基于FPGA的总线型LVDS通信系统设计

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基于FPGA的总线型LVDS通信系统设计

摘要：总线型低压差分信号（BLVDS）是一种性能优良的物理层接口标准。本文介绍一种基于总线型LVDS的通信系统方案，以及利用FPGA芯片实现系统核心模块的设计方法。该方案可广泛使用在高速通信领域，具有较高的应用价值。    关键词：BLVDS FPGA 串化 解串 高速通信
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。它具有超高速（1.4Gb/s）、低功耗及低电磁辐射的特性，是在铜介质上实现千兆位级高速通信的优先方案；可用于服务器、可堆垒集线器、无线基站、ATM交换机及高分辨率显示等等，也可用于通信系统的设计。BLVDS（Bus LVDS）是LVDS技术在多点通信领域的扩展，要求附加总线仲裁设计、更大的驱动电流（10mA）和更好的阻抗匹配设计。
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。

   我们最终选了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，由公式：

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。
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。

李小路

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