LVDS技術(shù)在某成像光電跟蹤產(chǎn)品中的應(yīng)用

摘要：針對(duì)遠(yuǎn)距離高速信號(hào)傳輸?shù)男枨螅岢隽死?strong>LVDS傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)方法，介紹了LVDS的技術(shù)原理和特點(diǎn)，并根據(jù)某成像光電跟蹤產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)組成，詳細(xì)介紹了該產(chǎn)品中LVDS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，并根據(jù)設(shè)計(jì)及調(diào)試過程中曾經(jīng)出現(xiàn)的問題，總結(jié)了終端電阻匹配、通道設(shè)計(jì)、印制板布線等方面的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及注意事項(xiàng)。通過內(nèi)外場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了該產(chǎn)品LVDS通訊設(shè)計(jì)，不僅解決了高速率、大容量、長(zhǎng)距離的圖像數(shù)據(jù)傳輸問題，并具備良好的環(huán)境適應(yīng)性及電磁兼容性。
關(guān)鍵詞：LVDS；差分信號(hào)；數(shù)據(jù)傳輸；噪聲

    在當(dāng)今電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，由集成電路芯片構(gòu)成的電子系統(tǒng)朝著大規(guī)模、小體積、低電壓、高速度的方向飛速發(fā)展，導(dǎo)致電路的布局和布線密度變大，同時(shí)信號(hào)的頻率仍在不斷提高。采用降低電壓的辦法不僅可以減少高密度集成電路的功率消耗和芯片內(nèi)部的散熱，有助于提高集成度，而且可以提高信號(hào)頻率、降低信號(hào)間的串?dāng)_，是集成電路發(fā)展的一個(gè)方向。而采用LVDS(Low Voltage Differential Signaling)傳輸則可以有效克服共模噪聲，可用于遠(yuǎn)距離高速信號(hào)傳輸。

1 LVDS技術(shù)簡(jiǎn)介
    LVDS(Low Voltage Differential Signaling)是一種低擺幅的差分信號(hào)技術(shù)，它使得信號(hào)能在差分PCB線對(duì)或平衡電纜上以幾百M(fèi)b／s的速率傳輸，其低壓幅和低電流驅(qū)動(dòng)輸出實(shí)現(xiàn)了低噪聲和低功耗。LVDS在兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中被定義：IEEE P159613(1996年3月通過)，主要面向SCI(Scalable Coherent Inteface)，定義了LVDS的電特性，還定義了SCI協(xié)議中包交換時(shí)的編碼；ANSI／TIA／EIA-644(1995年11月通過)，主要定義了LVDS的電特性，并建議了655 Mb／s最大速率和11 923 Gb／s的無失真通道上的理論極限速率。在兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中都指定了與物理通道無關(guān)的特性，這保證了LVDS能成為多用途的接口標(biāo)準(zhǔn)。
    圖1給出了典型的LVDS互連方法。這里使用的是DS90C031 LVDS驅(qū)動(dòng)器芯片和DS90C032LVDS接收器芯片，其中DATA INPOUT和DATA OUTPOUT是TTL電平。驅(qū)動(dòng)器和接收器主要完成TTL信號(hào)和LVDS信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。LVDS驅(qū)動(dòng)器由一個(gè)驅(qū)動(dòng)差分線對(duì)的電流源組成，通常電流為3mA。LVD8接收器具有很高的輸入阻抗，因此驅(qū)動(dòng)器輸出的電流大部分都流過100Ω的匹配電阻，并在接收器的輸入端產(chǎn)生大約300 mA的電壓。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器翻轉(zhuǎn)時(shí)，它改變流經(jīng)電阻的電流方向，接收器產(chǎn)生有效的邏輯“1”和邏輯“0”狀態(tài)。

