1 引言
通用串行總線USB(Universal Serial Bus)接口以其通信速率快，USB2．0協(xié)議速率達480 Mb／s，支持熱插拔的特點得到廣泛應(yīng)用，緩解日益增加的PC外設(shè)與有限的主板插槽和端口之間的矛盾；而低壓差分信號LVDS(Low-Voltage Differential Signaling)接口作為一種新型的高速串行。低噪聲的數(shù)據(jù)傳輸接口，廣泛應(yīng)用于視頻傳輸領(lǐng)域，實現(xiàn)USB與LVDS接口轉(zhuǎn)換，使在只有USB接的情況下便可實現(xiàn)雙視頻顯示的連接，進一步擴展兩種接口的使用范圍，從而在一定程度上解決主板插槽與端口日益匱乏的問題。
2 系統(tǒng)概述
該系統(tǒng)設(shè)計主要由穩(wěn)壓電路，USB接口，基于FPGA的協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及LVDS接口等部分組成，其系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示。該系統(tǒng)設(shè)計的USB接口使用高速USB物理層收發(fā)器USB3300將USB協(xié)議的差分信號轉(zhuǎn)換成8位的并行信號后，再與FPGA交互數(shù)據(jù)，從而避免FPGA直接與USB協(xié)議的物理層交互數(shù)據(jù)，簡化FPGA可編程門陣列編程。基于同樣思想，系統(tǒng)LVDS接口部分采用SN65LV1023與SN62LV1224，將低壓差分信號轉(zhuǎn)換成 10位的并行信號再與FPGA進行數(shù)據(jù)交互。通過專用轉(zhuǎn)換器USB3300，SN65LV1023，SN65LV1224使得FPGA只與并行信號和相應(yīng)的控制信號連接，而不與USB協(xié)議和LVDS協(xié)議的復(fù)雜物理層信號交互，從而較為簡單地實現(xiàn)協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的軟件編程。
系統(tǒng)設(shè)計使用兩片USB3300，其中USB3300 A與主機PC的USB接口相連，將主機傳輸?shù)腢SB協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，通過與FPGA的數(shù)據(jù)交互以及FPGA的協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成10位并行信號，輸出給 SN65LV1023，最后以LVDS協(xié)議的低壓差分信號輸出，實現(xiàn)USB接口到LVDS接口的轉(zhuǎn)換。而SN65LV1224與主機的LVDS接口連接，將LVDS協(xié)議的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成10位并行輸入FPGA進行協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，再將8位并行數(shù)據(jù)與USB3300_B進行數(shù)據(jù)交互，最后以USB協(xié)議的差分信號輸出，從而實現(xiàn)LVDS接口到USB接口的轉(zhuǎn)換。
3 系統(tǒng)硬件設(shè)計
3．1 穩(wěn)壓電路
該系統(tǒng)設(shè)計需要提供5 V和3．3 V的穩(wěn)定電壓信號。于是穩(wěn)壓電路部分使用TPS76815向系統(tǒng)提供5 V的電壓信號，TPS76815電路連接如圖2所示，使能麗引腳接地，為除去毛刺則在OUT端接4．7μF和0．01μF的電容濾波，使用 TPS76833提供3．3 V電壓信號。TPS76833連接電路與TP$76815類似。
3．2 USB接口電路
因為USB協(xié)議的物理層定義過于復(fù)雜，采用FPGA現(xiàn)場可編程邏輯門陣列與USB協(xié)議物理層交互難度太大，同時也很難滿足數(shù)據(jù)收發(fā)時序同步要求。所以應(yīng)在與FPGA數(shù)據(jù)交互前進行必要的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。因此，考慮使用USB控制器。而一般的 USB控制器只支持USB1．1協(xié)議，并不滿足高速傳輸要求．而轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)也較復(fù)雜。不利于協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換部分的編程。本系統(tǒng)應(yīng)用SMSC公司開發(fā)的高速 USB物理層收發(fā)器USB3300。USB3300使用低引腳計數(shù)接口(ULPI)連接ULPI兼容鏈路層。ULPI接口在鏈路層和PHY之間采用傳輸頻帶內(nèi)信號和狀態(tài)字節(jié)的方法，將引腳數(shù)從UTMI+接口的54降低到12。這樣大大降低USB協(xié)議物理層與FPGA數(shù)據(jù)交互的難度，易于軟件編程。
USB3300連接電路如圖3所示，為控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r序同步，采用USB3300的時鐘輸出工作方式。USB3300外接24 MHz的時鐘晶體振蕩器，經(jīng)內(nèi)部鎖相環(huán)電路轉(zhuǎn)換為60 MHz信號，通過CLK輸入FPGA作為其時鐘信號，從而實現(xiàn)FPGA與USB3300的時鐘同步。USB接口部分與FPGA的數(shù)據(jù)交互傳輸通過雙向的8 位數(shù)據(jù)信號實現(xiàn)，USB3300通過DIR與NXT信號輸出控制數(shù)據(jù)信號的傳輸方向，而FPGA通過STP信號控制數(shù)據(jù)的傳輸方向USB3300的狀態(tài)。這樣便實現(xiàn)FPGA與USB3300的數(shù)據(jù)交互。
