基于FPGA的總線型LVDS通信系統設計

基于FPGA的總線型LVDS通信系統設計

摘要：總線型低壓差分信號（BLVDS）是一種性能優良的物理層接口標準。本文介紹一種基于總線型LVDS的通信系統方案，以及利用FPGA芯片實現系統核心模塊的設計方法。該方案可廣泛使用在高速通信領域，具有較高的應用價值。

    關鍵詞：BLVDS FPGA 串化 解串 高速通信

低壓差分信號LVDS（Low Voltage Differential Signal）是由ANSI/TIA/EIA-644-1995定義的用于高速數據傳輸的物理層接口標準。它具有超高速（1.4Gb/s）、低功耗及低電磁輻射的特性，是在銅介質上實現千兆位級高速通信的優先方案；可用于服務器、可堆壘集線器、無線基站、ATM交換機及高分辨率顯示等等，也可用于通信系統的設計。BLVDS（Bus LVDS）是LVDS技術在多點通信領域的擴展，要求附加總線仲裁設計、更大的驅動電流（10mA）和更好的阻抗匹配設計。

通常是LVDS電路設計使用各種專用芯片，如美國國家半導體公司的DS92LV16等。我們用FPGA芯片自行設計BLVDS內核及擴展部分。相比之下，使用FPGA可大幅減少芯片數量，降低成本，提高系統可靠性，同時具有更大的靈活性和向后兼容性。由于目前尚無實用的16位VLVDS收發器芯片問世，本設計也填補了專用芯片（ASIC）的空白。
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   我們最終選了Xilinx公司的XCV50E。此芯片屬于Virtex-E系列，具有如下特性：

*0.18nm 6層金屬工藝，具有5.8萬個系統門；

*使用1.8V核心電壓，低功耗設計；

*130MHz同部時鐘；

*64KB的同步塊同存（BlockRAM），可實現真正的雙口操作；

*支持包括LVDS、BLVDS在內的20種高性能接口標準；

*8個全數字的延遲鎖定環DLL（Delay Locked Loops），具有時鐘移相和乘除功能；

*支持IEEE 1149.1邊界掃描標準，具有基于SRAM的在系統配置功能。

我們使用Xilinx Foudation F3.1i軟件開發XCV50E芯片。設計流程為：首先用編寫VHDL語言程序、繪制原理圖或設計狀態機的方法生成網絡表，功能仿真正確后，經過翻譯、映射、放置和布線、時序優化及配置過程，生成比特流文件。然后，進行時序仿真，仿真通過后下載到PROM中。（我們用了Xilinx公司的XC18V01。）

1 結構及工作過程

1.1 系統結構和FPGA結構

本通信系統由背板和若干通信子卡組成。背板并更有8個插槽，并布有BLVDS總線和其它控制、地址總線。通信子卡由EP7211芯片（負責數據處理）、XCV50E及DRAM、PROM等外圍芯片和元件組成，系統結構如圖1所示。

    設計完成后的XCV50E由控制部分、發送FIFO、幀編碼器、串化器、解串器、幀解碼器、數據檢出器、接收FIFO、時鐘倍頻器及輸入輸出單元等部分組成，結構如圖2所示。

1.2 工作過程

在發送子卡中，EP7211將待發數據整理成多個長255字，字寬16位的數據幀，發至FPGA內的發送FIFO中。該FPGA得到總線控制權后，即發送同步幀（由同步字與填充字組成），待被尋址的接收子卡實現與自己的同步后，再發送數據幀。各幀數據經串化器轉化為兩對差分信號，并從中獲得同步信息并實現同步，繼而檢出有效數據，寫入接收FIFO，同時以快中斷（FIQ）通知EP7211。

2 軟件設計

2.1 EP7211程序設計

通信子卡內的EP7211為系統級芯片，用來預處理和接收數據。EP7211的內核為ARM7TDMI，使用32位精簡指令。發送數據的流程如圖3所示。接收較簡單，只需在快中斷（FIQ）服務程序中寫入接收FIFO的讀取代碼即可。

2.2 FPGA設計

FPGA的設計中，發送及接收FIFO的設計用了雙口快內存（Block RAM），時鐘

倍頻器用了延遲鎖定環（DLL）。幀解碼器由30位并行數據產生器、同步字檢測陣列和接收狀態機組成。以下重點介紹幀編碼器和串化器的設計。

    （1）幀編碼器的VHDL語言設計

幀編碼器包括一個長為256的計數器和一個四狀態的單熱點狀態機，用以產生同步幀和數據幀。部分代碼如下：

PROCESS（RESET，CLK） //產生長256的計數器

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） //狀態機進程

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； //空閑狀態如有發送命令，即轉入發送狀態

ELSE SREG<=PACK1； //否則，發送填充字1

WHEN PACK1=>

（后略）

（2）串化器的原理設計

串化器由多級嵌套的子圖和若干宏模塊組成，原理圖的頂層圖如圖4所示。四個四位并入串出寄存器將16位并行數據拆分為四組串行數據，其中的奇數位和偶數位分別通過一個雙數據速率寄存器，得到兩個差分信號，同時用另一個雙數據速率寄存器產生與之同步的差分時鐘。其中，雙數據速率寄存器為時序敏感器件，其內部主要部分都加入了時序特性限制，如最大時滯（maxdelay）、最大抖動（maxskew），并用FMAP控件強制性地把相關信號放入同一個函數產生器中。

圖4 串化器原理圖

3 硬件設計要點

①BLVDS信號的偏置電壓為1.25V，電壓擺幅只有350mV，傳輸速率≥100Mb/s；因此，電路板制作至關重要，要求至少使用四層板。

②為使干擾信號只以供模方式加到差分線對上（不影響數據正確性），要求差分線對間的距離盡可能小。BLVDS標準要求差分阻抗為100Ω，由公式：

給出。其中，ZDIF為差分線對的差分阻抗，εR為印制板介電常數，δ為信號層到電源層的厚度，b為導線寬度。本電路選用的線距及線寬均為0.18mm。

③考慮到阻抗不匹配引起的信號反射和導線的電導效應，要求XCV50E芯片的差分引腳盡可能地靠近子卡的邊緣連接器（≤1.52cm），并給每個差分引腳串聯一個20Ω的貼片電阻。

④電源方面：Virtex芯片上電時要求有大于500mA的驅動電流，同時，由于多個輸出引腳的電位快速變化，要求每對電源和地引腳都要良好旁路。

4 結論

當使用40MHz的外部時鐘時，BLVDS總線上的傳輸速率為120Mb/s，成功實現了多個通信子卡間的高速數據通信。現在，我們正將該通信系統移植到我單位與勝利油田聯合研制的SL-6000型高分辨率綜合測井系統上。

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