基于FPGA的總線型LVDS通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：總線型低壓差分信號(hào)（BLVDS）是一種性能優(yōu)良的物理層接口標(biāo)準(zhǔn)。本文介紹一種基于總線型LVDS的通信系統(tǒng)方案，以及利用FPGA芯片實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)核心模塊的設(shè)計(jì)方法。該方案可廣泛使用在高速通信領(lǐng)域，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：BLVDS FPGA 串化 解串 高速通信

低壓差分信號(hào)LVDS（Low Voltage Differential Signal）是由ANSI/TIA/EIA-644-1995定義的用于高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢韺咏涌跇?biāo)準(zhǔn)。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(zhì)上實(shí)現(xiàn)千兆位級(jí)高速通信的優(yōu)先方案；可用于服務(wù)器、可堆壘集線器、無(wú)線基站、ATM交換機(jī)及高分辨率顯示等等，也可用于通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。BLVDS（Bus LVDS）是LVDS技術(shù)在多點(diǎn)通信領(lǐng)域的擴(kuò)展，要求附加總線仲裁設(shè)計(jì)、更大的驅(qū)動(dòng)電流（10mA）和更好的阻抗匹配設(shè)計(jì)。

通常是LVDS電路設(shè)計(jì)使用各種專用芯片，如美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的DS92LV16等。我們用FPGA芯片自行設(shè)計(jì)BLVDS內(nèi)核及擴(kuò)展部分。相比之下，使用FPGA可大幅減少芯片數(shù)量，降低成本，提高系統(tǒng)可靠性，同時(shí)具有更大的靈活性和向后兼容性。由于目前尚無(wú)實(shí)用的16位VLVDS收發(fā)器芯片問(wèn)世，本設(shè)計(jì)也填補(bǔ)了專用芯片（ASIC）的空白。

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(wàn)個(gè)系統(tǒng)門；

*使用1.8V核心電壓，低功耗設(shè)計(jì)；

*130MHz同部時(shí)鐘；

*64KB的同步塊同存（BlockRAM），可實(shí)現(xiàn)真正的雙口操作；

*支持包括LVDS、BLVDS在內(nèi)的20種高性能接口標(biāo)準(zhǔn)；

*8個(gè)全數(shù)字的延遲鎖定環(huán)DLL（Delay Locked Loops），具有時(shí)鐘移相和乘除功能；

*支持IEEE 1149.1邊界掃描標(biāo)準(zhǔn)，具有基于SRAM的在系統(tǒng)配置功能。

我們使用Xilinx Foudation F3.1i軟件開(kāi)發(fā)XCV50E芯片。設(shè)計(jì)流程為：首先用編寫VHDL語(yǔ)言程序、繪制原理圖或設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)的方法生成網(wǎng)絡(luò)表，功能仿真正確后，經(jīng)過(guò)翻譯、映射、放置和布線、時(shí)序優(yōu)化及配置過(guò)程，生成比特流文件。然后，進(jìn)行時(shí)序仿真，仿真通過(guò)后下載到PROM中。（我們用了Xilinx公司的XC18V01。）

1 結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和FPGA結(jié)構(gòu)

本通信系統(tǒng)由背板和若干通信子卡組成。背板并更有8個(gè)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(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理）、XCV50E及DRAM、PROM等外圍芯片和元件組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

設(shè)計(jì)完成后的XCV50E由控制部分、發(fā)送FIFO、幀編碼器、串化器、解串器、幀解碼器、數(shù)據(jù)檢出器、接收FIFO、時(shí)鐘倍頻器及輸入輸出單元等部分組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2 工作過(guò)程

在發(fā)送子卡中，EP7211將待發(fā)數(shù)據(jù)整理成多個(gè)長(zhǎng)255字，字寬16位的數(shù)據(jù)幀，發(fā)至FPGA內(nèi)的發(fā)送FIFO中。該FPGA得到總線控制權(quán)后，即發(fā)送同步幀（由同步字與填充字組成），待被尋址的接收子卡實(shí)現(xiàn)與自己的同步后，再發(fā)送數(shù)據(jù)幀。各幀數(shù)據(jù)經(jīng)串化器轉(zhuǎn)化為兩對(duì)差分信號(hào)，并從中獲得同步信息并實(shí)現(xiàn)同步，繼而檢出有效數(shù)據(jù)，寫入接收FIFO，同時(shí)以快中斷（FIQ）通知EP7211。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 EP7211程序設(shè)計(jì)

