基于FPGA技术的LVDS传输模式如何实现PCIE接口卡设

  卡的方法,对LVDS信号以及PCIE接口技术进行了充分的研究,设计未采用FPGA自带的PCIE硬核,而是根据PCIE总线桥接芯片对接口时序直接控制,最大程度优化接口逻辑,提高接口传输速率和稳定性;试验中LVDS器件接收LVDS总线(位)的渐变图像,像素为15MHz,帧频率为10帧/s,并传输到FPGA控制部分,FPGA控制部分向PCIE接口发送中断并完成图像数据上传;文中详细讨论了不同模块的实现原理,完成了实际

  随着电子技术的飞速发展,微处理器、存储器技术的不断革新,传统的并行总线PCI逐渐成为系统整体性能的瓶颈。新一代的PCIE总线是最新的总线接口标准,它变革了PCI总线并行传输的传输模式,采用高速串行双通道传输,克服了PCI总线传输速率以及传输带宽的固有缺陷,从本质上把接口的传输速率、稳定性提升到了一个新的台阶。本文提出了一种基于LVDS传输模式的PCIE接口卡设计,主控单元采用现场可编程门阵列FPGA完成,FPGA内部丰富灵活的设计资源和高效快速的设计流程足以完成接口设计工作,最大程度地提升了系统的可靠性。

  LVDS传输是一种低压差分的传输模式,是一种串行传输,可以点对点传输,也可以一点对多点传输,具有传输速率快、抗干扰能力强和传输距离远等优点,广泛应用于高速数据的长距离传输。传输线多采用双绞线,由于信号路径的对称性,使其对共模噪声具有良好的抗干扰性能。

  构成PCIE接口卡设计方案主要包括LVDS差分传输技术、FPGA硬件逻辑设计和PCIE接口技术。本设计是基于FPGA的PCIE接口卡设计,系统结构如图1所示,主要包含三部分:LVDS接口部分、以FPGA为核心的逻辑设计部分和桥接器件构成的PCIE接口控制部分。系统以FPGA为核心,通过LVDS接收器和发送器与LVDS总线相连,构成一个LVDS双向传输通道,同时利用PCIE桥接芯片PXE8112与PICE总线通信,实现LVDS总线与PCIE总线间的数据通信。本设计的主要功能是通过LVDS接收器接收LVDS总线上的图像数据,图像数据经过数据缓存后进行帧编码,然后以整帧的形式存储到FPGA内部的RAM1中,并向PCIE总线发送中断请求,要求上传数据;或者根据上位机的下传操作,FP-GA系统接收PCIE总线下传的图像数据或命令,进行帧解码后以整帧的形式存储到RAM2中,再经过数据缓存通过LVDS发送器输出到LVDS总线,实现LVDS总线与PCIE总线的双向通信。

  可编程逻辑器件FPGA是一种方便快捷、高效稳定的嵌入式系统解决方案,以硬件描述语言完成电路设计,经过简单的综合与布局,快速烧制硬件电路,即可进行测试或开发,是现行电子设计的主流技术,其丰富的逻辑资源足以完成任何接口时序的逻辑控制。本设计所用的FPGA为Altera公司生产的Cyclone II系列的EP2C20F484I8N,采用硬件描述语言直接与PCIE桥接器件进行接口设计,代码设计精简,省去了不必要的中转等待周期,最大程度优化了接口卡的性能。FPGA逻辑设计部分包括主控单元、帧编/解码控制器、内部RAM和PCIE控制器。数据缓存部分用来缓存LVDS与FPGA间的数据传输,采用FPGA的IP核FIFO实现,两个内部RAM分别用来存储上传和下传的编/解码后的整帧图像,帧编码控制器用来给每帧图像添加特定的帧信息量,帧解码控制器则根据帧信息量解出原始图像,PCIE控制器用来控制PEX8112接口时序,进行PCIE总线与LVDS总线间图像和命令的通信。

