基于LVDS技术与FPGA的高速通讯应用研究

韩党群，唐征兵，张庆玲

1 引 言

       对于一些复杂的电子系统，单块电路板很难实现整个电路的功能，往往需要多块电路板才能实现祭个电路系统的功能，组成一个完整的电子系统；还有一 电子系统由于结构等原因，系统中的各功能模块必须分离安装，因此也必须使用多块电路板来实现。在构成这一类的电子系统时，如果各个组成部分之间有大量的数据需要传送，则系统中各个部分之间的通讯问题就显得特别重要。应用并行差分传送技术可以有效地解决问题，特别是对于传输距离较远，传输数据量大，传输实时新要求高的场合，更可以显示出该技术的优越性，从而为解决诸如上述提到的电子系统设计问题提供了更好的解决办法与途径。

2 LVDS技术

       低压差分传送技术是基于低压差分信号(Low Volt-agc Differential signaling)的传送技术，从一个电路板系统内的高速信号传送到不同电路系统之间的快速数据传送都可以应用低压差分传送技术来实现，其应用正变得越来越重要。低压差分信号相对于单端的传送具有较高的噪声抑制功能，其较低的电压摆幅允许差分对线具有较高的数据传输速率，消耗较小的功率以及产生更低的电磁辐射。低压差分传送I/O接口标准由IEEE定义在TIA/EIA-644 and IEEE Std．1596．3这一技术规范内[1]。

3 Cyclone可编成逻辑器件及其差分接口[1]

       Cyclone列系是Altera公司近年来推出的基于1．5 V，0．13μm全铜SRAM工艺现场可编程门阵列器件，其内部具有丰富的逻辑资源，多可提供20060LEs，提供8个全局时钟及1-2组时钟锁相环，内核采用1．5 V的低电压，I／O接口支持1．5 V，2．5 V，3．3 V及5 V的接口标准，支持低成本的串行配置器件EPCS1，EPCS4等，这些资源为系统的设计带来极大的方便，再加之其低廉的价格使得该系列器件的应用极为广泛；除了上述的特点之外，Cyclone列系器件还提供了数目众多的高速(640 Mb／s)LVDS I/O接口和低速(311 Mb／s)LVDS I／O接口，这些丰富的LVDS接口资源为差分传送提供了便利，与传统的低压差分传送接口相比较采用Cyclone的FPGA更具灵活性。Altera公司提供的QuartusⅡ软件为Cyclone器件的应用提供了强大的支持[2-3]。

采用Cyclone的FPGA实现低压差分传送的模型结构框图。该传送在2个cyclone的FPGA芯片之间进行，利用该可编程逻辑器件的I/O接口的LVDS驱动器把FPGA内部逻辑信号转换为低压差分信号对，经过传输线传送到对方被差分接收电路接收，在发送器的输出端接入电阻网络可以削弱差分信号的幅值，防止信号产生振荡，而在接收端的差分对线之间并入的100 Ω电阻作为终端电阻，由于差分接收器的输入阻抗较高，因此差分对线上的电流主要通过终端电阻形成回路，从而也在接收器的输入端形成差分接收的信号电压。由于差分对线在传输过程中耦合的干扰信号大致相当，因此在差分接收时可以被较好抑制，这也是差分传送技术基本的原理与出发点。 图2中(a)，(b)分别是LVDS差分发送与接收时的信号波形。
         表1是Cyclone系列器件差分接口工作的特性参数。

4 LVDS技术通讯的方案

       低压差分传送技术仅是一种技术手段，简单地讲这种技术手段提供了用于通信的具有较高抗干扰能力的信号传输形式，但是对于一个具体的通讯系统而言，除了需要这样的传输手段以外，还必须确定相应的通信方式及通讯协议，通常可以采用串行通信或并行的通信方式。对于串行通信方式又有异步串行通信与同步串行通信之分，异步串行通信不需要传送时钟信号，但是通信的速率通常较低，难以满足高速数据通信的需要；同步串行通讯具有较高的通信速率，但是实现的难度较大，通信接口及相关的协议较复杂[4-5]。

       并行通信方式通常具有较高的传输速率，且简单易行，但是直接的简单并行是不能进行较长距离的数据传输的，在通常情况下单端信号并行传输不具有长距离传输的意义。这里把并行传输方式与差分传输相结合就可以实现并行的差分传送，他既具有差分传输的可靠性与高的抗干扰能力，又具有并行传输的高速性、实时性及简单性。简单地说并行差分传送就是把并行传送的单端信号转换为差分信号进行传送，并由接收端的差分接收电路接收后还原为单端信号。 由于单端信号转换为差分信号后信号线的数量加倍，采用并行的差分传送较适合解决较近距离的高速数据传输与设备互连，例如一幢建筑内部的设备互连，一个大型电子系统内部各不同单元之间的通信连接等。对于远距离的通信采用该方式由于线路的成本及铺设等原因较少采用。由于并行的差分传送需要较多的差分发送器与差分接收器，采用通用的收发器将是系统地规模庞大，成本上升，不易实现，采用Cyclone系列的可编程逻辑器件，利用其丰富的差分接口资源可以使这一问题迎刃而解。

