由此可知，LVDS转USB3.0通讯适配器主要完成USB3.0通讯适配器的接口设计和USB3.0适配器的固件设计，包括FPGA芯片固件和USB芯片的固件。

该设计中，光谱仪系统通过LVDS接口发送给FPGA完成串并转换，转换后的16位并行数据通过数据兵乓缓存单元后，向USB发送高速图像数据，此时CYUSB3014作为从设备，通过其内部DMA通道将数据传输到USB端点。PC通过USB向光谱仪系统的RS-422接口发送的指令数据属于低速数据，此时属于主设备模式，利用USB接口支持UART模式，实现非USB串行数据传输，在该模式下，UART的TXD(输出)将映射到D-行，UART的RXD(输入)将映射到D+行。

如上图2中所示，利用工控机和采集卡设计地检的主要缺点在于，此方案成本过高，且体积重量大，移动不便，连接复杂，在进行一些需要频繁移动位置的测试(如外场实验)时移动不便。除此之外，该设计的问题还包括之前使用LVDS采集卡PCI-6561对输入LVDS时钟频率有上限50M，无法完全满足后续产品的要求，且已停产。

如上图3中所示，其LVDS转USB3.0适配器的方案移动便捷，但是连接四通道某星载光谱仪CCD成像电路时需要四块适配器板卡。此时连接笔记本电脑需要四个USB接口，此外该四块适配器将在系统中将映射为四个设备，将增加上位机软件设计的复杂性，在光谱仪四通道CCD成像电路调试、测试的过程中增加了操作的不便性。

为此，本发明实施例设计了LVDS转USB3.0多通道适配器，该适配器在LVDS转USB3.0适配器相对工控机成本高、移动不便、成本低等优势的基础上，不增加USB接口、FPGA和CYUSB3014(USB3.0主控芯片)，仅在板卡上增加了RS-422和LVDS接口，即可完成光谱仪四通道CCD成像电路同时进行调试和测试，进一步解决了在光谱仪存在多通道CCD成像电路时，多通道同时调试、测试操作的便利性；进一步降低了地检平台的研发成本；进一步降低了上位机测试软件设计的复杂性。

以下具体说明：

整体设计

CCD成像电路与地检平台的连接如图6所示，可以看到，LVDS转USB3.0多通道适配器共完成了三点功能：

1.某星载光谱仪分为对地推扫、临边扫描共计四个通道，每个通道都包含一组RS-422数管接口和LVDS数传接口。每组RS-422数管接口都可以同时或分时发送或接收数管信号，各组信号之间互不干扰。每组LVDS数传接口都可以同时接受LVDS串行图像数据。该适配器可以同时使用四个通道，也可以单独作为单通道、双通道或三通道LVDS转USB3.0适配器。

2.其中数管接口有2组反向的信号TX和RX，使用满足RS-422电平规范的串口协议。其发送的内容包括时间码、图像启停、曝光时间、图像增益等，并能够回传某光谱仪CCD成像电路回复的状态信息。

3.其中数传接口由3组信号组成，方向由CCD成像电路发送给适配器，3组信号满足LVDS电平规范。其中，三组信号分别为使能(Enable)、时钟(Clock)和数据(Data)，数传接口主要用于将CCD成像电路输出的图像信号转换为USB接口格式的图像信号发送给上位机进行实时成像并储存，以方便实时调试并用于后续数据处理。

电路结构

LVDS转USB3.0多通道适配器的整体电路结构图如图7所示。RS-422接口芯片连接数管接口，实现输入输出的RS-422电平和TTL电平的相互转换，当上位机发送数管指令时，数管接口由USB3.0主控芯片实现，FPGA收到后进行缓存，然后对各通道RS-422接口进行广播。相应的，各通道发送RS-422数管指令时，经由FPGA进行判断并标记通道号后，经由USB3.0主控芯片和USB3.0接口发送至上位机。各数传接口将输入的LVDS信号转化为TTL信号发送给FPGA，在FPGA内部进行判断LVDS信号来源于何通道，并给该通道LVDS信号进行通道号标记后，转化为符合USB接口芯片协议的16位并行信号，发送到USB3.0主控芯片，再通过USB3.0接口将数据发送到上位机。

USB3.0固件设计

本次设计的USB3.0接口芯片选择了由Cypress公司生产的CYUSB3014芯片。CYUSB3014芯片集成了USB3.0、USB2.0物理层以及32位的ARM926EJ-S微处理器，具有强大的数据处理能力，支持最多16个输出接口和16个输入接口，片上具有512KB的RAM用于储存固件和数据。数传接口和数管接口均通过USB3.0设备中的端点(Endpoint)技术实现。

