簡(jiǎn)易USB與LVDS接口轉換器

　　1 引言

　　通用串行總線(xiàn)USB(Universal Serial Bus)接口以其通信速率快，USB2.0協(xié)議速率達480 Mb/s，支持熱插拔的特點(diǎn)得到廣泛應用，緩解日益增加的PC外設與有限的主板插槽和端口之間的矛盾;而低壓差分信號LVDS(Low-Voltage Differential Signaling)接口作為一種新型的高速串行。低噪聲的數據傳輸接口，廣泛應用于視頻傳輸領(lǐng)域，實(shí)現USB與LVDS接口轉換，使在只有USB接的情況下便可實(shí)現雙視頻顯示的連接，進(jìn)一步擴展兩種接口的使用范圍，從而在一定程度上解決主板插槽與端口日益匱乏的問(wèn)題。

　　2 系統概述

　　該系統設計主要由穩壓電路，USB接口，基于FPGA的協(xié)議數據轉換以及LVDS接口等部分組成，其系統設計框圖如圖1所示。該系統設計的USB接口使用高速USB物理層收發(fā)器USB3300將USB協(xié)議的差分信號轉換成8位的并行信號后，再與FPGA交互數據，從而避免FPGA直接與USB協(xié)議的物理層交互數據，簡(jiǎn)化FPGA可編程門(mén)陣列編程?；谕瑯铀枷?，系統LVDS接口部分采用SN65LV1023與SN62LV1224，將低壓差分信號轉換成 10位的并行信號再與FPGA進(jìn)行數據交互。通過(guò)專(zhuān)用轉換器USB3300，SN65LV1023，SN65LV1224使得FPGA只與并行信號和相應的控制信號連接，而不與USB協(xié)議和LVDS協(xié)議的復雜物理層信號交互，從而較為簡(jiǎn)單地實(shí)現協(xié)議數據轉換的軟件編程。

　　系統設計使用兩片USB3300，其中USB3300 A與主機PC的USB接口相連，將主機傳輸的USB協(xié)議數據轉換后，通過(guò)與FPGA的數據交互以及FPGA的協(xié)議數據轉換，轉換成10位并行信號，輸出給 SN65LV1023，最后以L(fǎng)VDS協(xié)議的低壓差分信號輸出，實(shí)現USB接口到LVDS接口的轉換。而SN65LV1224與主機的LVDS接口連接，將LVDS協(xié)議的數據轉換成10位并行輸入FPGA進(jìn)行協(xié)議數據轉換后，再將8位并行數據與USB3300_B進(jìn)行數據交互，最后以USB協(xié)議的差分信號輸出，從而實(shí)現LVDS接口到USB接口的轉換。

　　3 系統硬件設計

　　3.1 穩壓電路

　　該系統設計需要提供5 V和3.3 V的穩定電壓信號。于是穩壓電路部分使用TPS76815向系統提供5 V的電壓信號，TPS76815電路連接如圖2所示，使能麗引腳接地，為除去毛刺則在OUT端接4.7μF和0.01μF的電容濾波，使用 TPS76833提供3.3 V電壓信號。TPS76833連接電路與TP$76815類(lèi)似。

　　3.2 USB接口電路

　　因為USB協(xié)議的物理層定義過(guò)于復雜，采用FPGA現場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列與USB協(xié)議物理層交互難度太大，同時(shí)也很難滿(mǎn)足數據收發(fā)時(shí)序同步要求。所以應在與FPGA數據交互前進(jìn)行必要的數據轉換。因此，考慮使用USB控制器。而一般的 USB控制器只支持USB1.1協(xié)議，并不滿(mǎn)足高速傳輸要求.而轉換后的數據也較復雜。不利于協(xié)議數據轉換部分的編程。本系統應用SMSC公司開(kāi)發(fā)的高速 USB物理層收發(fā)器USB3300。USB3300使用低引腳計數接口(ULPI)連接ULPI兼容鏈路層。ULPI接口在鏈路層和PHY之間采用傳輸頻帶內信號和狀態(tài)字節的方法，將引腳數從UTMI+接口的54降低到12。這樣大大降低USB協(xié)議物理層與FPGA數據交互的難度，易于軟件編程。 USB3300連接電路如圖3所示，為控制數據傳輸的時(shí)序同步，采用USB3300的時(shí)鐘輸出工作方式。USB3300外接24 MHz的時(shí)鐘晶體振蕩器，經(jīng)內部鎖相環(huán)電路轉換為60 MHz信號，通過(guò)CLK輸入FPGA作為其時(shí)鐘信號，從而實(shí)現FPGA與USB3300的時(shí)鐘同步。USB接口部分與FPGA的數據交互傳輸通過(guò)雙向的8 位數據信號實(shí)現，USB3300通過(guò)DIR與NXT信號輸出控制數據信號的傳輸方向，而FPGA通過(guò)STP信號控制數據的傳輸方向USB3300的狀態(tài)。這樣便實(shí)現FPGA與USB3300的數據交互。

