基于lvds技術(shù)與fpga的高速通訊應(yīng)用研究

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1、基于LVDS技術(shù)與FPGA的高速通訊應(yīng)用研究韓黨群，唐征兵，張慶玲(西安航空技術(shù)高等?？茖W(xué)校陜西西安710077)1引言對于一些復(fù)雜的電子系統(tǒng)，單塊電路板很難實現(xiàn)整個電路的功能，往往需要多塊電路板才能實現(xiàn)祭個電路系統(tǒng)的功能，組成一個完整的電子系統(tǒng)；還有一電子系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)等原因，系統(tǒng)中的各功能模塊必須分離安裝，因此也必須使用多塊電路板來實現(xiàn)。在構(gòu)成這一類的電子系統(tǒng)時，如果各個組成部分之間有大量的數(shù)據(jù)需要傳送，則系統(tǒng)中各個部分之間的通訊問題就顯得特別重要。應(yīng)用并行差分傳送技術(shù)可以有效地解決問題，特別是對于傳輸距離較遠(yuǎn)，傳輸數(shù)據(jù)量大，傳輸實時新要求高的場合，更可以顯示出該技術(shù)的優(yōu)越性

2、，從而為解決諸如上述提到的電子系統(tǒng)設(shè)計問題提供了更好的解決辦法與途徑。2LVDS技術(shù)低壓差分傳送技術(shù)是基于低壓差分信號(LowVolt-agcDifferentialsignaling)的傳送技術(shù)，從一個電路板系統(tǒng)內(nèi)的高速信號傳送到不同電路系統(tǒng)之間的快速數(shù)據(jù)傳送都可以應(yīng)用低壓差分傳送技術(shù)來實現(xiàn)，其應(yīng)用正變得越來越重要。低壓差分信號相對于單端的傳送具有較高的噪聲抑制功能，其較低的電壓擺幅允許差分對線具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，消耗較小的功率以及產(chǎn)生更低的電磁輻射。低壓差分傳送I/O接口標(biāo)準(zhǔn)由IEEE定義在TIA/EIA-644andIEEEStd．1596．3這一技術(shù)規(guī)范內(nèi)[1]。3

3、Cyclone可編成邏輯器件及其差分接口[1]Cyclone列系是Altera公司近年來推出的基于1．5V，0．13μm全銅SRAM工藝現(xiàn)場可編程門陣列器件，其內(nèi)部具有豐富的邏輯資源，最多可提供20060LEs，提供8個全局時鐘及1-2組時鐘鎖相環(huán)，內(nèi)核采用1．5V的低電壓，I／O接口支持1．5V，2．5V，3．3V及5V的接口標(biāo)準(zhǔn)，支持低成本的串行配置器件EPCS1，EPCS4等，這些資源為系統(tǒng)的設(shè)計帶來極大的方便，再加之其低廉的價格使得該系列器件的應(yīng)用極為廣泛；除了上述的特點(diǎn)之外，Cyclone列系器件還提供了數(shù)目眾多的高速(640Mb／s)LVDSI/O接口和低速(311

4、Mb／s)LVDSI／O接口，這些豐富的LVDS接口資源為差分傳送提供了便利，與傳統(tǒng)的低壓差分傳送接口相比較采用Cyclone的FPGA更具靈活性。Altera公司提供的QuartusⅡ軟件為Cyclone器件的應(yīng)用提供了強(qiáng)大的支持[2-3]。圖1是采用Cyclone的FPGA實現(xiàn)低壓差分傳送的模型結(jié)構(gòu)框圖。該傳送在2個cyclone的FPGA芯片之間進(jìn)行，利用該可編程邏輯器件的I/O接口的LVDS驅(qū)動器把FPGA內(nèi)部邏輯信號轉(zhuǎn)換為低壓差分信號對，經(jīng)過傳輸線傳送到對方被差分接收電路接收，在發(fā)送器的輸出端接入電阻網(wǎng)絡(luò)可以削弱差分信號的幅值，防止信號產(chǎn)生振蕩，而在接收端的差分對線之

5、間并入的100Ω電阻作為終端電阻，由于差分接收器的輸入阻抗較高，因此差分對線上的電流主要通過終端電阻形成回路，從而也在接收器的輸入端形成差分接收的信號電壓。由于差分對線在傳輸過程中耦合的干擾信號大致相當(dāng)，因此在差分接收時可以被較好抑制，這也是差分傳送技術(shù)最基本的原理與出發(fā)點(diǎn)。圖2中(a)，(b)分別是LVDS差分發(fā)送與接收時的信號波形。表1是Cyclone系列器件差分接口工作的特性參數(shù)。4LVDS技術(shù)通訊的方案低壓差分傳送技術(shù)僅是一種技術(shù)手段，簡單地講這種技術(shù)手段提供了用于通信的具有較高抗干擾能力的信號傳輸形式，但是對于一個具體的通訊系統(tǒng)而言，除了需要這樣的傳輸手段以外，還必須

6、確定相應(yīng)的通信方式及通訊協(xié)議，通?？梢圆捎么型ㄐ呕虿⑿械耐ㄐ欧绞?。對于串行通信方式又有異步串行通信與同步串行通信之分，異步串行通信不需要傳送時鐘信號，但是通信的速率通常較低，難以滿足高速數(shù)據(jù)通信的需要；同步串行通訊具有較高的通信速率，但是實現(xiàn)的難度較大，通信接口及相關(guān)的協(xié)議較復(fù)雜[4-5]。并行通信方式通常具有較高的傳輸速率，且簡單易行，但是直接的簡單并行是不能進(jìn)行較長距離的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，在通常情況下單端信號并行傳輸不具有長距離傳輸?shù)囊饬x。這里把并行傳輸方式與差分傳輸相結(jié)合就可以實現(xiàn)并行的差分傳送，他既具有差分傳輸?shù)目煽啃耘c高的抗干擾能力，又具有并行傳輸?shù)母咚傩?、實時性及簡單性

7、。簡單地說并行差分傳送就是把并行傳送的單端信號轉(zhuǎn)換為差分信號進(jìn)行傳送，并由接收端的差分接收電路接收后還原為單端信號。由于單端信號轉(zhuǎn)換為差分信號后信號線的數(shù)量加倍，采用并行的差分傳送較適合解決較近距離的高速數(shù)據(jù)傳輸與設(shè)備互連，例如一幢建筑內(nèi)部的設(shè)備互連，一個大型電子系統(tǒng)內(nèi)部各不同單元之間的通信連接等。對于遠(yuǎn)距離的通信采用該方式由于線路的成本及鋪設(shè)等原因較少采用。由于并行的差分傳送需要較多的差分發(fā)送器與差分接收器，采用通用的收發(fā)器將是系統(tǒng)地規(guī)模龐大，成本上升，不易實現(xiàn)，采用Cyclone系列的可