本次设计的USB3.0配置结构为：

1)第一个接口为UART接口，UART接口包含三个端点，分别为发送(TX)、接收(RX)和中断(INTERRUPT)端点，以实现串口功能。

2)第二个接口为同步从设备队列接口(Synchronous Slave FIFO Interface)，此接口包含一个接收FPGA传输数据的同步从设备队列(Slave FIFO)端点。同步从设备队列接口通常用于外部处理器需要对CYUSB3014的内部缓冲区进行数据读/写访问的应用，其结构如图8所示：

FPGA设计

LVDS数传功能

LVDS数传功能主要由FPGA实现，主要完成：同时接收各通道LVDS串行图像数据，将实现串行到并行数据的跨时钟域转换功能，转换完成后写入对应通道的乒乓缓存，然后查询各乒乓缓存满空状态，并在读出过程中打包并添加帧头和通道号，例如读出通道1时添加0x12340001的帧头，其中0x1234为帧头，用于找到每通道消息的起始位置，0001表示通道号，用于相同通道的数据拼接。并按照通道号进行标记，最后按照USB3.0接口协议依次发送到USB3.0主控芯片进行传输。具体如图9所示。

当四通道LVDS接口接收LVDS串行图像数据后，跨时钟域串并转换模块将串行图像数据转换为16bit并行图像数据存入对应通道乒乓缓存中，乒乓缓存中的一个RAM写满后，乒乓缓存状态位(State)取反，乒乓缓存中的两片RAM读写状态则由乒乓缓存状态位决定。乒乓缓存输出数据由读状态RAM输出，并输出读计数器(ReadCnt)、乒乓缓存状态位(State)和读出数据(Date)。四通道数据处理模块主要通过查询各个通道乒乓缓存状态位(State)和通道读状态标志位(ReadState)，当一个通道乒乓缓存处于读状态位，且通道读状态标志一致时，将该通道数据经图7所示的DMA通道控制单元，发送至USB3.0主控芯片(OutDate＝Date)，由USB3.0接口发送至上位机。在发送该通道数据前，会将先该通道包头先行发送(OutDate＝Mark)。各通道乒乓缓存标志位(State)由乒乓缓存读写状态决定，通道读状态标志位(ReadState)由，该通道RAM是否读出完成决定。当这两个状态标志不一致时或该通道RAM数据已经发送完成，将继续查询下一个通道状态，如此循环往复依次发送各个通道LVDS图像数据。

RS-422数管接口

RS-422数管接口分为发送模块和接收模块。

RS-422数管接收模块，是将各通道光谱仪发送的各通道光谱仪状态信息按照通讯协议提取数据并进行缓存，当缓存全部指令后，通过USB3.0主控芯片，经USB3.0发送至上位机，上位机根据各通道数据包头，判断通道号，将状态信息提取并显示当前各关键指标状态。

RS-422数管发送模块，是由上位机发送控制指令，由图7中FPGA四路RS-422指令串并转换模块按照通讯协议提取指令，并经过四路RS-422指令缓存模块进行缓存，当收满一组控制指令后，发送至四路RS-422指令处理模块提取有效信息，该模块通过判断指令链包头，决定向何通道CCD成像电路发送曝光时间、增益、拍照张数、时间码等指令进行工作模式控制。

USB3.0主控芯片可按照UART协议发送和接收数管控制指令，所以LVDS转USB3.0多通道适配器集成了多种接口芯片如RS-232、RS-485和RS-422，可以适用于不同接口的光谱仪系统，提高了该适配器的兼容性。

由上可知，本发明具备以下特点：

1、该适配器仅适用一个USB3.0接口连接笔记本电脑，即可实现4路LVDS数传接口接收LVDS串行图像数据以及4路RS-422数管接口接收和发送数管控制指令。

2、该适配器可以作为单通道、双通道、三通道或四通道LVDS转USB3.0适配器使用。各通道之间互相独立、互不干扰。

总的来说，由于以往采集卡加工控机方案的地检体积大、不方便移动，使得在不同环境调试测试时不便利，由于采用笔记本的方案最为方便，而USB接口又是笔记本电脑最常用的接口，为此研制了LVDS转USB3.0适配器。由于现有项目采用四个通道光谱仪，导致需要四块LVDS转USB3.0适配器，因此连接笔记本时需要采用4个USB接口，并在上位机映射为4个设备，增加了软件设计和软件操作的复杂性。为此在LVDS转USB3.0适配器的基础上，且在不增加适配器体积的基础上研发了LVDS转USB3.0多通道适配器，该适配器通过增加了多种接口芯片，并且FPGA通过乒乓缓存和状态查询等方式，可以独立处理各通道数据。LVDS转USB3.0多通道适配器的USB3.0主控芯片可按照UART协议发送和接收数管控制指令，于是在适配器电路上增加了多种接口芯片。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。