基于LVDS技術(shù)的遠端數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)

1 LVDS技術(shù)及其優(yōu)勢

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技術(shù)，使用非常低的幅度信號(約350 mV)，它通過一對差分PCB走線或平衡電纜來傳輸數(shù)據(jù)。其單個信道傳輸速率可達到每秒數(shù)百兆比特。其特有的低振幅及恒流源驅(qū)動方式只產(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，主要表現(xiàn)在下面幾個方面：

(1)高速率

由于LVDS邏輯狀態(tài)間的電壓變化僅為300mV，因而能非常快地改變狀態(tài)，從而實現(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)的電源電流則會隨頻率增加而指數(shù)上升，這得益于使用恒流線路驅(qū)動器。LVDS的電流源可把輸出電流限制到約3．5mA，同時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1．5 Gbps的高數(shù)據(jù)率的同時卻不明顯增加功耗。恒流驅(qū)動輸出還能容忍傳輸線的短路或接地而不會產(chǎn)生熱問題。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，這是因為采用了低電壓擺幅、低邊沿速率、奇模式差分信號、恒流驅(qū)動器的原因。其Icc尖峰只產(chǎn)生很低的輻射。通過減小電壓擺幅和電流能量，LVDS可把場強減到了最??；其差分驅(qū)動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；在差分信號的傳輸中，由于差分接收器只響應(yīng)正負輸入之差，因此當(dāng)噪聲同時出現(xiàn)在兩個輸入中時，其差分信號的幅度并不受影響。

(4)具有故障安全(fail-safe)特性

由于恒流式驅(qū)動不會對系統(tǒng)造成任何損害，所以，LVDS驅(qū)動器可以帶電插拔。LVDS的另一特點是接收器的故障保護功能，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)動器三態(tài)輸出或驅(qū)動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

由于可在標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝中實現(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。面向LVDS的電路模塊越來越多。本文的LVDS串行器／解串器MAX9205／MAX9206就是其中最典型的一對器件。

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。同時又可以重建并行時鐘。該器件組進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換采用的是內(nèi)嵌時鐘，這樣就可有效的解決由于時鐘與數(shù)據(jù)的不嚴格同步而制約高速傳輸?shù)钠款i問題。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解串器能夠通過差分特性阻抗為100 Ω的串行點對點鏈路來傳輸高速數(shù)據(jù)。MAX9205和MAX9206的并行時鐘頻率范圍為16～40 MHz。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的時候，串行器元件內(nèi)部將自動加上兩個數(shù)據(jù)位，即在并行送入的10位數(shù)據(jù)中加上一個起始位(1)和一個終止位(0)，這樣，串行器輸出就形成了一個12位的串行數(shù)據(jù)流，而解串器在接收數(shù)據(jù)的同時，則根據(jù)接收數(shù)據(jù)終止位和起始位之間的上升沿來恢復(fù)并行時鐘頻率。

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，各個管腳的輸出為高阻狀態(tài)．之后啟動鎖相環(huán)工作并跟隨本地時鐘，一旦鎖存時鐘信號后，就可以準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)信號。

(2)同步模式

MAX9205具有兩個同步模式選擇位SYNC1和SYNC2，初始化之后就可以根據(jù)這兩位的狀態(tài)來決定芯片是進行同步模式還是數(shù)據(jù)傳輸模式。當(dāng)兩者之中有一個管腳持續(xù)6個周期的高狀態(tài)后．芯片就會傳輸1024個周期的同步信號。同步信號是由6個連續(xù)的0和6個連續(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。則進行數(shù)據(jù)傳輸。此時串行器用TCLK端選通輸入數(shù)據(jù)并存入10位輸入鎖存器。發(fā)送時從中取出數(shù)據(jù)，再加上作為內(nèi)嵌時鐘的起始位(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，同時從內(nèi)嵌時鐘中恢復(fù)并重建并行時鐘，并以此時鐘來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)沒有數(shù)據(jù)傳輸時，可以通過設(shè)置管腳pwden將芯片置于節(jié)電模式。這時鎖相環(huán)停止工作，輸出為三態(tài)，電流也降低到幾個毫安。

