远程数据传输中并行转串行LVDS接口设计

清华大学2012届毕业设计说明书第I页共II页目录1引言...................................................................11.1课题研究背景和意义...................................................11.2国内外研究现状.......................................................11.3LVDS简介.............................................................31.4FPGA简介............................................................41.5本课题研究内容和安排.................................................42理论基础...............................................................62.1系统整体结构.........................................................62.2LVDS原理............................................................62.3FPGA结构和特点.....................................................102.3.1FPGA的结构........................................................102.3.2FPGA的基本特点....................................................142.4并行接口和串行接口..................................................152.5光耦合器............................................................163整体硬件电路设计......................................................173.1整体电路结构.........................................................173.2FPGA内部电路及配置电路.............................................183.2.1控制模块.........................................................193.2.2FIFO缓存设计.....................................................193.2.3时钟管理模块电路设计..............................................203.2.4FPGA的配置电路....................................................213.3DS92LV1023串化器配置电路和连接电路..................................233.4驱动电路CLC001......................................................273.5存储器SDRAM电路....................................................283.6电源电路............................................................293.7程序下载电路.......................................................303.8时钟电路............................................................303.9LED显示电路.........................................................313.10开关控制电路......................................................323.11带光耦的并行数据输入电路...........................................323.12整体电路的性能分析.................................................334系统软件设计...........................................................344.1系统程序设计.......................................................344.1.1系统程序框图.....................................................344.1.2晶振倍频功能设计.................................................344.1.3并行转串行程序设计...............................................354.1.4分频程序.........................................................354.2系统程序仿真.......................................................354.2.1系统程序框图.....................................................35清华大学2012届毕业设计说明书第II页共II页4.2.2程序仿真图.......................................................364.3系统的调试...........................................................385总结与展望............................................................385.1总结................................................................385.2展望................................................................38附录1系统程序.........................................................39附录2硬件电路图........................................................43附录3PCB板图.........................................................44参考文献................................................................45致谢....................................................................46清华大学2012届毕业设计说明书第1页共46页1引言1.1课题研究背景和意义随着数字信号处理技术的发展,高速数据的采集、传输与处理也成为不可避免的问题。普通并行I/O接口电路由于受到自身电路结构和传输线的限制，已经不能满足不断发展的高速微处理器、多媒体、光传输连接、智能路由器以及网络技术的数据带宽要求。因此,采用新的接口技术来解决高速数据传输瓶颈问题显得日益突出。低压差分信号(LVDS：LowVoltageDifferentialSignaling)技术以其固有的低电压、低功耗和有利于高速传输等特点,正逐渐成为宽带高速系统设计的首选接口标准。目前,LVDS技术在通信领域的应用更是日益普及,尤其在基站、大型交换机以及其他高速数据传输系统中,LVDS正在发挥着不可替代的作用。随着3G技术的迅猛发展，LVDS接口电路作为一种具有诸多优势的接口技术，逐渐成为人们的研究重点。由于能够降低互连总线的条数、降低复杂度、减小功耗、降低成本，能使系统可靠性提高，被应用于总线互联中。而作为3G技术融合的核心接口电路，其技术和产品基本上都被国外公司所垄断，从而国家每年都要花费大量的经费来购买，同时也不利于国家的信息安全。在测试测量领域，系统与系统之间，系统模块间需要传输大量数据。总线是服务于系统的一个很重要的组成部分，它作为系统间通信的桥梁，对提高系统性能起着至关重要的作用，为系统之间的数据传输提供了有效保证。现在，各种系列的传输设备或传输系统均使用价格便宜、取材方便的双绞线,来传输高质量的视频信号、音频信号和控制数据,且其传输距离可选。虽然使用品牌系列双绞线所组成的传输系统具有独特亮度/色度处理、多级瞬态冲击保护及超强的干扰抑制能力,但在数据高速传输中,其高可靠性技术指标却并不能符合要求,其所面临的问题是如何应用先进的技术来保证数据在双绞线缆中的高速传输。而将低电压差分信号(LVDS)串行器-解串器用于双绞线电缆数据高速传输系统不失为一种新技术，很多公司的芯片正是利用这种技术完成了高频信号的远端传输。1.2国内外研究现状从上世纪九十年代以来，国外的各大公司已开始关注着接口电路研究与发展，相继推清华大学2012届毕业设计说明书第2页共46页出了许多相关产品，主要体现在三个方面：1)垄断性强、产品丰富。LVDS产品都被国外大公司，如MAXIM、Intersil、Micrel、Agilent、TI等占有，涵盖整个接口电路，频率从几十兆到几吉，能够完全满足用户要求。2)性能高。如2.5Gbps的LVDS串化器和解串器，在0．18um的工艺下，面积为1230um×248um，功耗为200mW。3)数据传输速度快。现在LVDS接口电路数据转换速度已经达到了十几吉，还在不断的增长，针对通讯技术发展及3C融合的加快，国外公司加大了在该领域的投入，领先优势不断扩大。一些有名的大公司，国半、TI、飞兆半导体己推出各种LVDS产品，其中性能比较高的例如FINl217串行器/FINl219解串器，数据传输率达到将近2Gbps．由于种种原因，且前国内使用的是国外厂商提供的产品，几乎没有自主设计的高性能LVDS核心电路和芯片，而且国外对LVDS高速IO接口的核心电路也是严格保密的．为了不受制于人，我们必须自主研究设计LVDS高速接口电路，芯片及IP核．接口电路是用来减小数据传输信道对传输信号的畸变的。它在模拟电话系统，以太网、无线通讯、磁盘读出电路，PCB板到芯片，芯片与芯片间和光纤通信等数据系统中具有广泛的应用。在接口电路中，线上数据率从最初3Mbps发展到了目前的IGbps以上．制造工艺经历了从双极型工艺，BiCMOS工艺、GaAs工艺、CMOS模拟工艺到CMOS数字工艺的发展．目前低成本的标准CMOS数字工艺是接口电路设计的主流工艺，设计方法也多种多样．接口电路以越来越高的速度，以越来越智能化的工作方式，以与主流工艺数字CMOS工艺兼容的制造工艺不断地向前发展．国外知名的设计公司都有自己的高速IO单元库，虽然