随着人们对海洋资源开发的日益深入，以及海洋军事的迅猛发展，人类在海洋中的活动范围日益扩大，与海洋相关的各种探测技术也越来越受到人们的重视。其中高可靠性的数据传输系统是海洋拖缆勘探系统能否实际使用的重要标志。在这方面国外已有成熟产品，但其成本高且对我国进行严格的技术封锁。目前国内传输系统多采用光纤作为传输介质，其传输速率高、无中继传输距离远、无电磁干扰，但其成本较高且易损坏，可靠性不高[1]。本文根据海洋拖缆勘探中水声数据传输的特点，设计了一种基于LVDS的流水线型数据传输系统。该系统的设计为海洋拖缆勘探系统中水下数据的实时传输提供了一种思路，同时由于LVDS信号的优点，有效地提高了系统的可靠性和稳定性。

1 系统结构
海洋拖缆勘探系统的结构框图如图1所示。

该系统由干端系统和湿端系统组成。干端系统一般置于岸上或拖船上，由上位机及PCI采集板组成。
上位机通过PCI采集板进行命令的发送及水声数据的接收、处理、存储和显示。湿端系统位于水下工作区，包括采集系统和传输系统。其中采集系统由水听器（传感器）和采集板组成，传感器采用压电传感器或光纤传感器，用于将水下的地震信号转变成电信号或光信号；采集板由前置放大电路、A/D转换电路、滤波器、FPGA及RS485接口电路组成，主要用于将水听器上传的电信号或光信号进行放大滤波后转换成数字信号上传到传输板上。传输系统由传输板和湿端接口模块组成，传输板由LVDS收发电路、预加重和均衡电路及FPGA、RS485接口电路组成，主要用于接收本地采集板上传的数据并将其打包成帧，同时完成数据在级联传输板间的有序上传。湿端接口模块主要用于收集由传输板上传的数据并通过光电转换模块将其转换成光信号经光发送电路上传至PCI采集板，同时接收PCI采集板下传的命令并将其转换为电信号通过RS485总线下传到传输板。另外湿端接口模块还用于同步基准信号的产生，同步信号用于系统的同步采集和同步传输，这对系统的稳定性和可靠性有至关重要的作用[2]。

2 传输系统硬件设计
2.1 传输系统设计指标
传输系统部分设计指标如下：整个传输系统级联30个传输板，传输板间距100 m。每个传输板下设一个采集板,采集板收集本区域内的16路水听器数据,采样率4 kHz、采样精度24 bit。
2.2 传输系统硬件电路设计
传输板硬件框图如图2所示（由于湿端接口模块除了同步基准、光电转换模块和采集板接口之外别的部分与传输板一致，故在此不再赘述）。

传输板的功能有：(1)命令解析及下传，接收上位机的命令对其进行解析后下传至采集板，同时发送至后续传输板；(2)同步下传，接收同步信号用于数据的可靠传输，并下传至采集板；(3)数据接收及处理，接收本地采集板的数据并打包成帧；(4)完成数据流水线。
　本系统中由于命令、同步信号的速率较低(命令1 MHz、同步4 kHz)、数据量小，故采用RS485传输。而数据由于其数据率高(根据上文所提的指标：30×16×24×4 K=46.08 Mb/s,考虑编码及传输必要冗余，速率按192 Mb/s计算），故采用预加重和均衡的LVDS传输。另外由于双绞线所具有的尺寸小、柔韧性好、抗干扰能力强、价格低廉等特点，故本系统中数据、命令、同步均采用六类双绞线来传输。
2.3 LVDS传输的实现
　低压差分信号(LVDS)是一种小振幅差分信号技术，使用幅度非常小的信号(约350 mV)通过一对差分线对或平衡电缆来传输数据。LVDS信号功耗小、抗干扰能力强、传输速率高、噪声性能好，但其直传距离短，用于长距离传输需要解决传输距离问题[5]。
　长距离高速电传最大的问题在于电信号在传输介质上的衰减[3]。传输距离越长衰减越大，另外信号的不同频率成分衰减程度也不一样，高频衰减大、低频衰减小。本系统采用预加重和均衡电路来拓展LVDS信号的传输距离。预加重技术是在信号发送端通过预先抬高输出信号频谱中的高频分量来补偿传输通道的低通滤波效应的技术。而均衡技术则是在接收端进行滤波处理来修正接收端被衰减的波形的技术，均衡器对低频衰减大、高频衰减小。具体实现电路如图3所示。

并行数据先通过串行器MAX9205并串转换成LVDS信号后接入预加重器CLC006，信号经预加重后传送到六类双绞线上传送，经100 m双绞线传输后接入到均衡器CLC014，经过均衡的信号再接入到并行器MAX9206进行串并转换成并行数据后接入FPGA处理。其中预加重前、预加重后、均衡前、均衡后的信号波形如图4所示。