3 遠端高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的實現(xiàn)

在高速遠端數(shù)據(jù)傳輸中，信號的傳輸質(zhì)量是整個系統(tǒng)功效的一個測試標(biāo)準(zhǔn)，由于高頻率信號的變換較快，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)計一直是工程上的一個難題。綜合考慮這些因素，本系統(tǒng)采用串行器／解串器的方法來進行數(shù)據(jù)的傳輸設(shè)計。

3．1 系統(tǒng)工作流程

本設(shè)計是一個遠端顯示的系統(tǒng)設(shè)計，要求將接收并處理過的數(shù)據(jù)在遠端顯示出來。其具體過程是使發(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)對外部信號進行A／D采樣．再送入DSP中進行信號處理以得到信號的某些特征。然后由DSP將處理過的信息發(fā)送給FPGA．這些處理過的數(shù)據(jù)是6000個八位的視頻數(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。并通過串行器將信號發(fā)送給傳輸線，遠端的接收系統(tǒng)再通過解串器進行一個反過程以將信號恢復(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)要求來獲取信號的某些特征。這里著重介紹了信號的發(fā)送和接收部分以及其中用到的LVDS技術(shù)。

傳統(tǒng)的高速信號送入雙絞線路進行遠端傳輸?shù)闹饕抢密浖椒▽⒉⑿行盘栟D(zhuǎn)換為串行信號，然后經(jīng)過差分芯片將這種單路信號轉(zhuǎn)換為兩路信號，再送入雙絞線路進行傳輸，最后在接收端將接收到的信號采用軟件將串行轉(zhuǎn)換為并行。這種方法結(jié)構(gòu)簡單，軟件設(shè)計也較為容易。但是，這種方法存在數(shù)據(jù)和時鐘的同步問題，即在接收端很難提取到時鐘信號。從而會導(dǎo)致傳輸?shù)氖??；诖?，設(shè)計時可選擇串行器解串器的方法，即采用元件的內(nèi)嵌時鐘來自動恢復(fù)。實踐證明：這種方法的確能夠很好的恢復(fù)發(fā)送端的信號。發(fā)送過程和接收過程的流程圖如圖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，對于更高傳輸要求的系統(tǒng)設(shè)計．這種方法不失為一種很好的解決方案。

3．3 設(shè)計中應(yīng)注意的問題

由于MAX9205／MAX9206工作頻率較高，可以實現(xiàn)160～400 Mbps的數(shù)據(jù)傳輸率，因此。其應(yīng)用要求也比較嚴格。下面是在系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用過程中需要注意的問題：

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

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

(3)系統(tǒng)的時鐘信號要求比較嚴格，MAX9205要求時鐘的抖動最大為150 ps，時鐘轉(zhuǎn)換時間最大為6 ns，因此，在器件的選擇以及時鐘線的走線上要謹慎處理。盡量保證時鐘信號的質(zhì)量。

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

(5)雙絞線傳輸媒介的平衡性也是決定信號質(zhì)量的一個重要因素。

4 結(jié)束語

LVDS技術(shù)是一種低擺幅的電壓差分信號，由于其抗噪聲能力較強、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)傳輸問題。近年來，隨著體系結(jié)構(gòu)技術(shù)和半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，IC芯片上的時鐘頻率提高很快。但這也對芯片、電路底版、機箱以及機柜之間的互連速度提出了更迫切的要求。現(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特點。很難在芯片外進行200 MHz以上的信號傳輸。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。對于這個問題，LVDS技術(shù)也可作為一個有效的解決方法。因此，LVDS技術(shù)必將具有廣泛的應(yīng)用前景?；贚VDS技術(shù)電路的模塊也必將得到更廣泛的應(yīng)用。