基于FPGA的LVDS接口應用

摘要 介紹了LVDS技術(shù)的原理，對LVDS接口在高速數據傳輸系統中的應用做了簡(jiǎn)要的分析，著(zhù)重介紹了基于FPGA的LVDS_TX模塊的應用，并通過(guò)其在DAC系統中的應用實(shí)驗進(jìn)一步說(shuō)明了LVDS接口的優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞 LVDS；FPGA；高速數據傳輸；PLL；AD9735

介紹了基于FPGA的LVDS模塊的應用，實(shí)現了將數據通過(guò)FPGA(Ahera StratixII EP2S90)的LVDS發(fā)送模塊的傳輸，以640 Mbit·s-1數據率送至DAC電路。

1 LVDS技術(shù)簡(jiǎn)介
LVDS，即Low-Voltage Differential Signaling低壓差分信號，是由美國國家半導體公司于1994年提出的一種信號傳輸模式，在滿(mǎn)足高數據傳輸率的同時(shí)降低了功耗，運用LVDS技術(shù)可使數據速率從幾百Mbit·s-1到2 Gbit·s-1。
LVDS傳輸方式的原理是用一對線(xiàn)傳輸一個(gè)信號，一條傳輸正信號，另一條傳輸相反電平并且在接收端相減，可以將走線(xiàn)上的共模噪聲消除。因為兩根信號的極性相反，所以對外輻射的電磁場(chǎng)可以相互抵消，耦合越緊密，互相抵消的磁力線(xiàn)越多，泄露到外界的電磁能量就越少。
LVDS接口也稱(chēng)RS-644總線(xiàn)接口，運用LVDS傳輸技術(shù)，采用極低的電壓擺幅高速差動(dòng)傳輸數據，具有低功耗、低誤碼率、低串擾和低輻射等特點(diǎn)，可使用銅質(zhì)PCB連線(xiàn)傳輸或平衡電纜。LVDS在對信號完整性、低抖動(dòng)及共模特性要求較高的系統中的應用越來(lái)越廣泛。目前LVDS技術(shù)規范有兩個(gè)標準：一個(gè)是TIA／EIA的ANSI／TIA／EIA-644標準；另一個(gè)是IEEE1596．3標準。

2 基于FPGA的LVDS接口發(fā)送模塊
采用Stratix II系列的EP2S90F1020C3FPGA，其支持高速LVDS接口，在Quartus II軟件中可以調用其宏功能模塊Altlvds_tx，即LVDS接口發(fā)送模塊。此模塊將以并行方式輸入的TTL電平數據信號轉換成串行的LVDS信號輸出。
2．1 Altlvds_tx發(fā)送模式

將LVDS模塊設置為發(fā)送模式，即將左端輸入的并行tx_in信號轉化為串行的tx_out信號輸出，并且設置通道數和串行化因子，在這里，通道數即為輸出數據的位數，而串行化因子表示將輸入數據分幾次輸出。例如輸入為96位的并行數據，設置為24 channels×4，表示輸出串行的24位數據，分4次輸出，若輸入數據時(shí)鐘為160 MHz，則輸出的數據率為4倍，即640 Mbit·s-1，并且可以輸出640 MHz的數據時(shí)鐘。在綜合設置頁(yè)面中，沒(méi)有選中“Implement Serializer／Deserializer Circuitry In Logic Cells”，就表示用到了LVDS Serdes硬核。圖2所示數據率為640Mbit·s-1，輸出時(shí)鐘為640MHz。

需要注意的是，Altlvds發(fā)送模塊在對數據進(jìn)行并轉串輸出時(shí)，會(huì )對輸入數據的順序進(jìn)行重新排列，例如：輸入8位并行數據，設置2 channels×4，則輸入數據分為2組即2個(gè)通道，每組4 bit，如圖3所示。

從圖3可以看出，8位輸人數據分為2個(gè)通道，每個(gè)通道4 bit，輸出數據時(shí)，第一個(gè)輸出的2 bit數為第一個(gè)通道的最高位和第二個(gè)通道的最高位分別作輸出的高位和低位，第二個(gè)輸出的數為第一個(gè)通道的次高位和第二個(gè)通道的次高位組合，以此類(lèi)推。
當設置的串行化因子為2時(shí)，Altivds_tx模塊會(huì )自動(dòng)變成DDR工作模式。