1、第 1 页 共 50 页远程数据传输中并行转串行 LVDS 接口设计摘 要随着信息技术的发展，数据的传输量越来越大，数据的传输速度也要求越来越快。普通并行 I/O 接口电路由于受到自身电路结构和传输线的限制，已经不能满足不断发展的高速微处理器、多媒体、光传输连接、智能路由器以及网络技术的数据带宽要求。而且，随着数据传输速度的提高，怎样保持低功耗也成为人们关注的一个焦点。为此，迫切需要寻求新的 I/O 接口电路来解决当今所面临的严重问题。LVDS（低压差分信号）是一种小振幅差分信号技术。作为一个高速信号传输的接口标准，LVDS 具有高速度、低功耗、低噪声、低成本等优点，在广泛的领域里解决了高速数
2、据传输的瓶颈问题。LVDS 高速接口是当前 CMOS 电路设计中的重要研究课题，本文就设计一种高速的 HVDS 高速接口电路。它采用 FPGA（XILINX 公司的 XC2S50E）作为系统的控制芯片，实现对 LVDS 串化器（DS92LV1023）的控制。XC2S50E 首先接收 8 位数据信号并缓冲变换成 10 位并行数据；DS92LV1023 串化器在 XC2S50E的控制下接收 10 位并行信号，并将其转换为串行信号。由于本设计要实现的是长线传输,要求传输距离达到 50m 以上,而差分串行信号在传输过程中会出现衰减 ,因此在信号发送端使用 CLC001 驱动器对信号进行加强后，才可发送
3、出去，最后在终端采用 RJ45 接口作为中继接口，实现数据的中继接收。本论文详细叙述对并转串 LVDS 的整个硬件电路的设计，包括 LVDS 原理、FPGA 的介绍及各种硬件电路的制图。并且给出 FPGA 的倍频、分频、8/10 位数据变换仿真程序，并得出时序波形图。仿真表明设计实现的硬件电路及软件程序运行情况良好，实现了预定的功能需求。关键词：LVDS，FPGA，并串转换，缓冲， LVDS 驱动第 2 页 共 50 页The Design of Parallel to SerialLVDS Interface in Remote Data TransmissionAbstractWith t
4、he development of information technology，more and more data traffic quantity expands and the speed of data transmission is required more and more quicklyThe common parallel I/O interface circuit，because of its own transmission line and circuit structures restrictions，can no longer meet the continuou
5、s development of high speed microprocessors，multimedia，optical transmission connection，smart routers，and the data bandwidth of network technology requirementsMoreover, with the improvement of data transmission speed，how to maintain low power consumption has become a focus of attentionIn this case，we
6、 urgently need to find new I/O interface circuit to solve these serious problems LVDS (Low Voltage Differential Signaling) is an international common interface standard that is applied for high speed signal transceiver. It solves bottleneck problems in extensive application fields thanks for its adv
7、antages of high speed, low power, lower noise and cost saving.Nowadays the high-speed LVDS interface is a very important research subject in circuit design. In this paper, we design a high speed LVDS interface circuit. It uses FPGA (XC2S50E of the XILINX company) as a system control chip to realize
