基于CPCI总线的光纤通信系统设计

摘要

随着生产过程监测系统中，大数据量、高速采集、远距离传输数据实时性要求的提高，给现代通信事业带来了极大的挑战。在远距离通信中，光纤通信技术的发展越来越得到广泛的应用。传统的单端互联方式以及外设互联总线，由于受噪声干扰的影响和接口方式的兼容性、扩展性、以及可靠性等方面的不足，不能满足高速通信和大数据量的传输需求。一种具有可热插拔、强通风性、高可靠性和抗震性等优势的CPCI工业总线协议的出现，解决了工业上总线接口的问题，能在条件更加恶劣的环境中进行可靠、稳定的运行。
　　课题针对传统的数据通信方式以及总线接口的不足，以实现过程监测工业要求的传输速率和应用于现场实时性调试工作为目的，采用了光纤通信技术与工业标准的CPCI总线接口方式，设计了一种光纤通信数据传输方法以及基于CPCI总线的光纤通信板卡。主要研究工作如下：
　　（1）系统采用小型可插拔SFP的光纤模块实现光电信号的转换，完成光纤数据的传输，针对电路板中高速串行差分信号的布线要求，进行了合理布局布线，降低数据传输中由板内产生误码造成的影响，提高系统的可靠性与稳定性。
　　（2）针对实验室以及工业现场实际应用要求，设计并搭建了光纤通信系统硬件测试平台，设计了基于PCI9054的CPCI总线与工控机通信，利用工控机应用程序捕捉采集到的数据信号，满足过程监测的实时性要求。
　　（3）利用内嵌高速串行收发模块的FPGA进行硬件逻辑功能实现，设计了基于格雷码计数的异步FIFO和Aurora协议的光纤通信系统，通过定制协议IP核，实现了高速数据的全双工通信方式，基于模块化思想，能够应用于不同数据产生速率下的光纤通信，具有很强的可移植性。
　　（4）基于完成的光纤通信方案与板级系统，针对CPCI总线接口功能，设计了DMA数据读写功能的测试验证，对内嵌的高速收发模块以及光纤通信逻辑功能进行仿真，并对系统设计了自收发与互收发的板级验证，测试光纤通道的稳定性与误码率信息，为工业现场实际应用奠定基础。

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第一章 绪论

1.1 国内外研究现状与发展趋势

1.2 课题的主要研究内容

1.3 文章的组织结构

第二章 光纤通信技术实现基础

2.1 基于Aurora协议的光纤通信方法的分析

2.2 GTP串行收发器

2.3 SFP光纤收发模块

第三章 光纤通信系统与CPCI总线测试电路的设计

3.1 光纤通信系统总体架构和设计方案

3.2 光纤传输电路设计

3.3 FPGA电路设计

3.4 高速串行差分时钟电路设计

3.5 电源电路设计

3.6 基于PCI9054的CPCI总线的电路设计

第四章 光纤通信系统逻辑设计

4.1 FPGA开发流程与系统开发环境

4.2 光纤通信系统总体逻辑功能设计

4.3 顶层模块设计

4.4 数据产生与检测模块设计

4.5 时钟模块设计

4.6 时钟补偿模块设计

4.7 基于格雷码计数的异步FIFO设计

4.8 定制Aurora协议IP核设计

4.9 CPCI总线逻辑功能设计

第五章 通信系统测试与实验结果分析

5.1 系统基本功能仿真与测试

5.2 系统整体功能性测试

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

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