基于FPDP的高速数据传输系统设计

随着电子技术的高速发展，越来越多的信号处理系统，需要高速的数据采集和大吞吐量的数据传输，来实现数据的高速实时处理能力。在雷达系统中，原始数据中包含丰富的信息，及时获得原始数据并进行实时分析就显得尤为重要，因此在雷达处理机中需要大量使用板间通信，并保证板间数据传输具有高速性和可靠性。单板系统已经不能满足需求，需要多板共同实现。

　　FPDP总线可用于两个或多个VME板之间的高速数据传输，其数据传输速率可达160 MB／s。FPDP总线位于VME板卡的前面板，完全不影响位于背板插槽的VME总线。在实际应用中，一块VME板卡允许有多个FPDP端口。因此，在雷达系统中，可使用FPDP总线必将提高数据传输和处理能力。

　　1 FPDP总线概述

　　FPDP(Front Panel Data Port，前面板数据端口)总线最初是由加拿大的InteracTIve Circuits and Sys-tems Ltd(ICS)公司开发，后经VSO(VITA Stand-ards OrganizaTIon)组织提出并形成标准协议。FPDP总线是32位的并行同步总线，通过80芯的扁平连接电缆进行板间连接。主要用于两个或多个 VME总线板卡间进行高速数据传输。

　　FPDP总线上的设备可以有：

　　(1)FPDP主发送设备(FPDP／TM：FPDPTransmitter Master)，主发送设备是数据传输的源端，并产生所有其他板需要的时钟及相关时序信号；

　　(2)FPDP主接收设备(FPDP/RM：FPDP Re-ceiver Master)，主接收设备是数据传输的末端，用于接收数据和终止控制信号；

　　(3)FPDP接收设备(FPDP／R：FPDP Receiv-er)，接收设备只是接收数据，没有终止控制信号，允许数据传输继续下去。

　　FPDP总线上必须至少有一个主发送设备和一个主接收设备。但可以有多个接收设备，从而可以实现“多点”传送。在某一时刻，总线中只有一个主发送设备，传输以单方向进行，故在总线上的设备之间也就不存在总线的竞争和冲突问题。所以FPDP总线协议不包含地址和仲裁周期，从而可以实现高速数据传输。

　　虽然FPDP总线为单向传输，但可以通过硬件链路开关或者软件手段对FPDP总线的发送设备与接收设备进行配置，实现分时复用的双向数据传输。

　　2 设计实例

　　在雷达系统中，原始数据(有关目标的距离、方问、速度等状态参数)的变化对于成像结果有着十分重要的影响。因此能不能够实时传输采集到的原始数据并进行有效分析，将直接影响到成像质量的好坏。

　　在该设计中，FPGA的数据通道采用FPDP总线结构，分别与A／D板、DSP板相连，进行实时高速数据传输。A／D板负责对回波信号进行高速采集，DSP板接收FPGA发送过来的合成数据进行后期处理。FPDP接收模块负责接收来自A／D板的原始回波数据，FPDP发送模块负责把原始回波数据及其他飞机参数打包并以FPDP协议的形式发送给DSP板。如图1所示。

　　A／D板与DSP板的数据接口均为FPDP总线结构，发送方式为单帧模式。对于单帧数据传输模式，同步信号SYNCn应该先于第一个发送的数据，此时数据有效信号(DVALIDn)仍为高，指示数据无效。在进行数据传输时，将DVALIDn信号有效，在时钟STROB(或PSTROBE)上升沿的同步下将发送数据驱动到FPDP的数据总线上。在时钟STROB(或PSTROBE)上升沿，接收设备对D[31．．0]和DVALIDn信号进行采样。若 DVALIDn为低，则认为发送过来的数据是有效的。单帧数据传输波形图，如图2所示。

　　为了满足信号处理机实时处理的要求，要求输入到DSP板的原始数据符合处理的数据格式。而采集到的数据需按一定格式打包，称为数据合成。FPGA要将来自不同设备的数据合成为所需的帧格式后转发到DSP板。这样，DSP板在获得数据帧后就可以直接进行处理而不必再有格式转换的开销。其原理图，如图3所示。

　　由于FPDP总线传输实时性要求很强，在传输过程中不允许数据丢失，具有数据量大、传输速度高等特点。因此，FPDP接收逻辑应在接收到原始回波数据后，尽快发送给DSP板。否则，将造成数据堵塞、丢失及紊乱，严重影响后端的成像处理，因此在FPDP总线收发逻辑之间引入一个数据缓冲区FIFO，暂存原始回波数据。

　　FPDP接收逻辑接收来自A／D板的回波数据，主要负责对数据缓冲区FIFO的写入操作。其工作流程如下：在FPDP总线数据有效(DVALIDn为低) 时，FIFO的写请求Wr-req信号有效，此时数据随着写时钟信号(Wr-clk即AD板发送过来的Ad-strob信号)写入FIFO。若FPDP总线数据无效，此时FIFO的写请求信号也无效，数据不能写入FIFO。

 　　FPDP发送逻辑接负责将回波数据和其他飞机参数按照一定的格式打包，并经由FPDP总线发送出去。其工作流程如下：FIFO的读请求Rd-req信号由发送时序计数器产生，当计数器的计数值为一定值(A／D采集满一帧数据)时，Rd-req有效，随着读时钟(Rd-clk即A／D板时钟 AD_strob)信号，数据从FIFO中读出，此时计数器清零。数据按一定格式打包后，按FPDP单帧传输模式将打包数据送入DSP板。

　　FPDP发送逻辑应当在FPDP同步信号SYNCn到来后立即启动数据发送，这样大大增强了数据传输的实时性和可靠性。值得注意的是，A／D板传来的第一组回波数据来不及打包传送给DSP板，因此要在FIFO中累积一组回波数据后再开始往DSP板发送数据，这样每次发给DSP板的一帧数据中，回波数据应为上一次A／D板发来的数据，这样可以保证不丢失回波数据，只是最后一组回波数据仍然会存在于时序板中，采集不到，应当丢弃。

　　特别地，由于模块的输入输出功能已确定，所以作为A／D板接收端的方向信号DIRn不被使用，而作为DSP板发送端的DIRn信号则常接低。对于输入的 SUSPENDn和NRDYn信号，A／D采集板对NRDYn信号不响应，所以FPGA对这两个信号也不响应，避免干扰AD采集板的数据采集。

　　3 设计仿真

　　以下给出了基于Quartus 6．0的一段波形仿真图，如图4所示。

　　如图4所示，为FPDP发送逻辑的仿真图，其中FPDI_SUSPEND和FPDI_NRDY始终无效(为高)，在发送数据前FPDO_SYN先有效(为低)，此时FPDO_DVALID仍无效(为高)。在传输数据时，FPDO_DVALID有效(为低)，在时钟FPDO_STROBP的上升沿将数据通过 FPDP总线送出。

　　4 结束语

　　从以上的分析得出以下结论：

      (1)该设计中，FPDP总线以其特有的前面板方式和传输机制，有效地解决了多块板卡间的高速数据传输问题；

      (2)FPDP数据的高速、实时接收和发送是难点。该设计采用了一个片内FIFO缓冲区解决了此问题。片内FIFO集成度高、占用资源少，有效地解决了系统需求；

      (3)该设计使用同步信号作为接收帧的有效标志，提高了系统的实时性和可靠性。