  当LVDS总线上传图像时,首先会向FPGA主控单元发送传输请求信号,主控单元会根据FPGA运行状态返回一个接收或者拒绝的命令,发送接收命令后,FPGA开始准备接收图像数据,直到满一帧后进行编帧存储,并向PCIE接口发送中断信号请求上传,上传完成后结束该流程,流程图如图2所示。

  LVDS差分接口采用MAX9247作为发送器,采用MAX9218作为接收器,完成图像数据的双向传输。MAX9247和MAX9218均为3.3V供电的LVDS接口芯片,芯片包含一路18位的图像数据传输通道和一路9位的命令传输通道,通过DE_IN管脚切换,图像通道最大转换速率630 Mbps。PCIE接口芯片采用PLX公司生产的PEX8112,PEX8112是一款PCIE接口的桥接芯片,利用PEX8112可以方便的将FP-GA、DSP等逻辑电路升级为PCIE接口,简化复杂的PCIE接口设计。PEX8112内部集成了单通道、全双工2.5 Gbps的PCIE端口,并提供完整的本地总线到PCIE接口,包括地址转换、包生产与解码、信号中断支持及并串转换等。

  PCIE桥接器件PEX8112是FPGA系统与PCIE接口通信的桥梁,它负责图像数据和命令的双向通信。为提高PCIE接口传输速度和稳定性,可编程逻辑器件程序设计避免了不必要的等待周期,消除了因干扰等因素引起的接口冲突响应。当主设备(上位机)进行读操作时,FRAME#为低表示读操作开始进行,同时主设备下发读操作命令和地址,第二个周期为转换周期,主设备将总线的控制权交给从设备(FPGA系统),同时IRDY#(主设备准备好信号)信号置为有效,从第三个周期开始进行数据上传,从设备将DEVSEL#(从设备被选择信号)置为有效,每当TRDY#(从设备准备好信号)和IRDY#同时有效都意味着数据总线上存在着一个有效数据,TRDY#和IRDY#不同时有效视为等待周期,当FRAME#无效表示正在传输最后一个有效数据,读操作接口时序示意图如图3所示。

  在写操作过程中,由于主设备无需对总线控制权进行转让,所以没有转换周期,当FRAME#有效后数据总线传完地址后直接传输有效数据,IRDY#或TRDY#无效视为插入等待周期,FRAME#无效表示正在传输最后一个有效数据,写操作接口时序示意图如图4所示。

  图5为在读操作过程中SignalTapII逻辑分析仪对LVDS总线的波形采集图,输入图像为513(列)*512(行)*8(位)的渐变图像,像素时钟为15MHz,vsyn为帧同步,高电平有效,data为8位图像数据,每两个像素点数值递增1。图6为上位机接收到的渐变图像,如图可见,图像大小为513(列)*512(行),每行图像由左及右逐渐变亮(渐变图像),与LVDS总线上的图像数据相符。上位机共接收到24帧渐变图像,每帧渐变图像均无异常。

  本文提出了一种基于FPGA可编程逻辑器件的PCIE接口卡设计方案,在图像传输中采用LVDS高速差分传输接口作为图像数据通道,通过PCIE桥接器件保证了图像数据与PCIE总线的无缝传输,程序在设计过程中优化了时序逻辑,删除了不必要的等待周期,使整个系统的性能和稳定性得到了最大的提升,系统在数据采集、图像传输中有着广泛的应用前景。

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  SN75LVCP600是一款多功能单通道SATA Express信号调理器,支持高达6 Gbps的数据速率。该器件支持SATA Gen1,2和3规格以及PCIe 1.0,2.0和3.0。 SN75LVCP600采用3.3V单电源供电,具有100Ω线路终端,具有自偏置功能,使该器件适用于交流耦合。输入包含一个带外(OOB)检测器,当输入差分电压低于阈值时,该检测器自动对输出进行输出,同时保持非常稳定的共模电压。该器件还设计用于处理每个SATA标准的扩频时钟(SSC)传输。 SN75LVCP600通过可选择的均衡设置处理其输入端的互连损耗,可对其进行编程以匹配通道中的损耗。对于3 Gbps及更低的数据速率,SN75LVCP600均衡信号,最大可达50英寸FR4板材。对于8 Gbps的数据速率,该器件可补偿高达40 in的FR4材料。均衡电平由信号控制引脚EQ的设置控制。 可以在发送侧选择两个去加重电平,在输出端提供0 dB或1.2 dB的额外高频损耗补偿。 该设备具有热插拔功能(1)可防止设备 hot 插入设备,例如异步信号插头和拔出,无动力插拔,电源插拔,或意外插拔。 (1)需要在差分输入和输出端使用交流耦合电容。 特性 SATA Express支持 可选择的均衡和去加...

