基于FPGA的异步LVDS过采样的研究和实现 电磁干扰, 信号传输, 接口

pengpengpang

摘要：针对LVDS接口，研究并实现了一种基于FPGA的LVDS过采样技术，重点对LVDS过采样技术中系统组成、ISERDESE2、时钟采样、数据恢复单元、时钟同步状态机等关键技术进行了描述，并基于Xilinx FPGA进行了验证，传输速率达到了1.25Gbps。文章的研究为基于FPGA实现系统之间的高速互连具有一定的工程参考价值。
0 引言
在数字系统互联设计中，高速串行传输方式正逐步替代并行传输方式成为主流。作为串行传输标准的一种，低电压差分信号传输(LVDS)接口具有高速率、低功耗、低噪声和低电磁干扰等优点，广泛应用于高速数字系统设计中。而在实际应用中，采用现场可编程门阵列(FPGA)实现高速LVDS是一种性价比较高的技术途径。
随着半导体工艺的进步，FPGA的性能和集成度在不断提高，在FPGA芯片中均集成SelectIO资源，通过配置逻辑资源和I/O，可以生成支持LVDS标准的接口，实现高速LVDS接口互联通信。在传统的LVDS互连设计中，均采用同步采样方式，在发送端，一组数据伴随一个时钟同时传输，在接收端，利用一个时钟去采集数据。在Xilinx最新的7系列器件中，支持一种异步过采样方法，当采样的数据时钟相近时(±100ppm)利用SelectIO资源中的ISEKDES2原语可以实现4X最高频率为1.25Gbps的异步过采样。
本文介绍了一种基于FPGA实现异步LVDS过采样的技术，重点对系统组成、ISERDESE2、时钟采样、数据恢复单元、时钟同步状态机等关键技术进行了描述，并基于Xilinx FPGA进行了验证，传输速率达到了1.25Gbps。
1 异步过采样系统组成
本文采用Xilinx公司的7系列FPGA作为核心器件，基于SelectIO资源实现了1.25Gbps的4X异步LVDS过采样技术。系统中包括ISERDESE 2、OSERDESE2、IDELAYE2、IDELAYCTRL、MMCME2、数据恢复单元(DRU)和时钟对齐状态机等功能单元，如图1所示。


对于输入的1.25Gbps数据流，复制成两路进入ISERDESE2，实现4X采样。ISERDESE2/OSERDESE2负责完成输入数据的串并/并串转换。
MMCME2负责将外部输入的125MHz时钟倍频产生各种不同的时钟，提供给ISERDESE2/OSERDESE2、DRU、时钟对状态机等逻辑使用。其中，CLK和CLK90频率为625MHz，通过BUFIO提供给ISERDESE2/OSERDESE2使用，IntClk和IntClkDiv分别为625MHz和312.5MHz，通过BUFG提供给DRU、ISERDESE2/OSERDESE2并行端、内部FPGA控制等逻辑使用。ClkRef为310MHz，提供给IDELAYCTRL使用。
DRU负责完成ISERDESE2串行端数据和并行端数据之间的跨时钟域设计。时钟对齐状态机负责实现BUFG和BUFIO不同时钟域之间的相位对齐。
2 关键设计
2.1 ISERDESE2
相对于Virtex-5系列FPGA中的ISERDES和Virtex-6系列FPGA中的ISERDESE1相比，7系列FPGA中的ISERDESE2实现下述的不同功能：
(1)提供IDDR触发器功能;
(2)提供一种专用的串并转换器，该转换器有特殊的时钟和逻辑特征，用于高速源同步应用;
(3)支持存储器模式，可支持QDR、DDR3等不同的存储器接口;
(4)支持过采样模式。
在以前的设计中，过采样是通过FPGA内部的SLICE触发器实现的，而在7系列FPGA中，过采样是通过配置ISERDESE2实现的，如图2所示。


2.2 时钟采样
MMCME2产生两个时钟CLK和CLK90用于ISERDESE2，两个时钟的正沿和负沿均被使用，相当于四个时钟。对于输入数据流，通过IBUFDS DIFFOUT复制成两路，一路的相位没有变化，另外一路通过IDELAYE2相位偏移45°。相位偏移过的数据送入从ISERDESE2，实现了双倍的数据采样率。
通过组合四个时钟相位和两路数据，实现了八个时钟采样相位，如图3所示。


