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对LVDS高速串行数据传输系统设计浅析 　　摘要：本文提出了一种采用LVDS高速串行总线技术的传输方案。该方案既满足了长距离和高数据传输速率的要求，又降低了互连总线的复杂度和系统成本。完成了基于FPGA的LVDS高速串行传输电路设计。 　　关键词：LVDS；高速串行；传输系统；设计；数据传输系统方案 　　 　　在某型雷达信号处理系统中，由于系统要求传输距离大于8m，需采用平衡电缆。对于两端LVDS接口，可以采用ASIC和FPGA两种方式实现。由于Xilinx公司生产的Virtex-II系列FPGA直接支持LVDS电平标准，本系统采用XC2V250实现，这不仅省去了专用LVDS电平转换芯片，节省了成本，而且可以将系统中其它控制逻辑集成在单个FPGA芯片内，从而降低了PCB设计的难度，提高了系统的集成度和可靠性。另外，收发接口逻辑采用FPGA，可以在使用过程中根据需要重新配置传输方向，以动态地改变收发通道的数目，大大增强了系统的可重构能力。 　　整个数据传输系统如图1所示。由于数据传输是双向的，信号处理板和PCI板都有并／串转换发送模块和串／并转换接收模块(均在FPGA内实现)，两块板卡通过平衡电缆连接。此外，在信号处理板上，DSP处理机通过外部总线向FPGA发送缓存区内写入数据，FPGA通过DSP的主机口完成与DSP存储空间的数据交换。在PCI板上，FPGA通过PCI控制器和主机进行数据交换。系统工作原理可表述如下：DSP处理机将处理结果通过外部总线输出到FPGA缓冲存储器内，在FPGA内完成数据的并／串转换，并通过LVDS串行接口发送出去。数据通过平衡电缆传输至上位机接收卡。在上位机接收卡内，数据经串／并转换后，送至PCI接口控制电路。上位机输出数据到DSP处理板的过程则相反。由于系统要求数据传输上行数据率小于下行数据率，设计中上行数据传输通道数为1，下行数据通道数是4。在传输距离大于8m的情况下，实际单通道数据传输速率达到264Mbps。 　　LVDS并／串转换实现 　　由于FPGA是通过DSP处理机的外部总线获得数据的，其数据形式是并行的，所以发送前应将其转换为串行比特流。FPGA内实现并／串转换和串行发送功能的模块HSTX的原理框图如图2所示 　　由图2可以看出，该模块有3个输入信号。分别为时钟输入CLK、帧同步信号TFR和并行数据TCH1[7：0]。其中，CLK频率为33MHz，经过数字时钟管理器(DCM)锁相倍频后得到串行模块内部时钟CLK1X(33MHz)、CLK4XR(33×4=132MHz)和CLK4XF(33×4=132MHz)，其中CLK4XR与CLK4XF反相，与CLK1X同相。输出为三组差分信号，分别为串行数据TCH1[P：N]、串行时钟TCLK[P：N]和串行帧同步信号TFR[P：N]。输入时钟CLK信号上升沿有效，时钟上升沿时，若帧同步信号为高电平，则锁存输入数据TCH1[7：O]，延时一个时钟周期开始发送。输出的发送时钟TCLK[P：N]为132MHz，双沿有效。输出串行数据采用小终端模式，数据低位LSB在前，帧同步信号TFR[P：N]输出比特序用于供接收端同步。 　　串行发送模块主要由LOAD_GEN、OUT_DATA、OUT_FR、OUT_CLK4个模块组成。LOAD_GEN模块用来产生并／串转换时加载数据的选通脉冲。OUT_DATA模块采用移位寄存器实现数据并／串转换。而OUT_FR和OUT_CLK模块分别用来产生串行帧同步信号和串行时钟信号。这些模块均使用硬件描述语言VHDL设计完成。 　　LVDS传输电路设计 　　由于LVDS总线的传输速率达到264Mbps，对PCB布线等方面要求特别高。本文利用高速电路仿真分析工具――Mentor Graphics公司的HyperLynx，对LVDS传输电路进行了仿真设计，包含传输线阻抗设计、端接匹配、差分信号布线。同时考虑了接插件和传输电缆的选择对数据传输的影响。 　　LVDS信号的电压摆幅只有350mV，为电流驱动的差分信号工作方式，最长的传输距离可以达到10m以上。为了确保信号在传输线中传播时，不受反射信号的影响，LVDS信号要求传输线阻抗受控，差分阻抗为100。本系统应用中，利用高速电路仿真分析工具，通过合理的设置层叠厚度和介质参数，调整走线的线宽和线间距，计算出单线和差分阻抗结果，来达到阻抗控制的目的。 　　差分信号的布线是整个传输电路设计的难点。一般来说，按照阻抗设计规则进行差分信号布线，就可以确保LVDS信号质量。在实际布线当中，LVDS差分信号布线应遵循以下原则： 　　1 差分对应该尽可能地短、走直线、减少布线中的过孔数，差分对内的信号线间距必须保持一致，避免差分对布线太长，出现太多的拐