8、the control LVDS serializer (DS92LV1023). The first XC2S50E receive 8-bit data signal, after buffer to convert it into a 10-bit parallel data. The DS92LV1023 serializer receives the 10-bit parallel data behind the control of XC2S50E, and converts the parallel signal to serial signal. Because of this
9、 design is to achieve long-term transmission, the transmission distance must be up to 50m, but the differential serial signals occur attenuation during the transmission. Therefore the transmitter must use CLC001 driver to strengthen the signal only before sending out to the final RJ45 interfaces tha
10、t is a terminal used as a relay interface for data reception.This paper describes serialize LVDS circuit on the entire hardware design in detail, including the principle of LVDS and FPGA, drawing of various kinds hardware circuit. And give FPGA multiplier, divider, 8 / 10 bit data transformation emu
11、lator program, and give 第 3 页 共 50 页timing waveforms.Simulation results show that the hardware circuit design and software implementation run well and achieve the intended functional requirements.Keywords: LVDS, FPGA, serialize，buffer, voltage reference，LVDS driver1 绪 论1.1 研究背景和意义随着信息技术的发展，数据的传输量越来越
12、大，数据的传输速度也要求越来越快。普通并行 I/O 接口电路由于受到自身电路结构和传输线的限制，已经不能满足不断发展的高速微处理器、多媒体、光传输连接、智能路由器以及网络技术的数据带宽要求。而且，随着数据传输速度的提高，怎样保持低功耗也成为人们关注的一个焦点。为此，迫切需要寻求新的 I/O 接口电路来解决当今所面临的严重问题。基于串行接口技术的低压差分信号传输技术(LVDS：Low Voltage Differential Signaling)便是解决当今普通并行 I/O 接口问题的一种新技术，它采用数据串行化差分信号传输方式，可以有效地降低噪声和低电磁干扰，还具有低功耗、低噪声、低成本等优点
13、。随着 3G 技术的迅猛发展，LVDS 接口电路作为一种具有诸多优势的接口技术，逐渐成为人们的研究重点。由于能够降低互连总线的条数、降低复杂度、减小功耗、降低成本，能使系统可靠性提高，被应用于总线互联中。而作为 3G 技术融合的核心接口电路，其技术和产品基本上都被国外公司所垄断，从而国家每年都要花费大量的经费来购买，同时也不利于国家的信息安全 1。在测试测量领域，系统与系统之间，系统模块间需要传输大量数据。总线是服务于系统的一个很重要的组成部分，它作为系统间通信的桥梁，对提高系统性能起着至关重要的作用，为系统之间的数据传输提供了有效保证。现在， 各种系列的传输设备或传输系统均使用价格便宜、取材
14、方便的双绞线, 来传输高质量的视频信号、音频信号和控制数据, 且其传输距离可选。虽然使用品牌系列双绞线所组成的传输系统具有独特亮度/色度处理、多级瞬态冲击保护及超强的干扰抑制第 4 页 共 50 页能力, 但在数据高速传输中 其高可靠性技术指标却并不能符合要求， 其所面临的问题是如何应用先进的技术来保证数据在双绞线缆中的高速传输。而将低电压差分信号(LVDS) 串行器-解串器用于双绞线电缆数据高速传输系统不失为一种新技术，很多公司的芯片正是利用这种技术完成了高频信号的远端传输。1.2 国内外研究现状1.2.1 国外研究现状从上世纪九十年代以来，国外的各大公司已开始关注着接口电路研究与发展，相继
