一种基于MLVDS的多节点数据传输系统的制作方法

本实用新型属于数据传输技术领域，尤其涉及一种基于mlvds的多节点数据传输系统。

背景技术：

在各种测试现场中，数据采集单元往往分布在不同的地方，数据采集具有速度快、数据量大的特点，且对采集系统的实时性要求越来越高。为了将分布在多处的传感器采集的大量数据进行统一的分析和管理，需要实现多节点的高速互连通信。mlvds支持多节点互连的拓扑结构，可提供较高的数据传输速率(理论上高达500mb/s)和更低的功耗，实现多节点采集数据的可靠传输；usb3.0接口作为计算机的通用接口，其理论传输速率（5gb/s）是usb2.0接口的10倍。设计中采用赛普拉斯usb3.0接口芯片cyusb3014作为fpga同计算机通信的桥梁，采用sn65mlvd203接口芯片完成多节点数据传输，在此基础上实现了多节点数据采集系统与计算机之间高速传输。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是针对传统数据采集处理系统不能有效地实现数据在传输和存储过程中的同步性、实时性问题，本实用新型公开一种基于mlvds的多节点数据传输系统，通过mlvds—usb3.0转换器转换功能，实现控制多节点采集设备与上位机间的采集数据的高速上传和指令的下发，该转换器可在不改变硬件系统构架的前提下灵活实现多种传输协议，具有硬件电路简单、通用性强、传输稳定。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案

一种基于mlvds的多节点数据传输系统，包含fpga主控模块以及与其连接的mlvds通信模块；所述mlvds通信模块包含mlvds数据通信总线以及与其连接的八个传输节点，所述每个传输节点包含依次连接的传感器、放大电路、滤波电路、adc模块、控制器模块、第一mlvds通信单元、第一mlvds接口芯片；所述fpga主控模块包含usb接口电路、usb通信管理模块、ddr3sdram、ddr3控制器、flash控制器、flash存储器、数据管理模块、第二mlvds通信单元、第二mlvds接口芯片；所述usb接口电路通过usb通信管理模块连接数据管理模块，所述ddr3sdram通过ddr3控制器连接数据管理模块，flash存储器通过flash控制器连接数据管理模块，所述数据管理模块经过第二mlvds通信单元连接第二mlvds接口芯片，所述第二mlvds接口芯片连接mlvds数据通信总线。

作为本实用新型一种基于mlvds的多节点数据传输系统的进一步优选方案，所述传输节点还包含供电模块，所述供电模块包含pv光伏组件和供电转换电路，所述pv光伏组件通过供电转换电路连接控制器模块。

作为本实用新型一种基于mlvds的多节点数据传输系统的进一步优选方案，

所述供电转换电路包含dc12v电压输入端、第一二极管、第一电容、第二电容、lm2576s-5.0电源芯片、第二二极管、第一电感、第三电容、5v电压输出端、5v电压输入端、第四电容、tps7a7001电源芯片、第一电阻、第二电阻、、第五电容和3.3v电压输出端；

所述dc12v电压输入端分别连接第一二极管的负极、第一电容的一端、第二电容的一端和lm2576s-5.0电源芯片的vin端，第一二极管的另一端分别与第一电容的另一端、第二电容的另一端、lm2576s-5.0电源芯片的en#端、lm2576s-5.0电源芯片的gnd端、第二二极管的正极、第三电容的一端连接并接地；所述第二二极管的负极分别连接lm2576s-5.0电源芯片的vout端和第一电感的一端，第一电感的另一端分别与第三电容的另一端、lm2576s-5.0电源芯片的fb端、5v输出端连接；

所述5v输入端分别与第四电容的一端、tps7a7001电源芯片的en端和tps7a7001电源芯片的in端，第四电容的另一端接地，tps7a7001电源芯片的gnd端与第一电阻的一端连接，第一电阻的另一端分别与第二电阻的一端和tps7a7001电源芯片的fb端，第二电阻的另一端分别与第五电容的一端、tps7a7001电源芯片的out端、3.3v输出端，所述第五电容的另一端接地。

作为本实用新型一种基于mlvds的多节点数据传输系统的进一步优选方案，所述mlvds数据通信总线包含mlvds驱动接收器、数字隔离器、信号连接器件；mlvds驱动接收器选用adi公司推出的adn4693e全双工通信芯片作为mlvds驱动接收器，数字隔离芯片采用adum3442，采用adum3442芯片实现对各个节点上mlvds芯片驱动器和接收器的单端与控制器引脚之间的数字隔离，防止电路文波对接口电路造成的电平漂移。

