串口转光纤数据通讯模块

JJSQ_002  V1.00

1.概述

    随着信息时代的高速发展，传统旋转信号传输装置已无法满足高速信号的旋转传输功能，因此采用光信号进行高速信号的旋转传输。

    该数据通讯板可满足串口与光纤的实时转换，数据同步转发的功能。

2.功能要求

• 1路光纤数据输入输出，光纤数据通过物理接口收发给FPGA，走UDP协议，其中转接板IP为192.168.10.1，端口号61441；要求对端板卡IP为192.168.10.2，端口号61441；
• 1路422串口输入输出；FPGA将UDP解析后通过422串口收发；
• 光口数据的解析与重组。

2.1电气功能要求

2.1.1 422通讯接口

• 1路422通讯接口；DB9插件；选用ADM2682EBRIZ接口芯片，信号定义：

2.1.2光路接口

• 光纤：1路光纤收，1路光纤发（单芯），SFP 接口为标准 LC接口，波长850nm，多模光纤，速率最高10G。

2.1.3电源接口

• 发射板功耗5w左右，供电为5V/1A；插件为DB9。

2.2结构功能要求

• 结构尺寸：90mm*70mm*15mm

2.3环境适应性要求

• 温度：-40℃±80℃。

3.光电转换板方案设计

3.1电源设计

• 5V转成3.3V/1.2V/1.8V

3.2FPGA设计

  选择XILINX XC7K160T作为主芯片，逻辑资源160K、2K RAM；挂载1片DDR，作为数据的缓冲。

  光纤数据通过物理接口发送给FPGA，走UDP协议，FPGA接收到数据后对数据进行解码。并且将UDP的数据包格式数据，缓存到DDR或者FIFO中；利用422的发送模块，将数据发送出去；走串口协议，数据内容为UDP的数据包。

        422的接收模块，将接收到的422的数据缓存到DDR或者FIFO中，利用FPGA的GTX接口将数据打包从光纤口发送出去，走UDP协议。

3.3RS422设计

• 1路422通讯接口；DB9插件。选用ADM2682EBRIZ接口芯片，信号定义：

• 引脚号	信号定义	备注
  1	TX+	-
  2	TX-	-
  3	R+	-
  4	R-	-
  5	GND_I	信号地
  6	-	-
  7	-	-
  8	5V+	-
  9	GND	电源地

3.4光电电光转换设计

a.光模块：1路光纤收，1路光纤发（单芯），SFP 接口为标准 LC接口，波长850nm，多模光纤，速率最高10G；

b.电模块：1路422收发，满足422电平要求；插件型号DB9。

3.5热设计

  方案阶段从以下几个方面着手：严格控制元器件功耗选型；采用合理的散热措施；对拟采用的大功耗器件进行温升分析和先进的电路制作工艺。

3.5.1功耗预估

a.转换板功耗预估

  依据相关芯片手册，列出了主要芯片FPGA在不同温度下的功耗预估。

数据转换板功耗预估说明表

3.5.2散热措施 

  自然散热方式，为便于散热在板卡的整体布局上将FPGA等大功率器件尽量的分布在印制板的顶层和边缘；在热传导路径中减少绝热或隔热元器件；充分利用空间，采用质轻、热传导性能好的材料制作散热板，利用热阻计算公式计算出散热面积，通过增加散热板的方式，尽可能的扩大散热面积，提高板卡的散热效果。

4可靠性、安全性、维修性设计

4.1可靠性设计

4.1.1可靠性设计措施

        JJSQ_002考虑各种影响可靠性的因素，严格按照设计准则中热设计、降额设计、简化设计等要求进行设计。

        JJSQ_002的散热板设计采用质轻、热传导性能好的材料；在热传导路径中没有绝热或隔热元器件；水平方向，大功率器件尽量靠近印制板边沿布置，垂直方向，大功率器件如CPU等，尽量靠近印制板上方。

        JJSQ_002的元器件降额设计充分考虑了电压、电流、功率、频率和温度等应力参数，使得元器件在使用中所承受的应力适当低于其规定的额定值，从而达到降低其基本失效率，提高元器件使用可靠性的目的。

  在满足技术、性能指标的前提下，尽可能对产品进行简化设计，设计中要尽量使电路结构简单，减少分系统元器件的数量。JJSQ_002尽量考虑模块化、数字化、智能化设计，减少分系统元器件的数量等。

4.1.2可靠性分析与预计

  通过对产品进行FMECA定性和定量分析，找出所有可能的故障模式、故障原因及后果，发现设计中潜在的薄弱环节，以便采取补偿措施。

  产品的故障影响定义中最终影响是系统，最低约定层次为模块级。

        JJSQ_002现处于方案设计阶段，主要元器件的种类、数量、质量等级以及设备工作环境都已基本确定，板卡将使用大量的贴片电阻、瓷介质电容和集成电路器件，对可靠性预计值影响较大。相关失效率因子等有关可靠性参数可以从《GJB/Z 299C-2006电子设备可靠性预计手册》查到，根据可靠性计算公式对可靠性进行计算获得MTBF=12000（小时），能够满足系统要求。

4.2安全性设计

4.2.1安全性设计措施

  设计考虑使用防插错标识，技术资料明确了使用说明，接插件具备防插错处理设计。

4.2.2安全性分析与预计

  串口与光纤转换板在方案设计上消除已判定的危险和风险性原材料和元器件的选择，无涉及人员和设备安全的危险物质和零部件，设计满足在恶劣环境（温度、压力、噪声、毒性、加速度、振动、冲击和有害射线等）条件下的安全性。

4.3维修性设计

4.3.1维修性设计措施

  为保证产品的维修性能够达到指标要求，需对产品的维修性进行设计，产品在维修时保证维修简便，减少保障资源，减少维修差错。为达到这些要求，需要按照设计准则的要求进行可达性设计、标准化设计、互换性设计、安全性设计、人素工程等。

本产品进行标准化设计，可以使满足系统要求的大部分元器件、零件的种类限制到最低的程度。采用标准化设计，可提高系统可靠性，减少了备件的数量和类型，因而也就减少了总的保障费用。

  在维修过程中，JJSQ_002可以采用产品互换的方式更换板卡，并在更换后无需任何调整即可保证使用性能。

4.3.2维修性分析与预计

  利用时间累加法对本产品进行维修性预计，各预计参数的取值是根据实际维修时需要的时间得来。预计参数和结果见下表

维修性预计表