3．3 協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換部分
系統(tǒng)協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換部分中采用現(xiàn)場可編程邏輯門陣列器件EP1C6U240C8進行編程，主要實現(xiàn)的功能是將與USB3300交互的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成10位并行數(shù)據(jù)與SN65LV1023和 SN65LV1224交互，同時通過STP信號控制 USB3300的數(shù)據(jù)傳輸方向和USB3300的狀態(tài)。由于USB協(xié)議本身有低功耗模式，在低功耗模式時鎖相環(huán)關(guān)閉，在硬件設(shè)計時一定要接RESET控制鍵，這樣便于軟件編程的調(diào)試。
3．4 LVDS接口電路
低壓差分信號LVDS(Low Voltage Differential Signaling)接口是一種高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢韺咏涌冢潆妷盒盘枖[幅低，技術(shù)上能做到且產(chǎn)生極低噪聲，功耗也極低，主要用于服務(wù)器、可堆壘集線器、無線基站、3FG交換機及高分辨率顯示等。與USB協(xié)議接口類似其物理層信號直接與FPGA進行交互相當(dāng)復(fù)雜，系統(tǒng)選用SN65LV1224和 SNLV1023，將FPGA與LVDS接口物理層數(shù)據(jù)交互，轉(zhuǎn)換為10位的并行信號，同時通過相關(guān)的控制信號控制數(shù)據(jù)的傳輸方向。SN65LV1023 與SN65LV1224的硬件連接電路分別如圖4和圖5所示，其中SN65LV1023實現(xiàn)10位并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成LVDS的低壓差分信號，同時FPGA通過TCLK_R／F控制內(nèi)部鎖相環(huán)，進而控制SN65LV1023狀態(tài)。而SN65LV1224則將LVDS的低壓差分信號轉(zhuǎn)換成10位并行數(shù)據(jù)信號輸入 FPGA，這樣通過SN65LV1023與SN65LV1224，便在較為簡單的情況下實現(xiàn)FPGA與LVDS接口的數(shù)據(jù)交互。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
利用可編程邏輯門陣列FPGA轉(zhuǎn)換協(xié)議數(shù)據(jù)，由于系統(tǒng)使用USB3300可將USB協(xié)議物理層信號轉(zhuǎn)換成8位并行信號，而使用SN65LV 1023與SN65LV1224則將低壓差分信號LVDS轉(zhuǎn)換成10位并行信號，這樣大大簡化FPGA的編程。
FPGA編程只需通過控制引腳，控制兩個并行信號的輸入輸出即可，同時可將數(shù)據(jù)的讀寫操作模塊化，從而進一步簡化系統(tǒng)編程。系統(tǒng)軟件設(shè)計流程如同6 所示。由于遵循USB協(xié)議，在一段時間不進行任何操作時則進入低功耗模式。而USB3300也擁有這一特性。在一定時間系統(tǒng)不進行任何的讀寫操作，USB3300將進入低功耗模式，此時USB3300會自動關(guān)閉鎖相環(huán)時鐘輸出。
所以在系統(tǒng)啟動后，首先判斷USB3300的狀態(tài)，如果在低功耗模式下，則控制STP信號開啟內(nèi)部時鐘，進入到同步模式。設(shè)備連接成功后，隨時判斷是否應(yīng)該進行讀寫操作，若需要，則進入讀寫操作模塊，實現(xiàn)讀寫操作后又開始判斷讀寫。等待一段時間不執(zhí)行讀寫操作后，USB3300則進入低功耗模式，關(guān)閉鎖相環(huán)，等待下次讀寫操作時再重新啟動內(nèi)部時鐘。
5 結(jié)論
采用專用轉(zhuǎn)換器USB3300，SN65LV1023，SN65LV1224分別將USB協(xié)議物理層的差分信號和LVDS的低壓差分信號轉(zhuǎn)換成并行信號，并通過FPGA編程實現(xiàn)協(xié)議編程的轉(zhuǎn)換。該系統(tǒng)設(shè)計較為簡單，并且系統(tǒng)拓展較簡單，可易于實現(xiàn)USB接口、 LVDS接口對多種接口的轉(zhuǎn)換。
由于串口通信協(xié)議的物理層信號較為復(fù)雜，F(xiàn)PGA直接與其物理層信號進行數(shù)據(jù)交互比較難以實現(xiàn)，難以做到時序同步，而采用專用的轉(zhuǎn)換器將串行信號轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)信號，則大大簡化邏輯門陣列編程。該系統(tǒng)合理使用USB3300和SN65LV1023與 SN65LV1224接口器件使得邏輯門陣列的編程易于實現(xiàn)，也可使用其他的專用轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)不同接口的轉(zhuǎn)換。