15、推出了许多相关产品，主要体现在三个方面：1)垄断性强、产品丰富。LVDS产品都被国外大公司，如 MAXIM、Intersil、Micrel、Agilent、TI 等占有，涵盖整个接口电路，频率从几十兆到几吉，能够完全满足用户要求。2)性能高。如2.5Gbps 的 LVDS 串化器和解串器，在 018um 的工艺下，面积为1230um248um，功耗为 200mW。3)数据传输速度快。现在 LVDS 接口电路数据转换速度已经达到了十几吉，还在不断的增长，针对通讯技术发展及 3C 融合的加快，国外公司加大了在该领域的投入，领先优势不断扩大。1.2.2 国内研究现状从银河巨型机的高速互连传输使用 L
16、VDS 技术可以看出，中国电路设计工程师已经开始重视 LVDS 技术。但国内几乎没有自主设计的 LVDS 核心电路和芯片，使用的基本上都是国外厂商提供的成品。即使有，都仅仅研究领域集中在数据率为 2Gbps 以下的产品，对于 2Gbps 以上数据率产品，没有推出。在高校中，陆续在 LVDS 高速接口电路上进行了许多理论研究，而且提出了一些接口电路设计方案，但仅停留在 2Gbps 以下的研究，未见其相关产品的出现 4。我国在高速接口电路的研究和产品开发方面已经远远落后于国外。接口芯片作为总线互连的核心电路应用越来越广泛，必须加大投入，提升研究实力，才能缩小 IC 行业差距。1.3 几种常用的总线
17、传输模式常见的总线传输模式有 RS-232、RS-422 、RS485、CAN、PCI、USB 和 SMbus等。（1）RS-232 串行总线第 5 页 共 50 页RS-232-C是美国电子工业协会 EIA（Electronic Industry Association）制定的一种串行物理接口标准。RS 是英文“推荐标准”的缩写， 232为标识号，C 表示修改次数。RS-232-C 总线标准设有 25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道，在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。RS-232-C标准规定的数据传输速率为每秒50
18、、75、 100、150、300 、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。RS-232-C标准规定，驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用150pF/m 的通信电缆时，最大通信距离为 15m；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是RS-232 属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20m 以内的通信 3。（2）RS-422 标准RS-422 标准全称是 “平衡电压数字接口电路的电气特性” ，它定义了接口电路的特性。实际上还有一根信号地线，共 5 根线。由于接收器采用高输入阻抗和发送驱
19、动器比 RS232 更强的驱动能力，故允许在相同传输线上连接多个接收节点，最多可接 10 个节点。即一个主设备（Master ） ，其余为从设备（ Salve） ，从设备之间不能通信，所以 RS-422 支持点对多的双向通信。接收器输入阻抗为 4k，故发端最大负载能力是 104k+100（终接电阻） 。RS-422 四线接口由于采用单独的发送和接收通道，因此不必控制数据方向，各装置之间任何必须的信号交换均可以按软件方式（XON/XOFF 握手）或硬件方式（一对单独的双绞线） 。RS-422 的最大传输距离为 4000 英尺（约 1219 米） ，最大传输速率为 10Mb/s。其平衡双绞线的长度
20、与传输速率成反比，在 100kb/s 速率以下，才可能达到最大传输距离。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般 100 米长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为 1Mb/s。RS-422 需要一终接电阻，要求其阻值约等于传输电缆的特性阻抗。在矩距离传输时可不需终接电阻，即一般在 300 米以下不需终接电阻。终接电阻接在传输电缆的最远端。RS-422 是差模传输，抗干扰能力强，能传1200 米 RS232 最多传输 15 米 7。（3）RS-485 串行总线在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用 RS-485 串行总线标准。RS-485 采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能
