一种LVDS内核及外围电路设计 - 全文

　　低压差分信号LVDS(Low Voltage Differential Signal)是由ANSI/TIA/EIA-644-1995定义的用于高速数据传输的物理层接口标准。通常是LVDS电路设计使用各种专用芯片，如美国国家半导体公司的DS92LV16等。我们用FPGA芯片自行设计BLVDS内核及扩展部分。相比之下，使用FPGA可大幅减少芯片数量，降低成本，提高系统可靠性，同时具有更大的灵活性和向后兼容性。由于目前尚无实用的16位VLVDS收发器芯片问世，本设计也填补了专用芯片(ASIC)的空白。

　　我们选了Xilinx公司的XCV50E。此芯片属于Virtex-E系列，具有如下特性： *0.18nm 6层金属工艺，具有5.8万个系统门;

　　*使用1.8V核心电压，低功耗设计;

　　*130MHz同部时钟;

　　*64KB的同步块同存(BlockRAM)，可实现真正的双口操作;

　　*支持包括LVDS、BLVDS在内的20种高性能接口标准;

　　*8个全数字的延迟锁定环DLL(Delay Locked Loops)，具有时钟移相和乘除功能;

　　*支持IEEE 1149.1边界扫描标准，具有基于SRAM的在系统配置功能。

　　我们使用Xilinx Foudation F3.1i软件开发XCV50E芯片。设计流程为：首先用编写VHDL语言程序、绘制原理图或设计状态机的方法生成网络表，功能仿真正确后，经过翻译、映射、放置和布线、时序优化及配置过程，生成比特流文件。然后，进行时序仿真，仿真通过后下载到PROM中。(我们用了Xilinx公司的XC18V01。)

　　1 结构及工作过程

　　1.1 系统结构和FPGA结构

　　本通信系统由背板和若干通信子卡组成。背板并更有8个插槽，并布有BLVDS总线和其它控制、地址总线。通信子卡由EP7211芯片(负责数据处理)、XCV50E及DRAM、PROM等外围芯片和元件组成，系统结构如图1所示。

　　

 

　　设计完成后的XCV50E由控制部分、发送FIFO、帧编码器、串化器、解串器、帧解码器、数据检出器、接收FIFO、时钟倍频器及输入输出单元等部分组成，结构如图2所示。

　　

 

　　1.2 工作过程

　　在发送子卡中，EP7211将待发

　　数据整理成多个长255字，字宽16位的数据帧，发至FPGA内的发送FIFO中。该FPGA得到总线控制权后，即发送同步帧(由同步字与填充字组成)，待被寻址的接收子卡实现与自己的同步后，再发送数据帧。各帧数据经串化器转化为两对差分信号，并从中获得同步信息并实现同步，继而检出有效数据，写入接收FIFO，同时以快中断(FIQ)通知EP7211。

　　2 软件设计

　　2.1 EP7211程序设计

　　通信子卡内的EP7211为系统级芯片，用来预处理和接收数据。EP7211的内核为ARM7TDMI，使用32位精简指令。发送数据的流程如图3所示。接收较简单，只需在快中断(FIQ)服务程序中写入接收FIFO的读取代码即可。

　　

 

　　2.2 FPGA设计

　　FPGA的设计中，发送及接收FIFO的设计用了双口快内存(Block RAM)，时钟倍频器用了延迟锁定环(DLL)。帧解码器由30位并行数据产生器、同步字检测阵列和接收状态机组成。以下重点介绍帧编码器和串化器的设计。

　　(1)帧编码器的VHDL语言设计

　　帧编码器包括一个长为256的计数器和一个四状态的单热点状态机，用以产生同步帧和数据帧。部分代码如下：

　　PROCESS(RESET，CLK) //产生长256的计数器

　　IF RESET='1'THEN COUNT<=0;

　　ELSIF CLK'EVENT AND CLK='1' THEN COUNT<=(COUNT+1)MOD 256;

　　END PROCESS;

　　TC<='1'WHEN COUNT="255" ELSE '0';

　　TYPE STATE_TYPE IS(IDLE，PACK1，PACK2，TRANSMIT);

　　SIGANL SREG：SETAT_TYPE;

　　RPOCESS(CLK，RESET) //状态机进程

　　IF CLK'EVENT AND CLK='1'THEN

　　IF RESET="1" TEHE SREG<=IDLE ELSE

　　CASE SREG IS

　　WHEN IDLE=>

　　IF SEND_UD='1'THEN SREG<=TRANSMIT; //空闲状态如有发送命令，即转入发送状态

　　ELSE SREG<=PACK1; //否则，发送填充字1

　　WHEN PACK1=>

　　(后略)

　　(2)串化器的原理设计

　　串化器由多级嵌套的子图和若干宏模块组成，原理图的顶层图如图4所示。四个四位并入串出寄存器将16位并行数据拆分为四组串行数据，其中的奇数位和偶数位分别通过一个双数据速率寄存器，得到两个差分信号，同时用另一个双数据速率寄存器产生与之同步的差分时钟。其中，双数据速率寄存器为时序敏感器件，其内部主要部分都加入了时序特性限制，如最大时滞(maxdelay)、最大抖动(maxskew)，并用FMAP控件强制性地把相关信号放入同一个函数产生器中。

　　

 

　　图4 串化器原理图

　　3 硬件设计要点

　　①BLVDS信号的偏置电压为1.25V，电压摆幅只有350mV，传输速率≥100Mb/s;因此，电路板制作至关重要，要求至少使用四层板。

　　②为使干扰信号只以供模方式加到差分线对上(不影响数据正确性)，要求差分线对间的距离尽可能小。BLVDS标准要求差分阻抗为100Ω

　　给出。其中，ZDIF为差分线对的差分阻抗，εR为印制板介电常数，δ为信号层到电源层的厚度，b为导线宽度。本电路选用的线距及线宽均为0.18mm。

　　③考虑到阻抗不匹配引起的信号反射和导线的电导效应，要求XCV50E芯片的差分引脚尽可能地靠近子卡的边缘连接器(≤1.52cm)，并给每个差分引脚串联一个20Ω的贴片电阻。

　　④电源方面：Virtex芯片上电时要求有大于500mA的驱动电流，同时，由于多个输出引脚的电位快速变化，要求每对电源和地引脚都要良好旁路。公式：

　　

 

　　4 结论

　　当使用40MHz的外部时钟时，BLVDS总线上的传输速率为120Mb/s，成功实现了多个通信子卡间的高速数据通信。现在，我们正将该通信系统移植到我单位与胜利油田联合研制的SL-6000型高分辨率综合测井系统上。