作为本实用新型一种基于mlvds的多节点数据传输系统的进一步优选方案，所述mlvds数据通信总线采用adum5000对mlvds总线通路提供电源隔离电路。

作为本实用新型一种基于mlvds的多节点数据传输系统的进一步优选方案，所述usb接口电路采用赛普拉斯公司推出的fx3系列cyusb3014芯片。

作为本实用新型一种基于mlvds的多节点数据传输系统的进一步优选方案，所述数据管理模块选用xilinx公司的spartan-6系列可编程逻辑器件6slx16csg324芯片为核心控制器。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本实用新型基于mlvds接口和usb3.0接口的数据传输系统，该传输系统采用cyusb3014接口芯片实现计算机与fpga的高速数据传输，采用adn4693e接口芯片完成多节点数据传输，以fpga作为核心控制器，并基于mlvds自定义协议解析多节点通信逻辑，实现mlvds接口与usb3.0接口之间的数据交互；该系统数据转换结果准确、可靠，实现了上位机与多节点数据采集设备间的高速通信。

2、通过mlvds—usb3.0转换器转换功能，实现控制多节点采集设备与上位机间的采集数据的高速上传和指令的下发，该转换器可在不改变硬件系统构架的前提下灵活实现多种传输协议，具有硬件电路简单、通用性强、传输稳定。

附图说明

图1是本实用新型的整体系统结构示意图；

图2是本实用新型传输节点的结构原理图；

图3是本实用新型fpga主控模块的结构原理图；

图4是本实用新型供电转换电路的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

一种基于mlvds的多节点数据传输系统，如图1所示，包含fpga主控模块以及与其连接的mlvds通信模块；所述mlvds通信模块包含mlvds数据通信总线以及与其连接的八个传输节点，如图2所示，所述每个传输节点包含依次连接的传感器、放大电路、滤波电路、adc模块、控制器模块、第一mlvds通信单元、第一mlvds接口芯片；如图3所示，所述fpga主控模块包含usb接口电路、usb通信管理模块、ddr3sdram、ddr3控制器、flash控制器、flash存储器、数据管理模块、第二mlvds通信单元、第二mlvds接口芯片；所述usb接口电路通过usb通信管理模块连接数据管理模块，所述ddr3sdram通过ddr3控制器连接数据管理模块，flash存储器通过flash控制器连接数据管理模块，所述数据管理模块经过第二mlvds通信单元连接第二mlvds接口芯片，所述第二mlvds接口芯片连接mlvds数据通信总线。

原理如下：fpga主控模块对mlvds总线线上各节点的采集模块进行初始化配置，并启动发送数据包进程与接收数据包进程来监测多个节点的运行状态。各节点采集的数据经过编帧之后将数据缓存到采集模块的ddr3中，当主节点需要读取某个节点的数据时，从节点通过mlvds通信模块将数据传输到mlvds接口芯片，再通过总线将数据发送至主节点，主节点完成数据解析后将有效数据存入ddr3中。同时，usb3.0通信模块读取ddr3中的缓存数据后，通过usb3.0接口上传到上位机。在此过程中，上位机负责指令的下发和采集数据的分析与处理以及各节点上传的状态字的分析，指令下发过程与数据上传过程类似，数据通过usb3.0接口下发至usb3.0接口芯片，然后经fpga接收数据，发送至mlvds通信模块，最后再将数据发送至各个节点，各个节点会同时接收到数据，各节点接收到数据后只响应属于自己的指令。

所述传输节点还包含供电模块，所述供电模块包含pv光伏组件和供电转换电路，所述pv光伏组件通过供电转换电路连接控制器模块。

如图4所示，所述供电转换电路包含dc12v电压输入端、第一二极管、第一电容、第二电容、lm2576s-5.0电源芯片、第二二极管、第一电感、第三电容、5v电压输出端、5v电压输入端、第四电容、tps7a7001电源芯片、第一电阻、第二电阻、、第五电容和3.3v电压输出端；

所述dc12v电压输入端分别连接第一二极管的负极、第一电容的一端、第二电容的一端和lm2576s-5.0电源芯片的vin端，第一二极管的另一端分别与第一电容的另一端、第二电容的另一端、lm2576s-5.0电源芯片的en#端、lm2576s-5.0电源芯片的gnd端、第二二极管的正极、第三电容的一端连接并接地；所述第二二极管的负极分别连接lm2576s-5.0电源芯片的vout端和第一电感的一端，第一电感的另一端分别与第三电容的另一端、lm2576s-5.0电源芯片的fb端、5v输出端连接；