    應(yīng)用LVDS具有許多優(yōu)勢(shì)：
    (1)高速率。由于LVDS邏輯狀態(tài)間的電壓變化僅為300 mV，因而能非常快地改變狀態(tài)。例如當(dāng)信號(hào)電平在333 ps內(nèi)變化300 mV時(shí)，壓擺率僅0．9 V／ns，低于將信號(hào)失真和串?dāng)_減到最小時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)壓擺率1 V／ns。如果使用上升和下降時(shí)間不大于比特寬度2／3的老標(biāo)準(zhǔn)，那么具有333 ps躍變的信號(hào)能在1 Gb／s下工作，仍保有很大的余地。
    (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GTL技術(shù)的電源電流則會(huì)隨頻率增加而呈指數(shù)上升，這得益于使用恒流線路驅(qū)動(dòng)器。電流源把輸出電流限制到約3．5 mA，同時(shí)也限制跳變期間產(chǎn)生的任何尖峰電流。由于沒有尖峰電流，就有可能獲得1．5 Gb／s的高數(shù)據(jù)率而不明顯增加功耗。恒流驅(qū)動(dòng)輸出還能容忍傳輸線的短路或接地，而不會(huì)產(chǎn)生熱問題。LVDS降低了終端電阻壓降，因此還降低了電路的總功耗。
    (3)噪聲性能好。LVDS產(chǎn)生的電磁干擾低，這是因?yàn)榈碗妷簲[幅、低邊沿速率、奇模式差分信號(hào)，以及恒流驅(qū)動(dòng)器的Icc尖峰只產(chǎn)生很低的輻射。傳輸通路上的高頻信號(hào)跳變產(chǎn)生輻射電磁場(chǎng)，場(chǎng)強(qiáng)正比于信號(hào)攜帶的能量，通過減小電壓擺幅和電流能量，LVDS把該場(chǎng)強(qiáng)減到最??；差分驅(qū)動(dòng)器引入了奇模式傳輸，在傳輸線上流過大小相等、極性相反的電流，電流在該線對(duì)內(nèi)返回，面積很小的電流回路產(chǎn)生最低的電磁干擾；當(dāng)差分傳輸線緊耦合時(shí)，串入的信號(hào)是作為共模電壓出現(xiàn)在接收器輸入的共模噪聲中，差分接收器只響應(yīng)正負(fù)輸入之差，因此當(dāng)噪聲同時(shí)出現(xiàn)在2個(gè)輸入中時(shí)，差分信號(hào)的幅度并不受影響。共模噪聲抑制也同樣適用于其他噪聲源，比如電源波動(dòng)，襯底噪聲和接地回跳等。
    (4)具有故障安全(fail-safe)特性確?？煽啃?。LVDS驅(qū)動(dòng)器和接收器還能實(shí)現(xiàn)熱插拔，因?yàn)楹懔黩?qū)動(dòng)解決了損壞問題。另一特點(diǎn)是接收器的故障保護(hù)功能，它能防止在輸入引腳懸空時(shí)產(chǎn)生輸出振蕩。除上述各種優(yōu)點(diǎn)外，LVDS只需要簡(jiǎn)單的端接電阻。這些電阻可以集成到芯片之中，與每條傳輸線配備多個(gè)電阻和電容元件相比，大大降低了所需的費(fèi)用。另外，LVDS能容忍傳輸線通路微小的阻抗失配，只要差分信號(hào)在緊耦合的傳輸通路中通過平衡不連續(xù)處，信號(hào)仍能保持其完整性。非阻抗受控連接器、電路板過孔和芯片封裝對(duì)差分信號(hào)的影響要比對(duì)單端信號(hào)的影響小得多。表1給出了RS 422與LVDS之間的簡(jiǎn)單比較，LVDS的優(yōu)勢(shì)是顯而易見的。

2 LVDS在某成像光電跟蹤產(chǎn)品中的應(yīng)用
2．1 系統(tǒng)應(yīng)用簡(jiǎn)介
    某成像光電跟蹤產(chǎn)品信息處理平臺(tái)采用FPGA+DSP的設(shè)計(jì)框架，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

