LVDS技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)及基于FPGA實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引言

現(xiàn)在，各種系列的傳輸設(shè)備或傳輸系統(tǒng)均使用價(jià)格便宜、取材方便的雙絞線。來(lái)傳輸高質(zhì)量的視頻信號(hào)、音頻信號(hào)和控制數(shù)據(jù)。且其傳輸距離可選。雖然使用品牌系列雙絞線所組成的傳輸系統(tǒng)具有獨(dú)特亮度／色度處理、多級(jí)瞬態(tài)沖擊保護(hù)及超強(qiáng)的干擾抑制能力，但在數(shù)據(jù)高速傳輸中，其高可靠性技術(shù)指標(biāo)卻并不能符合要求，其所面臨的問(wèn)題是如何應(yīng)用先進(jìn)的技術(shù)來(lái)保證數(shù)據(jù)在雙絞線纜中的高速傳輸。而將低電壓差分信號(hào)（LVDS）串行器一解串器用于雙絞線電纜數(shù)據(jù)高速傳輸系統(tǒng)不失為一種新技術(shù)，MAXIM公司的MAX9205／MAX9206正是利用這種技術(shù)完成了高頻信號(hào)的遠(yuǎn)端傳輸。

1、 LVDS技術(shù)及其優(yōu)勢(shì)

LVDS接口又稱RS-644總線接口，是20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的一種數(shù)據(jù)傳輸和接口技術(shù)。LVDS是一種小振幅差分信號(hào)技術(shù)，使用非常低的幅度信號(hào)（約350 mV），它通過(guò)一對(duì)差分PCB走線或平衡電纜來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。其單個(gè)信道傳輸速率可達(dá)到每秒數(shù)百兆比特。其特有的低振幅及恒流源驅(qū)動(dòng)方式只產(chǎn)生極低的噪聲，且其功耗非常小。其傳輸介質(zhì)可以是銅質(zhì)的PCB連線，也可以是平衡電纜。

LVDS技術(shù)和其它接口相比。有著很大的優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)在下面幾個(gè)方面：

（1）高速率

由于LVDS邏輯狀態(tài)間的電壓變化僅為300mV，因而能非?？斓馗淖儬顟B(tài)，從而實(shí)現(xiàn)高速率。

（2）低功耗

隨著工作頻率的增加，LVDS的電源電流仍保持平坦，而CMOS和TTL技術(shù)的電源電流則會(huì)隨頻率增加而指數(shù)上升，這得益于使用恒流線路驅(qū)動(dòng)器。LVDS的電流源可把輸出電流限制到約3．5mA，同時(shí)也能限制跳變期間產(chǎn)生的任何尖峰電流。這樣，在得到高達(dá)1．5 Gbps的高數(shù)據(jù)率的同時(shí)卻不明顯增加功耗。恒流驅(qū)動(dòng)輸出還能容忍傳輸線的短路或接地而不會(huì)產(chǎn)生熱問(wèn)題。由于LVDS降低了終端電阻壓降，因此也降低了電路的總功耗。

（3）噪聲性能好

LVDS產(chǎn)生的電磁干擾很低，這是因?yàn)椴捎昧说碗妷簲[幅、低邊沿速率、奇模式差分信號(hào)、恒流驅(qū)動(dòng)器的原因。其Icc尖峰只產(chǎn)生很低的輻射。通過(guò)減小電壓擺幅和電流能量，LVDS可把場(chǎng)強(qiáng)減到了最小；其差分驅(qū)動(dòng)器還引入了奇模式傳輸，即等量方向相反的電流分別在傳輸線上傳輸。以形成電流環(huán)路。從而使電流回路產(chǎn)生最低的電磁干擾；在差分信號(hào)的傳輸中，由于差分接收器只響應(yīng)正負(fù)輸入之差，因此當(dāng)噪聲同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)輸入中時(shí)，其差分信號(hào)的幅度并不受影響。

（4）具有故障安全（fail-safe）特性

由于恒流式驅(qū)動(dòng)不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成任何損害，所以，LVDS驅(qū)動(dòng)器可以帶電插拔。LVDS的另一特點(diǎn)是接收器的故障保護(hù)功能，LVDS接收器在內(nèi)部提供了可靠性線路。故可保證在接收器輸入懸空、短路以及接收器輸入處于驅(qū)動(dòng)器三態(tài)輸出或驅(qū)動(dòng)器供電終止等情況下的可靠輸出（約定為“1”），從而防止輸出產(chǎn)生振蕩。

（5）集成能力強(qiáng)

由于可在標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝中實(shí)現(xiàn)高速LVDS，故采用LVDS模擬電路集成復(fù)雜的數(shù)字功能是非常有利的。

基于LVDS技術(shù)的眾多優(yōu)點(diǎn)。面向LVDS的電路模塊越來(lái)越多。本文的LVDS串行器／解串器MAX9205／MAX9206就是其中最典型的一對(duì)器件。

