FPGA | Xilinx ISE14.7 LVDS应用

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今天给大侠带来 Xilinx ISE14.7 LVDS应用，话不多说，上货。

最近项目需要用到差分信号传输，于是看了一下FPGA上差分信号的使用。Xilinx FPGA中，主要通过原语实现差分信号的收发：OBUFDS（差分输出BUF），IBUFDS（差分输入BUF）。

注意在分配引脚时，只需要分配SIGNAL_P的引脚，SIGNAL_N会自动连接到相应差分对引脚上；若没有使用差分信号原语，则在引脚电平上没有LVDS的选项（IO Planning PlanAhead）。

测试代码：

module lvds_test(   sys_clk,                    sys_rst,                                        signal_in_p,                    signal_in_n,                    signal_out_p,                    signal_out_n,                                        led_signal                );
  input sys_clk,sys_rst;  input signal_in_p,signal_in_n;  output signal_out_p,signal_out_n;  output led_signal;
  wire signal_out_temp;  reg[31:0] clk_cnt;
  always @ (posedge sys_clk) begin      if(!sys_rst) clk_cnt <= 32'd0;      else begin          if(clk_cnt == 32'd10_000_000) clk_cnt <= 32'd0;          else clk_cnt <= clk_cnt+1'b1;      end  end    assign signal_out=(clk_cnt >= 32'd5_000_000) ? 1 : 0;    OBUFDS signal_out_diff(    .O(signal_out_p),                                  .OB(signal_out_n),                                  .I(signal_out)                              );    IBUFDS signal_in_diff(    .O(led_signal),                                  .I(signal_in_p),                                  .IB(signal_in_n)                              );  endmodule

约束文件：

NET "signal_out_p" IOSTANDARD = LVDS_33;
NET "signal_out_p" LOC = U16;
NET "sys_clk" IOSTANDARD = LVCMOS33;NET "sys_rst" IOSTANDARD = LVCMOS33;
NET "led_signal" LOC = D18;
NET "led_signal" IOSTANDARD = LVCMOS33;#Created by Constraints Editor (xc6slx45t-csg324-3) - 2016/06/06NET "sys_clk" TNM_NET = "sys_clk";TIMESPEC TS_sys_clk = PERIOD "sys_clk" 50 MHz HIGH 50 %;

NET "signal_in_p" LOC = T12;NET "signal_in_n" LOC = V12;NET "sys_clk" LOC = G8;NET "sys_rst" LOC = U3;
# PlanAhead Generated IO constraints 
NET "signal_in_p" IOSTANDARD = LVDS_33;

约束文件IO Planning PlanAhead产生，原语的使用可参考：E:XilinxISE14.7ISE_DSISEdocusenglishisehelpspartan6里面提供了所用器件的原语。

同时，Xilinx器件内部信号内部还提供了100欧姆电阻匹配，可参考Spartan-6 FPGA SelectIO Resources（UG381）

补充：

若要实现高速通信的场合，可以利用FPGA内部自带的SelectIO资源，利用ISERDESE2、 OSERDESE2，实现串-并，并-串的转换，理论速度可达到750Mbs,

参考资料：Spartan-6 FPGA Data Sheet: DC and Switching Characteristics（UG162）

通信框图：

因为串行转成并行的时候，输出的数据无法判断哪个 Bit 是高位，哪个 bit 是低位，因此，对于 ISERDESE2 可以利用bitslip 信号来重新对齐串行数据以获得正确的字节数据；代码实现时，也需要先进行数据对齐，才能进行数据的正常接收。

`timescale 1ns / 1ps////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////module lvds_test(  input clk_50m,//全局时钟  input rstn, //复位    input clk_in_from_pin_p,         //lvds时钟输出P  input clk_in_from_pin_n,         //lvds时钟输入N  input data_in_from_pin_p,        //lvds输入数据P  input data_in_from_pin_n,        //lvds输入数据N    output clk_out_to_pin_p,         //lvds时钟输出P  output clk_out_to_pin_n,         //lvds时钟输出N  output data_out_to_pin_p,        //lvds输出数据P  output data_out_to_pin_n         //lvds输出数据N      );

wire clk_div_out_1;      //低速时钟1，串行发送时钟的8分频wire clk_div_out_2;      //低速时钟2，串行接收时钟的8分频
wire [7:0] datain;       //LVDS输入的8位并行数据
//产生LVDS发送的测试数据，0~FFreg [7:0] dataout;always @(posedge clk_div_out_1) begin   if (~rstn)      dataout <= 0;   else if (dataout == 8'hff)     dataout <= 0;    else      dataout <= dataout + 1'b1;     end
//产生BITSLIP信号，用于修改串转并的Bit的起始位置wire [7:0] data_delay;reg BITSLIP=1'b0;reg slip_check;reg equal=1'b0;assign data_delay=datain;
always @(posedge clk_div_out_2)begin        if (~rstn)              slip_check <= 1'b0;        else if(data_delay==8'h80)      //当串转并的输入的数据为0x80的时候，检测开始              slip_check <= 1'b1;              else              slip_check <= 1'b0;        end
always @(posedge clk_div_out_2)begin        if (~rstn) begin              BITSLIP <= 1'b0;           equal<=1'b0;                end              else if((slip_check==1'b1) && (equal==1'b0))          if (data_delay ==8'h81) begin  //如果检测到数据0x80后面的下一个时钟的数据为0x81时             BITSLIP <= 1'b0;            //BITSLIP不为高           equal<=1'b1;                   //数据正确信号为高                  end          else begin             BITSLIP <= 1'b1;           //BITSLIP产生一个高脉冲，改变串转并的数据排列           equal<=1'b0;                  //数据正确信号为低        end             else begin             BITSLIP <= 1'b0;           equal<=equal;          end              end          //并转串，8位数据dataout转换成串行数据，并通过lvds差分信号输出p_to_s p_to_s_inst   (  // From the device out to the system    .DATA_OUT_FROM_DEVICE(dataout), //Input pins    .DATA_OUT_TO_PINS_P(data_out_to_pin_p), //Output pins    .DATA_OUT_TO_PINS_N(data_out_to_pin_n), //Output pins    .CLK_TO_PINS_P(clk_out_to_pin_p), //Output pins    .CLK_TO_PINS_N(clk_out_to_pin_n), //Output pins
    .CLK_IN(clk_50m),        // Single ended clock from IOB    .CLK_DIV_OUT(clk_div_out_1),   // Slow clock output    .IO_RESET(~rstn)  //system reset);
//串转并，LVDS差分信号转换成单端信号再通过串转并，转换为8位数据datains_to_p s_to_p_inst   (  // From the system into the device    .DATA_IN_FROM_PINS_P(data_in_from_pin_p), //Input pins    .DATA_IN_FROM_PINS_N(data_in_from_pin_n), //Input pins    .DATA_IN_TO_DEVICE(datain), //Output pins
    .BITSLIP(BITSLIP), //Input pin    .CLK_IN_P(clk_in_from_pin_p),      // Differential clock from IOB    .CLK_IN_N(clk_in_from_pin_n),      // Differential clock from IOB    .CLK_DIV_OUT(clk_div_out_2),   // Slow clock output    .IO_RESET(~rstn)  //system reset);
endmodule

其中，clk_div_out_1和clk_div_out_2是8分频得到的（ISERDESE2、 OSERDESE2核实现），OSERDESE2输出的LVDS 差分时钟可作为ISERDESE2的接收时钟。