3 传输系统软件设计
3.1 FPGA逻辑控制流程
传输板的协议和控制全部由FPGA硬件逻辑实现，传输板FPGA逻辑结构如图5所示。

3.2 命令的解析及下传
命令通道完成命令的解析及下传，采用自定义串行协议，每个命令帧包括两个字节，第一个字节传送命令类型，第二个字节传送命令参数。每个字节为9 bit，最高位为标示符。
命令传输采用带中继的总线模式,这种方式的优点是信号延迟小、传输距离远。命令通过RS485总线方式传输，故传输板接收到命令后要先经过一个串并转换模块；之后通过一个命令延迟模块来实现采集板接收命令的同步；最后送入到命令解析模块进行命令的解析，解析完的本地命令直接作用于本级传输板，而采集板的命令经并串转换后经RS485接口下传采集板。
3.3 数据的成帧及上传
数据通道完成本地数据的成帧及数据的上传。每帧数据包括80 B，其中前14 B用来表示帧头、包号、帧号、时间戳等；中间64 B用来表示水听器的数据，最后2 B为校验位。
数据分为本地数据和级联数据，本地数据指本级采集板上传的数据，级联数据指后级传输板上传的数据。本地数据由采集板的四路RS485接口上传，经异步接收模块接收后存入FIFO；当同步信号上升沿到来时，本地数据成帧模块将帧头信息、四路FIFO中的数据以及校验位存入本地FIFO中构成本地数据。而由后级传输板上传的数据经数据接收模块和8 B/10 B解码模块处理后存入本地FIFO中构成级联数据。本地数据和级联数据由流水线控制模块[4]通过对两个FIFO轮流进行读操作，形成一种“乒乓结构”，将系统所有的数据逐级上传到上位机。
图6为使用Quartus II中的Signal Tap工具查看到的传输板内部信号的实测波形。从上到下依次为本地采集板异步接收波形、本地数据上传波形、级联数据上传波形、传输板接收与发送波形。

3.4 动态设置传输板包号
系统成缆后各数字包要有逻辑“包号”，为了方便成缆，所有数字包要能随意装配，而不必按固定顺序装配，这就要求系统能动态分配逻辑“包号”。动态分配时使用数据总线，采用一个点名命令，当数字包接收到此命令后，会发送一个点名帧，“点名帧”中包含自身包号，起始“包号”为0，当数字包接收到“点名帧”后把“包号”加1后发送至下一数字包，依此类推，每一数字包发送的最后一个“点名帧”的“包号”就为此数字包的逻辑ID。
3.5 LVDS传输数据可靠性软件设计
并行器MAX9206在接收数据时可以从数据中提取出时钟，如果提取时钟失败，则称为失锁。失锁后并行器不输出有效数据，这严重影响系统的可靠性，所以要尽量避免并行器的失锁，在出现失锁后要尽快地再次锁定时钟。
在系统上电后，由FPGA控制将串行器MAX9205的SYN置高42个时钟周期以上，此时MAX9206锁定发送端时钟。MAX9205的SYN置高时忽略输入端数据，输出同步序列“0000011111”，接收端在收到同步序列后更容易从中提取出时钟。
为提高系统的稳定性，使意外失锁后能够迅速地再次锁定时钟，系统采用在发送数据的空闲时刻发送同步序列的方法。这种方法虽然引入冗余，使有效数据率下降，但在数据率高达192 Mb/s的情况下，完全能够满足系统要求。
本系统采用基于预加重与均衡的LVDS信号来实现长距离高速率数据的可靠传输。目前，该系统已完成硬件设计和软件设计并进行了测试,经测试系统工作正常，达到了项目对系统稳定性和可靠性的要求。待进一步的湖试、海试测试完善后，可用于海底地质构造、海底石油勘探、海洋鱼群密度等需要高速数据传输的海洋工程勘探系统。
参考文献
[1] 吴康.声呐拖曳阵缆采集传输技术研究[D].天津：天津大学,2010.
[2] 裴彦良,赵月霞.近海高分辨率多道地震拖缆系统及其在海洋工程中的应用[J].地球物理学进展，2010,25(1):331-336.
[3] 张可立．深水浅层高分辨率拖缆采集数传系统研究与设计[D].安徽:中国科学技术大学，2009.
[4] 曾翔，宋克柱.基于光纤的多级数据采集传输系统设计[J].光纤与电缆及其应用技术，2005(6)：29-31.
[5] DECLUE L W. Low voltage differential signaling driver with pre-emphasis circuit[P].U.S.:US6281715B1.2001-8-28.