2 、MAX9205和MAX9206概述

MAX9205和MAX9206是美信公司推出的一組差分信號(hào)芯片組。其中MAX9205可將1O位并行COM數(shù)據(jù)或TTL數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成具有內(nèi)嵌時(shí)鐘的高速串行數(shù)據(jù)流；MAX9206則是可接收該串行數(shù)據(jù)流并將它們轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)的解串器。同時(shí)又可以重建并行時(shí)鐘。該器件組進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換采用的是內(nèi)嵌時(shí)鐘，這樣就可有效的解決由于時(shí)鐘與數(shù)據(jù)的不嚴(yán)格同步而制約高速傳輸?shù)钠款i問(wèn)題。MAX9205／MAX9206的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及應(yīng)用方法如圖1所示。

2．1 MAX9205和MAX9206的工作原理

MAX9205 LVDS串行器和MAX9206 LVDS解串器能夠通過(guò)差分特性阻抗為100 Ω的串行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路來(lái)傳輸高速數(shù)據(jù)。MAX9205和MAX9206的并行時(shí)鐘頻率范圍為16～40 MHz。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的時(shí)候，串行器元件內(nèi)部將自動(dòng)加上兩個(gè)數(shù)據(jù)位，即在并行送入的10位數(shù)據(jù)中加上一個(gè)起始位（1）和一個(gè)終止位（0），這樣，串行器輸出就形成了一個(gè)12位的串行數(shù)據(jù)流，而解串器在接收數(shù)據(jù)的同時(shí)，則根據(jù)接收數(shù)據(jù)終止位和起始位之間的上升沿來(lái)恢復(fù)并行時(shí)鐘頻率。

2．2 MAX9205／MAX9206的工作模式

MAX9205和MAX9206具有初始化、同步模式、數(shù)據(jù)傳輸模式和節(jié)電模式這四種工作狀態(tài)．現(xiàn)分別介紹如下：

（1）初始化

上電后，各個(gè)管腳的輸出為高阻狀態(tài)．之后啟動(dòng)鎖相環(huán)工作并跟隨本地時(shí)鐘，一旦鎖存時(shí)鐘信號(hào)后，就可以準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)。

（2）同步模式

MAX9205具有兩個(gè)同步模式選擇位SYNC1和SYNC2，初始化之后就可以根據(jù)這兩位的狀態(tài)來(lái)決定芯片是進(jìn)行同步模式還是數(shù)據(jù)傳輸模式。當(dāng)兩者之中有一個(gè)管腳持續(xù)6個(gè)周期的高狀態(tài)后．芯片就會(huì)傳輸1024個(gè)周期的同步信號(hào)。同步信號(hào)是由6個(gè)連續(xù)的0和6個(gè)連續(xù)的1組成的串行數(shù)據(jù)流。

（3）數(shù)據(jù)傳輸模式

初始化完成后，若同步管腳都為0。則進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。此時(shí)串行器用TCLK端選通輸入數(shù)據(jù)并存入10位輸入鎖存器。發(fā)送時(shí)從中取出數(shù)據(jù)，再加上作為內(nèi)嵌時(shí)鐘的起始位（1）和終止位（0）各一位，將總共12位數(shù)據(jù)順序發(fā)送至串行差分端口，然后由解串器將接收到的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為10位并行數(shù)據(jù)并存入輸出鎖存器，同時(shí)從內(nèi)嵌時(shí)鐘中恢復(fù)并重建并行時(shí)鐘，并以此時(shí)鐘來(lái)選通輸出鎖存器及輸出數(shù)據(jù)。

（4）節(jié)電模式

串行器和解串器均可以工作在節(jié)電模式。當(dāng)沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，可以通過(guò)設(shè)置管腳pwden將芯片置于節(jié)電模式。這時(shí)鎖相環(huán)停止工作，輸出為三態(tài)，電流也降低到幾個(gè)毫安。

3 、遠(yuǎn)端高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

在高速遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)傳輸中，信號(hào)的傳輸質(zhì)量是整個(gè)系統(tǒng)功效的一個(gè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，由于高頻率信號(hào)的變換較快，加上外部噪聲和傳輸線路的衰減以及器件本身的限制等影響，高速數(shù)據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一直是工程上的一個(gè)難題。綜合考慮這些因素，本系統(tǒng)采用串行器／解串器的方法來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸設(shè)計(jì)。

3．1 系統(tǒng)工作流程

本設(shè)計(jì)是一個(gè)遠(yuǎn)端顯示的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，要求將接收并處理過(guò)的數(shù)據(jù)在遠(yuǎn)端顯示出來(lái)。其具體過(guò)程是使發(fā)射系統(tǒng)每3 600μs發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)外部信號(hào)進(jìn)行A／D采樣．再送入DSP中進(jìn)行信號(hào)處理以得到信號(hào)的某些特征。然后由DSP將處理過(guò)的信息發(fā)送給FPGA．這些處理過(guò)的數(shù)據(jù)是6000個(gè)八位的視頻數(shù)據(jù)，速率為2MB／s。FPGA先將接收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在雙口RAM中。然后從雙口RAM中將數(shù)據(jù)送入串行器。并通過(guò)串行器將信號(hào)發(fā)送給傳輸線，遠(yuǎn)端的接收系統(tǒng)再通過(guò)解串器進(jìn)行一個(gè)反過(guò)程以將信號(hào)恢復(fù)為八位并行數(shù)據(jù)，最后送給顯示系統(tǒng)。其總體流程如圖2所示。