  DS80PCI402 具有均衡化和去加重功能的 2.5 Gbps/5.0 Gbps/8.0 Gbps 4 通道 PCI Express 中继器

  DS80PCI402是一款低功耗,4通道中继器,具有4级输入均衡功能,以及输出去加重驱动器,可增强PCI的覆盖范围 - 在板对板或电缆互连中快速串行链路。该器件非常适合x4(或更低)PCI-Express配置,并可自动检测并适应Gen-1,Gen-2和Gen-3数据速率,以便于系统升级。 DS80PCI402提供可编程发送去加重(最高12 dB),发送VOD(最高1300 mVp-p)和接收均衡(最高36 dB),以便在有损铜缆(10米或更长)或背板中实现更长距离传输(40英寸或更大)带有多个连接器。接收器可以打开由于互连介质引入的符号间干扰(ISI)而完全关闭的输入眼。 可通过引脚或软件轻松应用可编程设置(SMBus /I 2 C),或者可以通过外部EEPROM加载。在EEPROM模式下工作时,配置信息会在上电时自动加载,无需外部微处理器或软件驱动程序。 特性 全面的系列,经过验证的系统互操作性 DS80PCI102:x1 PCIe Gen-1,Gen-2和Gen -3 DS80PCI402 :x4 PCIe Gen-1,Gen-2和Gen-3 DS80PCI800:x8 /x16 PCIe Gen-1,Gen-2和Gen-3 自动速率检测和适应Gen-1,Gen-2和Gen-3速度 无缝支持Gen-3发送FIR...

  XIO3130 集成 PCI Express® (PCIe) 1:3 4 端口 4 通道分组交换机

  德州仪器XIO3130交换机是PCI Express×1 3端口扇出交换机。 XIO3130提供单个×1上行端口,同时支持每个方向的完整250 MB /s数据包吞吐量。提供三个可独立配置的×1下游端口,同时支持每个方向的完整250 MB /s数据包吞吐量。 实现直通架构,以减少与通过PCI传输的数据包相关的延迟快递面料。一旦在进入入口端口的分组的报头内解码地址或路由信息,该分组就被引导到出口端口以进行转发。在出口数据包传输开始后检测到数据包错误的情况下,支持使用EDB成帧信号的数据包中毒。 下游端口可配置为支持PCI热插拔插槽实现。在这种情况下,系统设计人员可能决定使用集成的PCI热插拔兼容控制器。此功能可通过PCI Express功能结构下的经典PCI配置空间获得。启用后,下游端口提供PCI热插拔标准机制,以应用和断开插槽或插槽的电源。 电源管理功能包括活动状态电源管理,PME机制,信标/唤醒协议,和所有传统的PCI D状态。启用ASPM时,每个链路在空闲时使用L0和L1状态自动节省功耗。支持PME消息以及PME_Turn_Off /PME_TO_Ack协议。 启用时,上游端口支持信标传输以及 WAKE 端带有信号以通过PCI热插拔事件唤醒...