    該信息處理平臺(tái)在FPGA和DSP外圍增加調(diào)理電路、A／D裝換器、PROM、SBSRAM、DPRAM、FLASH、電源及電源濾波電路等。FPGA+DSP架構(gòu)最大的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)靈活，適于模塊化設(shè)計(jì)，能有效地提高算法效率，因而非常適用于成像系統(tǒng)的信息處理。從圖2可以看出，該系統(tǒng)通過FPGA，利用LVDS標(biāo)準(zhǔn)電路設(shè)計(jì)完成圖像數(shù)據(jù)的輸出。在該系統(tǒng)中，LVDS有三路差分輸出，其中兩路傳送數(shù)據(jù)(DA，DB)，一路傳送時(shí)鐘(C)。傳送格式的要求如下：DA(DAX)為發(fā)送16位數(shù)據(jù)線，傳送系統(tǒng)給圖像采集設(shè)備的所有數(shù)據(jù)。包括每幀開頭發(fā)送一個(gè)幀計(jì)數(shù)，幀正程發(fā)送圖像數(shù)據(jù)(實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)、濾波圖像數(shù)據(jù)及二值像數(shù)據(jù)，按DSP要求傳送)。圖像數(shù)據(jù)為12位或14位，按需要傳送。16位數(shù)據(jù)的分配如下：最高位為奇偶校驗(yàn)位，“1”表示奇數(shù)，“0”表示偶數(shù)；次高位為正逆掃信號(hào)，“1”表示正掃，“0”表示逆掃；在每幀的開頭，圖像數(shù)據(jù)輸出之前，添加2個(gè)驗(yàn)證字——FDB18540，作為接收方判斷每幀數(shù)據(jù)傳送的起始點(diǎn)；幀正程開始后，傳圖像數(shù)據(jù)14位，如傳的是12位圖像數(shù)，則其14，13位填0，后12位為圖像數(shù)據(jù)。
    DB(DBX)：發(fā)送同步信號(hào)，每字同步，與首數(shù)據(jù)最高位同時(shí)發(fā)出，寬度為半個(gè)時(shí)鐘C(CX)：時(shí)鐘信號(hào)，始終保持。在LVDS設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程中參考XAPP233的設(shè)計(jì)方法，16位數(shù)據(jù)通過并轉(zhuǎn)串移位寄存器進(jìn)行移位處理，將偶數(shù)位鎖存于傳送時(shí)鐘的上升沿，奇數(shù)位鎖存于傳送時(shí)鐘的下降沿。其輸入／輸出采用DDR技術(shù)，保證雙沿觸發(fā)。移位寄存器時(shí)鐘示意圖如圖3所示。最終輸出數(shù)據(jù)的時(shí)鐘鎖存的位置如圖4所示。LVDS電路功能框圖如圖5所示。