3．2 數(shù)據(jù)發(fā)送及接收的實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)的采集及處理主要是根據(jù)具體的系統(tǒng)要求來(lái)獲取信號(hào)的某些特征。這里著重介紹了信號(hào)的發(fā)送和接收部分以及其中用到的LVDS技術(shù)。

傳統(tǒng)的高速信號(hào)送入雙絞線路進(jìn)行遠(yuǎn)端傳輸?shù)闹饕抢密浖椒▽⒉⑿行盘?hào)轉(zhuǎn)換為串行信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)差分芯片將這種單路信號(hào)轉(zhuǎn)換為兩路信號(hào)，再送入雙絞線路進(jìn)行傳輸，最后在接收端將接收到的信號(hào)采用軟件將串行轉(zhuǎn)換為并行。這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，軟件設(shè)計(jì)也較為容易。但是，這種方法存在數(shù)據(jù)和時(shí)鐘的同步問(wèn)題，即在接收端很難提取到時(shí)鐘信號(hào)。從而會(huì)導(dǎo)致傳輸?shù)氖?。基于此，設(shè)計(jì)時(shí)可選擇串行器解串器的方法，即采用元件的內(nèi)嵌時(shí)鐘來(lái)自動(dòng)恢復(fù)。實(shí)踐證明：這種方法的確能夠很好的恢復(fù)發(fā)送端的信號(hào)。發(fā)送過(guò)程和接收過(guò)程的流程圖如圖3所示。

目前串行器解串器產(chǎn)品發(fā)展十分迅速．有些產(chǎn)品已經(jīng)突破700 Mbps的傳輸速率。因此，對(duì)于更高傳輸要求的系統(tǒng)設(shè)計(jì)．這種方法不失為一種很好的解決方案。

3．3 設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題

由于MAX9205／MAX9206工作頻率較高，可以實(shí)現(xiàn)160～400 Mbps的數(shù)據(jù)傳輸率，因此。其應(yīng)用要求也比較嚴(yán)格。下面是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用過(guò)程中需要注意的問(wèn)題：

（1）由于串行器和解串器都存在兩種電平信號(hào)（TTL乘LVDS），所以在電路板設(shè)計(jì)過(guò)程中，推薦將這兩種電平信號(hào)放置在不同的層面進(jìn)行走線，并在中間用電源層或地層隔開(kāi)，以防兩種電平信號(hào)之間出現(xiàn)干擾。

（2）由于信號(hào)的頻率較高，所以LVDS信號(hào)走線要盡量短，并且兩路差分信號(hào)走線距離要盡量相等，以防兩路信號(hào)存在相位差異。減小信號(hào)的傳輸誤差。

（3）系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)要求比較嚴(yán)格，MAX9205要求時(shí)鐘的抖動(dòng)最大為150 ps，時(shí)鐘轉(zhuǎn)換時(shí)間最大為6 ns，因此，在器件的選擇以及時(shí)鐘線的走線上要謹(jǐn)慎處理。盡量保證時(shí)鐘信號(hào)的質(zhì)量。

（4）串行器和解串器的應(yīng)用有嚴(yán)格要求，阻抗匹配問(wèn)題也要注意，以保證接收端能夠接收到正確的信號(hào)。

（5）雙絞線傳輸媒介的平衡性也是決定信號(hào)質(zhì)量的一個(gè)重要因素。

4 、結(jié)束語(yǔ)

LVDS技術(shù)是一種低擺幅的電壓差分信號(hào)，由于其抗噪聲能力較強(qiáng)、功耗較低，目前LVDS技術(shù)能在廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域里解決高速數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題。近年來(lái)，隨著體系結(jié)構(gòu)技術(shù)和半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，IC芯片上的時(shí)鐘頻率提高很快。但這也對(duì)芯片、電路底版、機(jī)箱以及機(jī)柜之間的互連速度提出了更迫切的要求?，F(xiàn)代高性能微處理器的速度已經(jīng)突破了1 GHz，芯片間的傳輸速率也達(dá)到了幾百兆赫茲。但是，常規(guī)的CMOS和TTL由于自身的電路特性和信號(hào)特點(diǎn)。很難在芯片外進(jìn)行200 MHz以上的信號(hào)傳輸。因此，大多數(shù)的微處理器的外部工作頻率都降低到內(nèi)部的一半，甚至更低。這就大大限制了微處理器高速性能的發(fā)揮。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，LVDS技術(shù)也可作為一個(gè)有效的解決方法。因此，LVDS技術(shù)必將具有廣泛的應(yīng)用前景。基于LVDS技術(shù)電路的模塊也必將得到更廣泛的應(yīng)用。

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