通信子卡內(nèi)的EP7211為系統(tǒng)級(jí)芯片，用來(lái)預(yù)處理和接收數(shù)據(jù)。EP7211的內(nèi)核為ARM7TDMI，使用32位精簡(jiǎn)指令。發(fā)送數(shù)據(jù)的流程如圖3所示。接收較簡(jiǎn)單，只需在快中斷（FIQ）服務(wù)程序中寫入接收FIFO的讀取代碼即可。

2.2 FPGA設(shè)計(jì)

FPGA的設(shè)計(jì)中，發(fā)送及接收FIFO的設(shè)計(jì)用了雙口快內(nèi)存（Block RAM），時(shí)鐘倍頻器用了延遲鎖定環(huán)（DLL）。幀解碼器由30位并行數(shù)據(jù)產(chǎn)生器、同步字檢測(cè)陣列和接收狀態(tài)機(jī)組成。以下重點(diǎn)介紹幀編碼器和串化器的設(shè)計(jì)。

（1）幀編碼器的VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)

幀編碼器包括一個(gè)長(zhǎng)為256的計(jì)數(shù)器和一個(gè)四狀態(tài)的單熱點(diǎn)狀態(tài)機(jī)，用以產(chǎn)生同步幀和數(shù)據(jù)幀。部分代碼如下：

PROCESS（RESET，CLK） //產(chǎn)生長(zhǎng)256的計(jì)數(shù)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(tài)機(jī)進(jìn)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(tài)如有發(fā)送命令，即轉(zhuǎn)入發(fā)送狀態(tài)

ELSE SREG=PACK1； //否則，發(fā)送填充字1

WHEN PACK1=>

（后略）

（2）串化器的原理設(shè)計(jì)

串化器由多級(jí)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(gè)四位并入串出寄存器將16位并行數(shù)據(jù)拆分為四組串行數(shù)據(jù)，其中的奇數(shù)位和偶數(shù)位分別通過(guò)一個(gè)雙數(shù)據(jù)速率寄存器，得到兩個(gè)差分信號(hào)，同時(shí)用另一個(gè)雙數(shù)據(jù)速率寄存器產(chǎn)生與之同步的差分時(shí)鐘。其中，雙數(shù)據(jù)速率寄存器為時(shí)序敏感器件，其內(nèi)部主要部分都加入了時(shí)序特性限制，如最大時(shí)滯（maxdelay）、最大抖動(dòng)（maxskew），并用FMAP控件強(qiáng)制性地把相關(guān)信號(hào)放入同一個(gè)函數(shù)產(chǎn)生器中。

圖4 串化器原理圖

3 硬件設(shè)計(jì)要點(diǎn)

①BLVDS信號(hào)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(guān)重要，要求至少使用四層板。

②為使干擾信號(hào)只以供模方式加到差分線對(duì)上（不影響數(shù)據(jù)正確性），要求差分線對(duì)間的距離盡可能小。BLVDS標(biāo)準(zhǔn)要求差分阻抗為100Ω，由公式：

給出。其中，ZDIF為差分線對(duì)的差分阻抗，εR為印制板介電常數(shù)，δ為信號(hào)層到電源層的厚度，b為導(dǎo)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(hào)反射和導(dǎo)線的電導(dǎo)效應(yīng)，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(gè)差分引腳串聯(lián)一個(gè)20Ω的貼片電阻。

④電源方面：Virtex芯片上電時(shí)要求有大于500mA的驅(qū)動(dòng)電流，同時(shí)，由于多個(gè)輸出引腳的電位快速變化，要求每對(duì)電源和地引腳都要良好旁路。

4 結(jié)論

當(dāng)使用40MHz的外部時(shí)鐘時(shí)，BLVDS總線上的傳輸速率為120Mb/s，成功實(shí)現(xiàn)了多個(gè)通信子卡間的高速數(shù)據(jù)通信?，F(xiàn)在，我們正將該通信系統(tǒng)移植到我單位與勝利油田聯(lián)合研制的SL-6000型高分辨率綜合測(cè)井系統(tǒng)上。