所述5v输入端分别与第四电容的一端、tps7a7001电源芯片的en端和tps7a7001电源芯片的in端，第四电容的另一端接地，tps7a7001电源芯片的gnd端与第一电阻的一端连接，第一电阻的另一端分别与第二电阻的一端和tps7a7001电源芯片的fb端，第二电阻的另一端分别与第五电容的一端、tps7a7001电源芯片的out端、3.3v输出端，所述第五电容的另一端接地。

mlvds驱动接收器、数字隔离器、信号连接器件三部分组成了mlvds多节点总线传输硬件电路，根据需求，选用adi公司推出的adn4693e全双工通信芯片作为mlvds驱动接收器，数字隔离芯片和电源隔离芯片分别选用的是adum3442和adum5000，以此来降低来自其他电路的影响。

adn4639e是adi公司发布的全双工mlvds驱动接收器，内置驱动器和接收器且互不干扰，最高可支持200mb/s的数据速率，可应用于时钟信号传输、背板数据传输等应用中。mlvds总线传输结构示意图如图2所示，在传输节点间通过异步串行通信方式实现数据位同步，数据通过差分信号传输，每个从节点都可以同时接收主节点发送的指令，各个从节点只会对属于自己的指令做出响应，如某个从节点收到传数据指令，则打开驱动器使能端来驱动总线，每一个时刻，各个从节点中只有一个驱动器有效，这样就避免了多个从节点同时驱动总线所引起的主节点接收数据乱码。

采用adum3442芯片实现对各个节点上mlvds芯片驱动器和接收器的单端与控制器引脚之间的数字隔离，防止电路文波对接口电路造成的电平漂移。

采用adum5000对mlvds总线通路提供电源隔离电路，该电路实现了数据与电源的完整隔离，保证该电路能够应对高电压瞬变的影响。

usb3.0接口芯片选用的是赛普拉斯公司推出的fx3系列cyusb3014芯片，其灵活性高，具备通用可编程接口gpifii，能保证其与绝大多数控制器大容量数据的高速通信。不仅如此，其还具备一个uart接口。本设计中，uart接口用于指令的下发和状态字的上传，gpifii用于高速大容量数据的上传。

mlvds总线接口简单，只规定了总线物理层的电气特性，并没有涉及高层协议，mlvds通信控制模块利用fpga实现mlvds总线通信协议的数据链路层以及物理层的数据传输设计。在物理层中完成传输数据的编码、解码、位同步以及帧同步等功能，按照mlvds通信协议在数据链路层中完成数据封装拆装、总线仲裁、差错控制、报文滤波以及时序控制等方面的功能及实现。

数据转换模块主要实现usb3.0传输模块和mlvds通信模块之间的数据转化。上位机发送命令时，数据通过usb3.0接口传输到数据转换器，fpga通过gpifii接口检测标志位判断到usb3.0通信模块已接收到数据后，将数据读到数据转换模块中，并将有效数据转化为8bit数据，数据写入命令缓存fifo中实现数据跨时钟的同步。在fifo读信号上升沿时将数据从fifo中读入到mlvds通信模块中，在命令解析模块中通过比对命令寄存器组中值，确定命令的执行功能、对象、触发机制等，重新生成命令数据帧。在总线管理器中按mlvds总线通信协议添加起始、仲裁场、校验位、终止位组成mlvds数据包格式，然后转为串行数据发送至mlvds接口模块，在该模块中调用实现mlvds的发送模块，数据通过发送端口经adn4693e芯片发送给目标底层设备，完成一次发送。

接收上传数据时，当mlvds的接收模块端口检测到数据起始位有效时开始接收，在物理信令层中完成传输数据的同步后，将数据转化为并行数据传输给mlvds总线管理模块。对mlvds接收的传输数据进行crc校验正确后，有效数据在数据有效标志信号为高的条件下传输到ddr3缓存模块中，将有效采集数据、节点信息及通道地址信息写入ddr3中，实现大量数据缓存，使回传数据速率处于可控范围。接着usb3.0通信模块从ddr3缓存模块中读出数据，并组成32bit数据传输至usb3.0芯片，在fpga的控制下，将数据上传到上位机。

综上，本实用新型公开一种基于fpga的mlvds-usb3.0转换器设计方案，上位机通过mlvds—usb3.0转换器转换功能，实现控制多节点采集设备与上位机间的采集数据的高速上传和指令的下发。该转换器可在不改变硬件系统构架的前提下灵活实现多种传输协议，具有硬件电路简单、通用性强、传输稳定等特点。实践证明,该转换器可以应用于多节点数据采集系统。

最后应说明的几点是：首先，在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变，则相对位置关系可能发生改变；

其次：本实用新型公开实施例附图中，只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计，在不冲突情况下，本实用新型同一实施例及不同实施例可以相互组合；

最后：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。