  DS64BR111 Ultra Low Power 10.3 Gbps 2-Channel Repeaters with Input Equalization and Output De-Emphasis

  DS64BR111是一款极低功耗,高性能的双通道中继器,适用于数据速率高达6.4 Gbps的串行链路。 DS64BR111引脚配置为一个双向通道(一个发送,一个接收通道)。 DS64BR111具有强大的4级连续时间线性均衡器(CTLE),可提供高达+25 dB的增强在3.2 GHz时打开一个输入眼,由于互连介质(如FR-4背板或AWG-30电缆)引起的符号间干扰(ISI)而完全关闭。该发送器具有可编程输出去加重驱动器,最高可达-12 dB,允许从700 mVp-p到1200 mVp-p中选择幅度电压电平,以适应多种应用场景。 可通过引脚设置,SMBus(I2C)协议或外部EEPROM应用可编程设置。在EEPROM模式下工作时,配置信息会在上电时自动加载 - 这样就不需要外部微处理器或软件驱动程序。 作为TI PowerWise系列节能设备的一部分,DS64BR111仅消耗功率65 mW /通道(典型值),允许选项关闭未使用的通道。这种超低功耗消除了对外部散热器的需求,简化了有源电缆应用中的热管理。 特性 双通道中继器,最高6.4 Gbps DS64BR111:1x双向通道 低功耗65mW /通道(典型值),可选择关闭未使用的通道 高级信号调理功能 接收均衡,最高+25 dB 发送去...

  德州仪器PCI2050B PCI-to-PCI桥接器提供两条外围组件互连(PCI)总线之间的高性能连接路径,工作在最大总线兆赫。事务发生在一个主设备和另一个PCI总线B网桥允许桥接事务在两个总线上同时发生。网桥支持突发模式传输以最大化数据吞吐量,并且通过网桥的两条总线流量路径独立运行。 PCI2050B网桥符合 PCI本地总线规范,并且通过创建分层总线,可以用来克服每个PCI总线个设备和每个扩展槽一个PCI设备的电气负载限制。 PCI2050B为多达9个辅助总线主控制器提供双层内部仲裁,并可通过外部总线仲裁器实现。 CompactPCI™热插拔扩展PCI功能使PCI2050B桥接器成为多功能的理想解决方案紧凑型PCI卡,并使单功能卡适应热插拔合规性。 PCI2050B桥接器符合 PCI-to-PCI桥接规范(修订版1.1)。 PCI2050B桥接器符合 PCI总线电源管理接口规范(修订版1.1)。 PCI2050B桥接器旨在引领行业节能和数据吞吐量。先进的CMOS工艺可在低至66 MHz的PCI时钟速率下实现低系统功耗。 特性 两条32位,66 MHz PCI总线 V核心逻辑,兼容通用PCI接口

  SN65LVPE504 四通道(半双工 x4 线路)PCI Express Gen II 转接驱动器/均衡器

  SN65LVPE504是一款四通道半通道PCIe转接驱动器和信号调理器,支持高达5.0Gbps的数据速率。该器件符合PCIe规范修订版2.1,支持电气空闲和电源管理模式。 可编程均衡器,去加重和幅度摆幅 SN65LVPE504是旨在最大限度地减少信号衰减效应,如串扰和符号间干扰(ISI),限制两个设备之间的互连距离。每个通道的输入级提供可选的均衡设置,可对其进行编程以匹配通道中的损耗。差分输出提供可选择的去加重,以补偿PCIe信号将经历的预期失线个通道的均衡和去加重电平均由信号控制引脚EQ,DE和OS的设置控制。 有关EQ,DE和OS设置的详细信息,请参见表1.

  特性 4个相同的通道PCIe均衡器/转接驱动器 支持PCIe第一代(2.5Gbps)和第二代(5.0) Gbps)速度 可选均衡,去加重和输出摆幅 每通道接收检测(通道检测) 可选接收器电气空闲阈值控制 低工作功耗模式 支持三种低功耗模式,使功耗降低80% 卓越的抖动和损耗补偿能够在FR4上使用50英寸4密耳SL 小尺寸打印 - 42针9×3.5 TQFN封装 高抗ESD瞬态保护 HBM:6,000 V CDM:1,000 V MM:200 V 应用程序 PC MB,...

