（项目经验）明德扬光纤项目概述（上）

杨老师

光纤项目系统概述

--作者：潘文明

第一章 项目背景

光纤项目是明德扬承接自某研究所的项目。该项目功能是接收4路光纤数据，经过内部DDR3缓存后，通过PCIE接口上送到电脑保存。其中光纤采集到数据后，需要做一定的算法处理，该算法处理由客户实现，明德扬保留易修改、易插入的模块接口。

该项目实质就是一个数据采集卡功能：采集到高速数据并保存到电脑本地，具有速率高、数据量大的特点。采集卡项目均可参考此方案实现。

该项目使用到光纤接口，可以学习到光纤IP核的应用。

本项目可以通过PCIE，实现对FPGA的配置。特别是实现了可分别配置和读取1路接收FPGA、4路发送FPGA寄存器的功能。关于上位机，如DSP、ARM、单片机、电脑 ，如何与FPGA通信交互的，可以参考此方案。（在优化版本中，也提供了通过串口配置的方案，即将PCIE配置改为用串口配置。）

PCIE部分不作讲解，要注意。

该项目有对应的视频专题课，并提供代码学习。

第二章 系统功能和架构

上图是本项目整体的简图，包括4个发送板、1个接收板和PC电脑。其中本项目主要实现提接收板功能。

接收板包括四片的DDR3、一个PCIE接口、四路光纤接口。当然接收板上还有很多其他接口，但是对于我们的项目来讲，主要的就是这三种接口。

接收卡通过PCIE接口，直接插到PC的插槽上，跟PC进行相连。

发送板可以通过光纤口发送数据，从接收板看来，可以认为外部有四路光纤口，接受这四种光纤的数据。

本项目中，四路发送板，每一个发送板其实它是一个AD采集卡。每个发送板它大概有16路的AD的采集，采集好数据汇总通过光纤送到这个接收卡。

接收卡从光纤接受到数据后，把数据汇聚起来，做适当的处理后，将数据保存到DDR3中，等待被读出送给PCIE接口，然后上送给PC电脑 ，这个就是我们整体的功能。

第三章 FPGA架构

上图是FPGA的内部实现架构。根据功能，可以大概划分成光纤功能、存储控制功能、PCIE功能三大部分。

第1节 光纤功能

本项目通过光纤模块，实现接收板和发送板的通信，通信速率是2.5Gbps，采用XILINX的官方IP核：7 Series FPGAs Transceivers Wizard（以下简称：GTX IP核）。关于该IP核的设置，有兴趣的读者，可以阅读我们之前发表的文章《XILINX(K7)和CycloneV之间的光纤通信设置》一文。

由于使用到4路光纤，在设置高速收发器IP核 时，注意要生成4路通道。当生成后，每路通道给用户侧的数据发送接口只有两个：发送数据tx_data和K码指示tx_kchar。同理，接收方向则是rx_data和rx_kchar。

我们注意到，数据接口只有数据和K码指示，而不是明德扬常见的包文形式。事实上，两个较高级的设备之间通信，一般就是采用包文的形式，一次发一组数据，每组数据可以达到几千字节。为实现分组发送，特自定义了光纤协议层包文格式，如下表。

包文头	数据长度	校验和	无效值	数据
16位	16位	16位	16位	数据长度个数据

上面是光纤协议层的包文格式，其有一个16位的包文头(固定为0x55d5)，一个16位的长度指示（指示后面数据的长度，单位为字节），一个16位的校验码，一个16位的无效值，以及数据。

在FPGA内部架构图中的光纤打包模块，当从上游模块收到一个包文时，就计算该包文的长度、校验和，然后产生包文头+数据长度+校验和+无效值字段，再加上输入的包文数据，送给GXT IP核。GTX IP核再通过光纤送给发送板。

同理，发送板那里，也应该有一个打包模块，其要发送数据给接收卡，就会将包文封装成上面格式，再通过光纤传输到接收板。接收板从GTX IP核接收数据，在光纤解包模块中，搜索包文头55D5。如果搜索到包文头，下一状态就获取数据长度和校验和。根据数据长度，接收后面的数据。边接收数据边计数数据的校验和。当接收数据完毕，校验和也计算完了。这个时候，就对比收到的校验和与计算的校验和，是否相同。如果相同，说明包文是正确的；如果不同，说明包文是错误的。

上面就是光纤的基本功能，主要涉及到光纤打包、光纤解包等。

事实上，如果光纤采用的是Aurora协议，那么推荐采用另一个IP核：Aurora 8B10B。这个IP核使用AXI4-stream总线接口，并且已经是包文的格式。因此使用起来更加简单。

明德扬已经针对本项目录制了视频课程，感兴趣的同学可以加兰老师微信了解