LVDS差分接口信号输入输出的处理简析

最近调试芯片遇到一个选择题，需要决定数据接口的接口标准，是选用LVDS差分接口还是CMOS单端接口。说实话，之前接触多的还是CMOS单端接口，只是看到过很多资料介绍过LVDS差分接口。

官方说法里，它的主要优点有：

抗干扰能力强，具有更高的数据传输速率

更好的信号完整性

降低了电平幅度和电路功耗

既然有这么多优点，这次我们就选用LVDS差分接口，看看我们能不能感受到LVDS的优势。

每对LVDS信号是一个差分信号对，一个信号用两个相反的p，n信号线表示，通过差值 |Vp - Vn|传输数据，这样可以有效减小共模噪声的干扰，信号线传输如下图：



图中含有DATA_CLK, RX_FRAME两个LVDS信号对

而FPGA内部处理信号肯定还是需要使用单端信号，这时就需要经过一个差分转单端的“工具”，将差分信号转换为FPGA更方便处理的单端信号。

在Xilinx中，我们可以用IBUFDS原语，可以在Language Template中找到这个原语的示例，经过修改一番后，可以将差分的data_clk转换为单端的data_clk， 原语如下:

IBUFDS #(
.DIFF_TERM("FALSE"), // Differential Termination
.IBUF_LOW_PWR("TRUE"), // Low power="TRUE", Highest performance="FALSE"
.IOSTANDARD("DEFAULT") // Specify the input I/O standard
) IBUFDS_inst (
.O(data_clk_tmp), // Buffer output
.I(data_clk_p), // Diff_p buffer input (connect directly to top-level port)
.IB(data_clk_n) // Diff_n buffer input (connect directly to top-level port)
);
将需要转换的data_clk P端和N端接入IBUFDS的I和IB端口，就可以在O端口得到转换的单端信号。

除了CLK时钟信号，其他信号的输入转换基本结束了；而CLK时钟信号还需要接入BUFG，因为CLK时钟只有接入BUFG才能接入全局时钟网络，这对于减小时序问题有帮助。

同样在Language Template中找到这个原语的示例，修改后如下:

BUFG BUFG_i0 (
.O(data_clk), // 1-bit output: Clock output, 36MHz.
.I(data_clk_tmp) // 1-bit input: Clock input, 36MHz.
);

一个输入一个输出，非常简单的原语调用！

另一边，有输入就会有输出，输出的问题也好解决，同样使用一个OBUFDS原语实现单端转差分，在Language Template中找到原语，修改后如下：

OBUFDS #(
.IOSTANDARD("LVDS18"), // Specify the output I/O standard
.SLEW("SLOW") // Specify the output slew rate
) OBUFDS_inst (
.O(tx_frame_p), // Diff_p output (connect directly to top-level port)
.OB(tx_frame_n), // Diff_n output (connect directly to top-level port)
.I(tx_frame) // Buffer input
);

设置好相应的参数之后，将单端信号接入OBUFDS的I端口，O端口输出差分信号的P端，OB端口输出差分信号的N端。

最后一个小问题就是在XDC设置中，因为一个信号对有两个管脚，比单端信号多了一倍的管脚绑定工作量；但其实我们可以只需要绑定P端的管脚，软件会自动帮我们绑定N端的管脚。

在设置输入输出端口的“IOSTANDARD”中，遇到了些许问题，这里写出来记录一下，也让后面遇到这个问题的人有个参考；最初设置差分信号的“IOSTANDARD”时，我想当然的使用了“LVDS”，“LVDS18”等参数，但是这些参数都不能最终生成比特流；

在查了一些资料以及Vivado本身的I/O Port界面里参数后发现，差分信号的IOSTANDARD需要这样设置：

set_property IOSTANDARD DIFF_HSTL_II_18 [get_ports tx_frame_p]

因为我的IO电压是1.8V，所以最终使用了“DIFF_HSTL_II_18”，如果有更好的方案，可以一起探讨探讨。

总结：

输入信号需要用到IBUFDS实现差分转单端，输入时钟还需要加BUFG

输出信号使用OBUFDS实现单端转差分

差分信号只需要绑P端管脚，“IOSTANDARD”设置需要注意

输入输出端口的简单处理之后，这些信号为了提高传输数据的效率，还使用了DDR（Double Data Rate）技术传输数据，如何解决DDR问题，下一篇文章再来探讨。



审核编辑：刘清