一种基于LVDS的高速串行数据传输系统设计

引言

    在某型雷达信号处理系统中，要求由上位机(普通PC)实时监控雷达系统状态并采集信号处理机的关键变量，这就要求在处理机与上位机之间建立实时可靠的连接。同时，上位机也能对信号处理板进行控制，完成诸如处理机复位、DSP程序动态加载等功能。实验中，处理机和上位机之间的数据传输距离不小于8m。在这种前提下，计算机上现有的串口、并口显然不能满足要求，而USB2．0接口工作在高速模式时传输距离只有3m，其它诸如以太网传输的实时性难于满足要求，光纤通道传输的构建成本又太高。基于此，本文提出了一种采用LVDS高速串行总线技术的传输方案。

数据传输系统方案

    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。

    整个数据传输系统框图如图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。

数据传输系统框图

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。

并

    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]输出比特序列11110000，用于供接收端同步。

    如图2所示，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。

    LVDS信号的拓扑可以是点到点单向，点到点双向或总线型 (multi―drop)。无论哪种应用，都需要在接收端进行端接匹配。匹配阻抗值等于差分阻抗，典型值为100。匹配电阻在这里主要起到吸收负载反射信号的作用，因此，要求距离接收端尽量靠近。在本系统中，利用FPGA片内的数控阻抗(Digitally ControlLED Impedance)，直接配置FPGA内部端接阻抗值，在FPGA内部实现端接匹配。这样做不仅可以方便修改端接阻抗值大小，使端接电阻很好地匹配，而且端接电阻与接收端非常靠近。

    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，出现太多的拐弯。

    2、差分对与差分对之间应该保证10倍以上的差分对间距，减少线间串扰。必要时，在差分对之间放置隔离用的接地过孔。

    3、LVDS差分信号不可以跨平面分割。尽管两根差分信号互为回流路径，跨分割不会割断信号的回流，但因为缺少参考平面而导致阻抗的不连续。

    4、尽量避免使用层间差分信号。在PCB板的实际加工过程中，由于层叠之间的层压对准精度大大低于同层蚀刻精度，以及层压过程中的介质流失，层间差分信号不能保证差分线之间间距等于介质厚度，因此会造成层间差分对的差分阻抗变化。因此建议尽量使用同层内的差分。

    5．在设计阻抗时，尽量设计成紧耦合方式，即差分对线间距小于或等于线宽。

    此外，在LVDS传输电路设计当中应当选用适合差分信号的高速接插件，一方面，接插件的特征参数能够与LVDS信号阻抗匹配，通过接插件的信号畸变很小；另一方面，能够提供足够的布线空间，设计PCB走线宽度和间距。例如AMP公司的 Z―PACK HS3系列接插件，在电气性能方面，比较适合高速LVDS信号互连。

    本系统采用平衡电缆实现长距离传输，然而，由于LVDS特殊的阻抗匹配要求和极低的时序偏置要求，传统的电缆不能用于LVDS数据传输。试验证实双绞线电缆性能最优。短距离(大约0．5m)应用时CAT3平衡双绞线电缆效果最佳。而高于0．5m以及数据率大于500MHz时，CAT5平衡电缆效果最好。

结语

    本文实现的高速数据传输系统，已成功应用于某雷达信号处理机和上位机之间的数据传输，传输距离大于8m，单个通道数据传输速率达到264Mbps，5个数据通道传输速率总共达1．32GbpS，传输过程稳定。