5 并行低压差分传送技术在工业绘图机上的应用

       工业绘图机是重要的图形输出设备，被广泛地应用于CAD设计、GIS地理信息系统、数码影像输出等领域。早期的绘图机一般采用笔式绘图输出，但是笔式绘图机存在着输出速度较慢、输出图形质量较差、只能输出线条图等缺点，因此笔式绘图机正在逐渐被喷墨绘图机所取代，数字化的喷墨绘图机具有输出速度高、输出图形的质量好，不仅可以输出线条图还可以输出任意的点阵图形，对绘图机用纸的质量要求较低，有利于降低成本，自动化程度高，提高了生产的效率。目前工业用喷墨绘图机正在朝着宽幅面、高速度、高输出质量的方向发展，这使得工业喷墨绘图机成为一个大型的复杂机电控制系统[6]。在这个控制系统中电气控制部分包括喷墨打印数据的存储、组织、处理、传送、喷墨头的驱动、输纸电机及字车电机的控制等。

在喷墨绘图机工作时安装在字车上的喷墨头在字车电机的拖动下沿导轨运行，喷墨头及其驱动电路通常是一起安装的，属于运动部分，而喷墨绘图机的主控制器由于体积较大、板上的连线较多等原因无法安装在字车上，通常固定安装在机器机架的一侧，这样一来就存在一个问题，即喷墨绘图机主控制器到喷墨头之间的数据传送问题。这一数据传送问题存在这样几个特点：，传输的距离较远。当前，宽幅面的喷墨绘图机输出幅面可以达到2 m以上，字车运行的区间达到2．5 m，再考虑安装等原因从主控制器到喷墨头的数据传输距离应在3 m左右；第二，数据传输的速度要求较高。喷墨绘图机通常为提高喷墨输出的速度采用多个喷墨头并行的方式进行工作，每个喷墨头工作时都需要大量的打印数据，多个喷墨头所需要的打印数据量就会更多，在笔者所设计的喷墨绘图机中就采用了4个喷墨头进行喷墨输出，4个喷墨头每秒钟需要消耗7．9 MB的数据；第三，数据传输的实时性强。绘图机工作时字车运行到对应的位置时喷墨头就必须在相应的位置喷印输出相应的数据，因此这里的数据传输必须具有严格的实时性能，否则将严重的影响绘图机的图形输出质量。对于上述所要求的数据传输采用单端的数据传输是无法满足要求的，采用RS 485总线、CAN总线等常用的串行差分传送技术也不能满足这里的数据传输要求，而且采用串行数据传输会使实时性受到影响，因此这里综合考虑采用简单易行的并行低压差分传送技术来解决这一问题，图3是该接口设计方案的原理框图。

       在该设计方案中主处理器采用了高速的DSP处理器TMS3202407，主频速率40 MHz。这里从主处理器的总线信号取8位数据、6位地址及总线写信号经差分转换后进行传送，由于只存在从主控制器到喷墨头驱动器的单向数据传送，因此接口的设计简化了，避免了双向的差分转换。在喷墨头一侧每个喷墨头的控制单元被映射为一组寄存器，4个喷墨头的所有控制寄存器被到映射到主控制器的I／O空间，6位地址信号被差分接收后还原为6位本地单端信号，用来选择喷墨头映像寄存器，被选中的单元在写信号的作用下把经差分接收到的一个字节的数据写到该单元。由于差分传送所用的柔性导电带排列在一起，因此经过差分传送后主控制器的总线信号由于时延的一致性仍然保持着原有的时序特性。 为实现差分的发送与接收在主控制器上采用可编程逻辑器件EP1C6Q240，在喷墨头一侧同样采用EP1C26Q240实现数据的差分接收，Cyclone系列器件具有丰富的内部资源，可以很方便地使用这些资源来实现收发接口的地址译码、缓冲、寄存等功能，这样就极大地方便了用户的接口设计，笔者通过实践深切体会到这一点带来的方便。

该方案经过测试，完全可以满足系统数据传送的要求，从而大大的简化了系统的设计的复杂程度，取得了较好的效果，测试时采用的通信线为间距1 mm的FFC柔性导电带，长度4 m。图4差分接收信号波形-I为实际测试差分接收端所得的信号波形，从图可以看出差分信号的波形整体，幅值VID稳定在500 mV左右，接收端共模电压VCM稳定在1．5 V左右，此时的数据传送速率为4 MB／s；图5差分接收信号波形一Ⅱ为传输速率20 MB／s时的信号波形图，此时信号的前后沿时间在信号的传输周期中所占的比例加大，波形质量下降，但是总体性能稳定可靠，完全可以满足宽幅面喷墨绘图机的数据传输需要。由于笔者所使用的DSP系统主频为40 MHz，20 MB／s的传输速率已经达到了处理器的极限，如果采用更高速度的处理器，差分传输的速度应该还可以提高。 

6 结 语

        低压差分传送技术具有卓越的性能，而具有差分收发接口的可编程逻辑器件的出现与应用又为差分传送技术的应用创造了更有利的条件。并行差分传送技术的采用为实现高速的设备互连及组建大规模的电子系统提供了一条简便易行的解决之道。笔者经过在宽幅面的喷墨绘图机上使用该技术充分的证明了该技术的有效性。