21、力。加上总线收发器第 6 页 共 50 页具有高灵敏度，能检测低至 200mV 的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。 RS-485 采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。RS-485 用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用 RS-485 可以联网构成分布式系统，其允许最多并联 32 台驱动器和 32台接收器。（4）CAN 总线CAN 是 Controller Area Network 的缩写（以下称为 CAN） ，是 ISO 国际标准化的串行通信协议。在当前的汽车产业中，出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求，各种各样
22、的电子控制系统被开发了出来。由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同，由多条总线构成的情况很多，线束的数量也随之增加。为适应“减少线束的数量” 、 “通过多个 LAN，进行大量数据的高速通信” 的需要，1986 年德国电气商博世公司开发出面向汽车的 CAN 通信协议。此后，CAN 通过 ISO11898 及 ISO11519 进行了标准化，现在在欧洲已是汽车网络的标准协议 9。 现在，CAN 的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。CAN 属于现场总线的范畴,它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。它的出现为分布式控制
23、系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。通信速率可达 1MBPS。（5）PCI 总线PCI 是由 Intel 公司 1991 年推出的一种局部总线。从结构上看，PCI 是在 CPU和原来的系统总线之间插入的一级总线，具体由一个桥接电路实现对这一层的管理，并实现上下之间的接口以协调数据的传送。管理器提供了信号缓冲，使之能支持 10 种外设，并能在高时钟频率下保持高性能，它为显卡，声卡，网卡，MODEM 等设备提供了连接接口，它的工作频率为 33MHz/66MHz。它的性能特点：1）支持 10 台外设；2）总线时钟频
24、率 33.3MHz/66MHz；3）最大数据传输速率 133MB/s；4）时钟同步方式； 5）与 CPU 及时钟频率无关；6）总线宽度 32 位（5V）/64 位（3.3V） ；7）能自动识别外设 10。 PCI （Peripheral Component Interconnect）总线是一种高性能局部总线，是为第 7 页 共 50 页了满足外设间以及外设与主机间高速数据传输而提出来的。在数字图形、图像和语音处理，以及高速实时数据采集与处理等对数据传输率要求较高的应用中，采用 PCI 总线来进行数据传输，可以解决原有的标准总线数据传输率低带来的瓶颈问题。（6）USB 通用串行总线USB（uni
25、versal serial bus）为通用串行总线，USB 接口位于 PS/2 接口和串并口之间，允许外设在开机状态下热插拔，最多可串接下来 127 个外设，传输速率可达 480MB/S，P 它可以向低压设备提供 5 伏电源，同时可以减少 PC 机 I/O 接口数量。 通用串行总线 USB（universal serial bus）是由 Intel、 Compaq、Digital 、IBM 、Microsoft、NEC、Northern Telecom 等 7 家世界著名的计算机和通信公司共同推出的一种新型接口标准。它基于通用连接技术，实现外设的简单快速连接，达到方便用户、降低成本、扩展 PC
26、 连接外设范围的目的。它可以为外设提供电源，而不像普通的使用串、并口的设备需要单独的供电系统。另外，快速是 USB 技术的突出特点之一，USB 的最高传输率可达 12Mbps 比串口快 100 倍，比并口快近 10 倍，而且 USB 还能支持多媒体 11。（7）SMbus 串行总线SMBus 是一种二线制串行总线，1996 年第一版规范开始商用。它大部分基于I2C 总线规范。和 I2C 一样，SMBus 不需增加额外引脚，创建该总线主要是为了增加新的功能特性，但只工作在 100kHz 且专门面向智能电池管理应用。它工作在主/ 从模式：主器件提供时钟，在其发起一次传输时提供一个起始位，在其终止一
27、次传输时提供一个停止位；从器件拥有一个唯一的 7 或 10 位从器件地址。 SMBus 与 I2C 总线之间在时序特性上存在一些差别。首先，SMBus 需要一定数据保持时间，而 I2C 总线则是从内部延长数据保持时间。SMBus 具有超时功能，因此当 SCL 太低而超过 35 ms 时，从器件将复位正在进行的通信。相反，I2C 采用硬件复位。SMBus 具有一种警报响应地址(ARA)，因此当从器件产生一个中断时，它不会马上清除中断，而是一直保持到其收到一个由主器件发送的含有其地址的 ARA 为止。SMBus 只工作在从 10kHz 到最高 100kHz。最低工作频率 10kHz是由 SMBus