　　3.3 協(xié)議數據轉換部分

　　系統協(xié)議數據轉換部分中采用現場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列器件EP1C6U240C8進(jìn)行編程，主要實(shí)現的功能是將與USB3300交互的數據轉換成10位并行數據與SN65LV1023和SN65LV1224交互，同時(shí)通過(guò)STP信號控制 USB3300的數據傳輸方向和USB3300的狀態(tài)。由于USB協(xié)議本身有低功耗模式，在低功耗模式時(shí)鎖相環(huán)關(guān)閉，在硬件設計時(shí)一定要接RESET控制鍵，這樣便于軟件編程的調試。

　　3.4 LVDS接口電路

　　低壓差分信號LVDS(Low Voltage Differential Signaling)接口是一種高速數據傳輸的物理層接口，其電壓信號擺幅低，技術(shù)上能做到且產(chǎn)生極低噪聲，功耗也極低，主要用于服務(wù)器、可堆壘集線(xiàn)器、無(wú)線(xiàn)基站、3FG交換機及高分辨率顯示等。與USB協(xié)議接口類(lèi)似其物理層信號直接與FPGA進(jìn)行交互相當復雜，系統選用SN65LV1224和 SNLV1023，將FPGA與LVDS接口物理層數據交互，轉換為10位的并行信號，同時(shí)通過(guò)相關(guān)的控制信號控制數據的傳輸方向。SN65LV1023 與SN65LV1224的硬件連接電路分別如圖4和圖5所示，其中SN65LV1023實(shí)現10位并行數據轉換成LVDS的低壓差分信號，同時(shí)FPGA通過(guò)TCLK_R/F控制內部鎖相環(huán)，進(jìn)而控制SN65LV1023狀態(tài)。而SN65LV1224則將LVDS的低壓差分信號轉換成10位并行數據信號輸入 FPGA，這樣通過(guò)SN65LV1023與SN65LV1224，便在較為簡(jiǎn)單的情況下實(shí)現FPGA與LVDS接口的數據交互。

　　4 系統軟件設計

　　利用可編程邏輯門(mén)陣列FPGA轉換協(xié)議數據，由于系統使用USB3300可將USB協(xié)議物理層信號轉換成8位并行信號，而使用SN65LV 1023與SN65LV1224則將低壓差分信號LVDS轉換成10位并行信號，這樣大大簡(jiǎn)化FPGA的編程。 FPGA編程只需通過(guò)控制引腳，控制兩個(gè)并行信號的輸入輸出即可，同時(shí)可將數據的讀寫(xiě)操作模塊化，從而進(jìn)一步簡(jiǎn)化系統編程。

　　系統軟件設計流程如同6所示。由于遵循USB協(xié)議，在一段時(shí)間不進(jìn)行任何操作時(shí)則進(jìn)入低功耗模式。而USB3300也擁有這一特性。在一定時(shí)間系統不進(jìn)行任何的讀寫(xiě)操作，USB3300將進(jìn)入低功耗模式，此時(shí)USB3300會(huì )自動(dòng)關(guān)閉鎖相環(huán)時(shí)鐘輸出。

　　所以在系統啟動(dòng)后，首先判斷USB3300的狀態(tài)，如果在低功耗模式下，則控制STP信號開(kāi)啟內部時(shí)鐘，進(jìn)入到同步模式。

　　設備連接成功后，隨時(shí)判斷是否應該進(jìn)行讀寫(xiě)操作，若需要，則進(jìn)入讀寫(xiě)操作模塊，實(shí)現讀寫(xiě)操作后又開(kāi)始判斷讀寫(xiě)。等待一段時(shí)間不執行讀寫(xiě)操作后，USB3300則進(jìn)入低功耗模式，關(guān)閉鎖相環(huán)，等待下次讀寫(xiě)操作時(shí)再重新啟動(dòng)內部時(shí)鐘。

　　5 結論

　　采用專(zhuān)用轉換器USB3300，SN65LV1023，SN65LV1224分別將USB協(xié)議物理層的差分信號和LVDS的低壓差分信號轉換成并行信號，并通過(guò)FPGA編程實(shí)現協(xié)議編程的轉換。該系統設計較為簡(jiǎn)單，并且系統拓展較簡(jiǎn)單，可易于實(shí)現USB接口、LVDS接口對多種接口的轉換。

　　由于串口通信協(xié)議的物理層信號較為復雜，FPGA直接與其物理層信號進(jìn)行數據交互比較難以實(shí)現，難以做到時(shí)序同步，而采用專(zhuān)用的轉換器將串行信號轉換成并行數據信號，則大大簡(jiǎn)化邏輯門(mén)陣列編程。該系統合理使用USB3300和SN65LV1023與SN65LV1224接口器件使得邏輯門(mén)陣列的編程易于實(shí)現，也可使用其他的專(zhuān)用轉換器，實(shí)現不同接口的轉換。