LVDS差分信號(hào)輸入輸出的處理方法

最近調(diào)試芯片遇到一個(gè)選擇題，需要決定數(shù)據(jù)接口的接口標(biāo)準(zhǔn)，是選用LVDS差分接口還是CMOS單端接口。說(shuō)實(shí)話，之前接觸多的還是CMOS單端接口，只是看到過(guò)很多資料介紹過(guò)LVDS差分接口。

官方說(shuō)法里，它的主要優(yōu)點(diǎn)有：

1. 抗干擾能力強(qiáng)，具有更高的數(shù)據(jù)傳輸速率
2. 更好的信號(hào)完整性
3. 降低了電平幅度和電路功耗

既然有這么多優(yōu)點(diǎn)，這次我們就選用LVDS差分接口，看看我們能不能感受到LVDS的優(yōu)勢(shì)。

每對(duì)LVDS信號(hào)是一個(gè)差分信號(hào)對(duì)，一個(gè)信號(hào)用兩個(gè)相反的p，n信號(hào)線表示，通過(guò)差值 |Vp - Vn|傳輸數(shù)據(jù)，這樣可以有效減小共模噪聲的干擾，信號(hào)線傳輸如下圖：

圖中含有DATA_CLK, RX_FRAME兩個(gè)LVDS信號(hào)對(duì)

而FPGA內(nèi)部處理信號(hào)肯定還是需要使用單端信號(hào)，這時(shí)就需要經(jīng)過(guò)一個(gè)差分轉(zhuǎn)單端的“工具”，將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為FPGA更方便處理的單端信號(hào)。

在Xilinx中，我們可以用IBUFDS原語(yǔ)，可以在Language Template中找到這個(gè)原語(yǔ)的示例，經(jīng)過(guò)修改一番后，可以將差分的data_clk轉(zhuǎn)換為單端的data_clk， 原語(yǔ)如下:

IBUFDS #(
      .DIFF_TERM("FALSE"),       // Differential Termination
      .IBUF_LOW_PWR("TRUE"),     // Low power="TRUE", Highest performance="FALSE"
      .IOSTANDARD("DEFAULT")     // Specify the input I/O standard
   ) IBUFDS_inst (
      .O(data_clk_tmp),  // Buffer output
      .I(data_clk_p),  // Diff_p buffer input (connect directly to top-level port)
      .IB(data_clk_n) // Diff_n buffer input (connect directly to top-level port)
   );

將需要轉(zhuǎn)換的data_clk P端和N端接入IBUFDS的I和IB端口，就可以在O端口得到轉(zhuǎn)換的單端信號(hào)。

除了CLK時(shí)鐘信號(hào)，其他信號(hào)的輸入轉(zhuǎn)換基本結(jié)束了；而CLK時(shí)鐘信號(hào)還需要接入BUFG，因?yàn)镃LK時(shí)鐘只有接入BUFG才能接入全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)，這對(duì)于減小時(shí)序問(wèn)題有幫助。

同樣在Language Template中找到這個(gè)原語(yǔ)的示例，修改后如下:

BUFG BUFG_i0 (
      .O(data_clk), 		// 1-bit output: Clock output, 36MHz.
      .I(data_clk_tmp)	  		// 1-bit input: Clock input, 36MHz.
    );

一個(gè)輸入一個(gè)輸出，非常簡(jiǎn)單的原語(yǔ)調(diào)用！

另一邊，有輸入就會(huì)有輸出，輸出的問(wèn)題也好解決，同樣使用一個(gè)OBUFDS原語(yǔ)實(shí)現(xiàn)單端轉(zhuǎn)差分，在Language Template中找到原語(yǔ)，修改后如下：

OBUFDS #(
      .IOSTANDARD("LVDS18"), // Specify the output I/O standard
      .SLEW("SLOW")           // Specify the output slew rate
   ) OBUFDS_inst (
      .O(tx_frame_p),     // Diff_p output (connect directly to top-level port)
      .OB(tx_frame_n),   // Diff_n output (connect directly to top-level port)
      .I(tx_frame)      // Buffer input
   );

設(shè)置好相應(yīng)的參數(shù)之后，將單端信號(hào)接入OBUFDS的I端口，O端口輸出差分信號(hào)的P端，OB端口輸出差分信號(hào)的N端。

最后一個(gè)小問(wèn)題就是在XDC設(shè)置中，因?yàn)橐粋€(gè)信號(hào)對(duì)有兩個(gè)管腳，比單端信號(hào)多了一倍的管腳綁定工作量；但其實(shí)我們可以只需要綁定P端的管腳，軟件會(huì)自動(dòng)幫我們綁定N端的管腳。

在設(shè)置輸入輸出端口的“IOSTANDARD”中，遇到了些許問(wèn)題，這里寫出來(lái)記錄一下，也讓后面遇到這個(gè)問(wèn)題的人有個(gè)參考；最初設(shè)置差分信號(hào)的“IOSTANDARD”時(shí)，我想當(dāng)然的使用了“LVDS”，“LVDS18”等參數(shù)，但是這些參數(shù)都不能最終生成比特流；

在查了一些資料以及Vivado本身的I/O Port界面里參數(shù)后發(fā)現(xiàn)，差分信號(hào)的IOSTANDARD需要這樣設(shè)置：

set_property IOSTANDARD DIFF_HSTL_II_18 [get_ports tx_frame_p]

因?yàn)槲业腎O電壓是1.8V，所以最終使用了“DIFF_HSTL_II_18”，如果有更好的方案，可以一起探討探討。

總結(jié)：

• 輸入信號(hào)需要用到IBUFDS實(shí)現(xiàn)差分轉(zhuǎn)單端，輸入時(shí)鐘還需要加BUFG
• 輸出信號(hào)使用OBUFDS實(shí)現(xiàn)單端轉(zhuǎn)差分
• 差分信號(hào)只需要綁P端管腳，“IOSTANDARD”設(shè)置需要注意

輸入輸出端口的簡(jiǎn)單處理之后，這些信號(hào)為了提高傳輸數(shù)據(jù)的效率，還使用了DDR（Double Data Rate）技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)。