  PCI2060 采用紧凑便于热插拔 PCI 的异步 32 位 66MHz 9 主 PCI 至 PCI 桥接器

  德州仪器PCI2060是一款32位异步PCI-to-PCI桥接器,完全符合 PCI本地总线规范

  ,Revision 2.3和 PCI-to-PCI Bridge Specification ,Revision 1.1。 PCI2060桥接器可使主要和次要总线时钟完全异步,并支持高达66 MHz的PCI时钟频率。 PCI2060桥接架构可配置用于 PCI总线电源接口规范。它可以配置为支持1.0版或1.1版。通过使用1.8 V核心逻辑以及兼容3.3 V和5 V PCI信令环境的通用PCI接口,可实现节能。 PCI2060桥接器允许主要和次要总线同时运行。它为每个方向提供独立的读写缓冲区,并利用流水线架构进行突发数据传输。 PCI2060桥接器可以克服每个PCI总线个设备和每个扩展一个PCI设备的电气负载限制通过创建分层总线插槽。添加到系统的每个PCI2060桥都会创建一个新的PCI总线个辅助总线主控制器提供双层内部仲裁,并可通过外部仲裁器实现。 PCI2060桥接器提供符合的CompactPCI热插拔支持PICMG CompactPCI热插拔规范,修订版1.0。 特性 完全支持 PCI本地总线 完全支持 PCI -to-PCI桥规范,修订版1.1 完全支持高级...

  PCI2250 32 位 33MHz PCI 至 PCI 桥接器压缩 PCI 热插拔 4 主控方

  德州仪器PCI2250 PCI-to-PCI桥接器在两个外围组件互连(PCI)总线之间提供高性能连接路径。事务发生在一条PCI总线上的主机和另一条PCI总线允许桥接事务在两条总线上同时发生。网桥支持突发模式传输以最大化数据吞吐量,并且通过网桥的两条总线流量路径独立运行。 PCI2250桥接器符合PCI本地总线规范,可用于通过创建分层总线来克服每个PCI总线个设备和每个扩展槽一个PCI设备的电气负载限制。 PCI2250为多达四个辅助总线主控制器提供双层内部仲裁,并可通过外部辅助PCI总线提供紧凑型PCI(CPCI)热插拔扩展功能,使其成为多功能紧凑型PCI卡的理想解决方案,并使单功能卡适应热插拔合规性。 PCI2250桥接器符合PCI-to-PCI桥接规范。它可以配置为主接口上的正解码或减法解码,并提供几个额外的解码选项,使其成为定制PCI应用的理想桥接。包括两个扩展窗口,PCI2250提供串行和并行端口地址的解码。 PCI2250符合PCI电源管理接口规范修订版1.0和1.1。此外,PCI2250还为低功耗移动和对接应用提供PCI CLKRUN桥接支持。 PCI2250旨...

  DS80PCI800 具有均衡和去加重功能的 2.5 Gbps/5.0 Gbps/8.0 Gbps 8 通道 PCI Express 中继器

  DS80PCI800是一款低功耗,8通道中继器,具有4级输入均衡功能,以及输出去加重驱动器,可增强PCI的覆盖范围 - 在板对板或电缆互连中快速串行链路。该器件非常适用于更高密度的x8和x16 PCI-Express配置,并可自动检测并适应Gen-1,Gen-2和Gen-3数据速率,以便于系统升级。 DS80PCI800提供可编程发送去加重(高达12 dB),发送VOD(高达1300 mVp-p)和接收均衡(高达36 dB),以便在有损铜缆(10米或更长)或背板中实现更长距离传输( 40英寸或更大)带有多个连接器。接收器可以打开由于互连介质引入的符号间干扰(ISI)而完全关闭的输入眼。 可通过引脚或软件轻松应用可编程设置(SMBus /I 2 C),或者可以通过外部EEPROM加载。在EEPROM模式下工作时,配置信息会在上电时自动加载,无需外部微处理器或软件驱动程序。 特性 全面的系列,经过验证的系统互操作性 DS80PCI102:x1 PCIe Gen-1,Gen-2和Gen -3 DS80PCI402:x4 PCIe Gen-1,Gen-2和Gen-3 DS80PCI800 :x8 /x16 PCIe Gen-1,Gen-2和Gen-3 自动速率检测和适应Gen-1/2/3速度 无缝支持Gen-3发送FIR握...


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