2．2 系統(tǒng)中LVDS設(shè)計(jì)的要點(diǎn)
    該系統(tǒng)中LVDS應(yīng)用于FPGA+DSP的高速數(shù)字處理平臺(tái)，在設(shè)計(jì)及調(diào)試過程中，曾出現(xiàn)由于終端電阻匹配不當(dāng)帶來的噪聲較大的問題、由于通道選擇不當(dāng)帶來的信號(hào)畸變問題、以及印制板布線不當(dāng)帶來的信號(hào)串?dāng)_及噪聲等問題，通過這些實(shí)際問題的解決總結(jié)了以下幾點(diǎn)。
2．2．1 終端電阻
    不管使用的LVDS傳輸通道是PCB線對(duì)還是電纜，LVDS要求使用一個(gè)與通道相匹配的終端電阻(100±20)Ω，以防止信號(hào)在通道終端發(fā)生反射，同時(shí)減少電磁干擾。該電阻終止了環(huán)流信號(hào)，應(yīng)該將它盡可能靠近接收器輸入端放置。該系統(tǒng)使用了兩個(gè)阻值各為50 Ω的電阻串聯(lián)，并在中間連接點(diǎn)通過一個(gè)電容接地，很好地濾去了共模噪聲。
2．2．2 通道(電纜和連接器)選擇
    使用受控阻抗通道，差分阻抗約為100 Ω，不會(huì)引入較大的阻抗不連續(xù)性；當(dāng)電纜長(zhǎng)度小于0．15 m時(shí)，大部分電纜都能有效工作，當(dāng)電纜長(zhǎng)度在0．15～10 m之間時(shí)，CAT3(Categor 3)雙絞線對(duì)電纜效果好(本系統(tǒng)采用該設(shè)計(jì))，當(dāng)電纜長(zhǎng)度于10 m，并且要求高速率傳輸時(shí)，建議使用CAT5雙絞線對(duì)。
2．2．3 印制板設(shè)計(jì)
    盡量使用多層板設(shè)計(jì)(該系統(tǒng)最終采用8層PCB板)，保證LVDS信號(hào)、地、電源、TTL信號(hào)分處于不同的PCB層，或者至少處于不同的分區(qū)；使TTL信號(hào)和LVDS信號(hào)相互隔離，最好將TTL和LVDS信號(hào)放在電源／地層隔離的不同層上；使LVDS驅(qū)動(dòng)器和接收器與LVDS端間連接盡可能短。電源層和地層應(yīng)盡可能使用粗線。
2．2．4 板上導(dǎo)線
    微波傳輸線(microst rip)和帶狀線(stipline)都有具備良好的性能；前者一般具備更高的差分阻抗，不需要額外的過孔，后者則在信號(hào)間提供了更好的屏蔽。
2．2．5 差分線對(duì)
    差分線對(duì)使用與傳輸媒質(zhì)的差分阻抗和終端電阻相匹配的受控阻抗線，并且使差分線對(duì)離開集成芯片后立刻盡可能地相互靠近(距離小于10 mm)，這樣能減少反射并能確保耦合到的噪聲為共模噪聲。使差分線對(duì)的長(zhǎng)度相互匹配以減少信號(hào)扭曲，防止引起信號(hào)間的相位差。而且2條差分線之間應(yīng)盡可能保持平行，以避免差分阻抗的不連續(xù)性。不要僅依賴自動(dòng)布線功能，而應(yīng)仔細(xì)修改以實(shí)現(xiàn)差分阻抗匹配并實(shí)現(xiàn)差分線的隔離。盡量減少過孔和使用90°折線來改變線跡走向，避免其他引起線路不連續(xù)性的因素。
2．2．6 抗噪聲設(shè)計(jì)
    如果電纜感應(yīng)到的噪聲超過LVDS接收器內(nèi)部線路設(shè)計(jì)的容限，接收器就會(huì)不確定地開關(guān)或振蕩。在本系統(tǒng)中通過外加電阻來提高噪聲容限，如圖6所示。圖6中R1，R3是可選的外接電阻，用來提高噪聲容限，R1，R3取12 kΩ，R2取100Ω。

3 結(jié)語(yǔ)
    該系統(tǒng)經(jīng)過內(nèi)場(chǎng)的高低溫、振動(dòng)、電磁兼容等試驗(yàn)，同時(shí)經(jīng)過外場(chǎng)繞飛、系留及靶試。內(nèi)外場(chǎng)試驗(yàn)表明，某成像光電跟蹤產(chǎn)品利用LVDS穩(wěn)定可靠地進(jìn)行了圖像數(shù)據(jù)的傳輸及測(cè)試，解決了高速率、大容量、長(zhǎng)距離的圖像數(shù)據(jù)傳輸問題，并具備良好的電磁兼容性。另外，該項(xiàng)技術(shù)不僅在某成像光電跟蹤產(chǎn)品中得到可靠驗(yàn)證，目前還被推廣應(yīng)用到其他數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中。