28、 超时功能决定的。第 8 页 共 50 页1.4 LVDS 总线简介LVDS(Low Voltage Differential Signaling)是一种低振幅差分信号技术，LVDS接口又称 RS-644 总线接口，是 20 世纪 90 年代出现的一种数据传输和接口技术，使用的信号幅度约 350mV，非常低。通过一对差分 PCB 走线或平衡电缆传输数据，具有低功耗、低辐射和高抗噪声等特点。LVDS 在对信号完整性、低抖动及共模特性要求较高的系统中得到了越来越广泛的应用 16。LVDS 最早是由美国国家半导体公司提出的一种高速信号传输电平，此后，在下列两个标准中作了定义。IEEE P1596.3
29、 标准，主要面向 Scalable Coherent Interface 定义了 LVDS 的电特性，还定义了 SCI 协议中数据包交换时的编码；ANSI/TIA/EIA.644 标准主要定义了 LVDS 的电特性，并建议了标准推荐的最高数据传输速率是 655Mbps。通常 LVDS 标准是以后者提供的为准 19。2001 年又重新修订发表了 ANSI/TIA/EIA-644 标准，标准的参数如表 1.1 所示。表 1.1 ANSI/EIA/EIA-644 标准表符号 参数 最小值 最大值 单位VOD 差模输出电压 250 400 mVVOS 输出偏移电压 1.125 1.375 VV OD
30、VOD 变化范围 50 mVV OS VOS 变化范围 50 mVIsa，I sb 输出电流 24 mVtr VOD 上升时间 0.26 1.5 nStf VOD 下降时间 0.26 1.5 nSIin 输入电流 20 AVth 阈电压 100 mVVin 输入电压 0 2.4 V采用低电压差分信号 LVDS 技术的设备电路系统可使传输速度每秒高达数百Mb。但 LVDS 只能满足短距离的数据高速传输，而不支持长距离传输。但如果加入 CLC001 高速驱动器就可实现远距离传输，构成一个高速串行总线。它具有低功耗、低误码率、低串扰、低辐射和高速的性能，因此来作为一个高速数据采集第 9 页 共 50
31、 页时串行总线来传输信号是完全满足要求。所以我们采用 LVDS 总线来传输数据。1.5 课题的内容特色课题选择 LVDS 作为数据传输的核心技术，可以使其数据传输具有低功耗、低误码率、低串扰、低辐射和高速的特点，且可以直接使用双绞线来传输，大大降低了传输的便利实用性，这些特色足以满足高速数据传输需要；整个系统采用FPGA 来控制整个系统的工作，采用 DS92LV1023 专用串化器来得到 LVDS 串行信号，大大增加了系统的可靠性和高速性，加之于 CLC001 驱动器的信号加强作用，可以数据传输更远的距离且误码率极低。同时采用光耦合器来隔离前端信号和 FPGA，使得前后端之间几乎没有干扰 12
32、。1.6 本课题研究内容和安排论文的研究目标是设计一种高速的 LVDS 链路，采用 FPGA 来实现 LVDS 芯片的控制。本论文进行了以下几方面的工作：(1)研究掌握 LVDS 的国际标准，及其发展趋势；(2)研究 LVDS 接口电路的系统架构，制定电路系统结构；(3)研究 FPGA 控制下的 LDVS 接口电路；(4)研究并串转换电路结构并配置电路；(5)研究 LVDS 驱动器电路原理和结构；(6)研究数据缓冲电路以及辅助电路原理和结构，设计电路和版图；本论文的安排如下：第一章讲述了本课题研究背景与 LVDS 研究的必要性以及常用总线介绍；第二章进行系统总体的分析，介绍高速 LVDS 接口
33、的原理和 FPGA 的原理；第三章主要介绍本设计中的所有硬件电路，包括 FPGA、LVDS、驱动器等配置电路，并作出详细的电路图；第四章详细介绍各种软件的流程，主要是基于 VHDL 的 FPGA 来实现 8 位并行数据到 10 位的转换程序，以及控制 LVDS 芯片的程序流程。第 10 页 共 50 页2 系统的总体分析与设计2.1 概 述课题要解决的主要问题：课题主要要解决高速数据传输时的多路并行数据转串行数据，并且采用LVDS 信号来传输，这样不仅可以保证高速率、低误码率和低功耗，且可以采用双线或是双绞线即可以实现传输，大大降低了实现的难度。采用 FPGA 来作为系统的控制器，以及用专用串
34、化器来实现串化，这样大大增加了数据传输的可靠性。2.2 LVDS 原理LVDS(Low Voltage Differential Signaling)是一种低振幅差分信号技术，它使用幅度非常低的信号(约 350mV)通过一对差分 PCB 走线或平衡电缆传输数据，它能以高达数千 Mbps 的速度传送串行数据。由于电压信号幅度较低，而且采用恒流源模式驱动，故只产生极低的噪声，消耗非常小的功率，甚至不论频率高低，功耗都几乎不变。此外，由于 LVDS 以差分方式传送数据，所以不易受共模噪音影响。LVDS 技术的核心是采用极低的电压摆幅高速差动传输数据，可以实现点对点或一点对多点的连接，具有低功耗、低误码率、低串扰和低辐射等特点。LVDS以其固有的低电压、低功耗和有利于高速传输等特点，越来越成为宽带高速系统设计的首选接口标准。目前，LVDS 技术在对信号完整性、低抖动及共模特性要