如图3所示，通过IDELAYE2实现输入数据的相位变化，而IDELAYE2的变化是通过IDELAYCTRL控制的。CLK和CLK90工作频率为625MHz，0°、90°、180°和270°的时钟沿位置分别在0、400、800和1200ps。输入数据流频率为1.25Gbps，相位偏移45°时，数据必须延迟
200ps。IDELAYCTRL设计频率为310MHz，单拍延迟为52ps，为了实现200ps的延迟，需延迟4拍。因此，对于主ISERDESE2，IDELAY VALUE值设为0，对于从ISERDESE2，IDELAY VALUE值设为4。
2.3 DRU
用于ISERDESE2的CLK和CLK90均为局部时钟，只能工作在固定的I/O区域。ISERDESE2输出数据必须从局部时钟域(BUFIO)搬到全局时钟域(BUFG)中进行，需要进行跨时钟域(CDC)操作。
CDC操作在FPGA逻辑中以寄存器组形式实现。DRU中实现了CDC寄存器组和一些比较逻辑。
2.3.1 边沿检测
输入FPGA的数据流的采样和比较点见图4。


数据流通过CLK0、CLK90、CLK180和CLK270四个时钟进行采样，采样点发生在时钟和数据流向交叉时，这些采样点依据格式Qx[M or S]x进行命名。其中，Qx表示ISERDESE2的输出Q1、Q2、Q3或Q4，Mx或Sx表示数据输出来源于主ISERDESE2或从ISERDESE2。
连接采样点的E4[0]到E4[3]表示DRU比较数据和寻找数据边沿的位置。四个位置点的公式为：


DRU边沿检测电路如图5所示。检测电路展示了数据从ISERDESE2到DRU逻辑的流程，为了优化时序，在ISERDESE2和逻辑之间增减了一级寄存器。同时也展示了从ISERDESE2的Q4输出端时如何存储上一次的采样点并和新一次采样进行比较。


2.3.2 数据选择
当完成数据比较和边沿检测后，DRU需要对比较的数据进行处理。在设计中，采用一个简单的状态机，依据数据边沿的位置和它迁移的位置，选择远离数据边沿的位置作为采样点。
由于电压和温度的变化，源时钟和接收时钟之间抖动、相位的不同，理想的采样点应该是左右移动的。也就是说E4[0]到E4[3]的等式值总是变化的，依据这些变化值，状态机状态发生迁移，如图6所示。


表1给出了数据选择的对应关系，其中，EQ表示当前状态机的位置，DQ表示互连逻辑中使用的采样值。在过采样模式下的每个ISERDESE2是通过两组IDDR触发器实现的，因此DO表示应该使用哪一组触发器作为最理想的采样点。


2.4 时钟对齐状态机
在设计中，BUFIO和BUFG两个时钟域之间的相位关系不确定。为了在不同的时钟域之间传输数据，需要实现CDC逻辑，两个时钟之间相位必须对齐。时钟对齐电路采用了一个FPGA I/O区域内所有的I/O管脚具有相同时序特性的原理。
一个OSERDESE2被BUFG时钟域的时钟(IntClk、IntClkDiv)驱动，并且装载一个固定的数据模板。OSERDESE2在IntClk频率下输出一个时钟模板。通过反馈路径，时钟模板被相邻的ISERDESE2捕获，ISERDESE2工作在BUFIO时钟域。通过这种技术，可以测量不同的两个时钟之间的相位关系。使用MMCM中有一个小的状态机，可以实现独立的相位改变的能力，BUFG时钟发生相位改变，以适应BUFIO时钟域的相位。
3 仿真与验证
本论文采用XC7K325T芯片异步LVDS过采样进行设计和实现，并采用ISIM13.3进行仿真验证，采用ISE13.3进行综合、布局布线、生成bit文件。
将生成的bit文件下载到Xilinx评估版KC705中，并进行测试、验证。实际测试结果表明：基于FPGA的异步LVDS过采样系统功能正确，传输速率达到了1.25Gbps。
4 结束语
本文针对LVDS接口，研究并实现了一种基于FPGA的LVDS过采样技术，重点对LVDS过采样中系统组成、ISERDESE2、时钟采样、数据恢复单元、时钟同步状态机等关键技术进行了描述，并基于Xilinx评估板进行了验证。经严格测试验证表明：基于FPGA实现的异步LVDS过采样技术功能正确，传输速率达到1.25Gbps。