LVDS高速ADC接口， xilinx fpga实现
程序员文章站
2024-02-23 22:52:52
...
写在前面：最近一段时间在总结以前做过的项目，都是关于FPGA的接口技术和设计方法，让技术沉淀下来。会陆陆续续发表到博客，希望对大家理解FPGA有一点点帮助。
LVDS
即Low-Voltage Differential Signaling。FPGA的selecteIO非常强大，支持各种IO接口标准，电压电流都可以配置。其接口速率可以达到几百M甚至上千M。使用lvds来接收高速ADC产生的数据会很方便。像ISERDES，IDDR，IDELAY，OSERDES，ODDR这种资源在FPGA的IOB中多得是（每个IO都对应有，最后具体介绍），根本不担心使用。最近刚在项目中用到，提供一个思路，具体的器件使用参考FPGA手册。
使用的AD芯片是ADI的AD9653，125M16bit高精度高速ADC，用到的采样速率是80M。其SPI配置会单独开一篇来讲，SPI配置里面有个大坑，本来以为调好了的，后来又发现了问题，调了三天才定位到问题在哪，这就是硬件的魅力（坑爹）所在了吧。这里主要介绍FPGA的接收部分。
接收ADC数据的时序图，
有几点需要注意：
0 , 可以看出分成三种信号，数据采样时钟DCLK，帧同步信号FCLK，和输入数据DATA
1，输入数据采样时钟默认是已经对齐了输入数据的中点，但帧时钟是和数据字节边缘对齐的。
2，使用Iserdes接收数据，Idelay调整时钟延迟。
1，对数据采样时钟的处理如下
通过控制延时，使得CLK和经过IBUFDS的BitClk对齐，从而消除IBUFIO和BUFR还有net的延时。这样所有的输入信号都只经过了一个IBUFDS，延时相等。对Idelay的控制，可以手动调节，也可以用自动算法。（参考xapp524）
IBUFDS #(
.DIFF_TERM("TRUE"), // Differential Termination
.IBUF_LOW_PWR("TRUE"), // Low power="TRUE", Highest performance="FALSE"
.IOSTANDARD("DEFAULT") // Specify the input I/O standard
) IBUFDS_inst10 (
.O(W0_dc_clk), // Buffer output
.I(I_AD_FPGA_DC_p), // Diff_p buffer input (connect directly to top-level port)
.IB(I_AD_FPGA_DC_n) // Diff_n buffer input (connect directly to top-level port)
);
wire W_delay_rdy;
wire [4:0] W_delay_cnt;
wire [7:0] W_allign_word;
vio_0 vio_u (
.clk(W_fc_clk), // input wire clk
.probe_in0(W_delay_rdy), // input wire [0 : 0] probe_in0
.probe_in1(W_allign_word),// input wire [7 : 0] probe_in1
.probe_out0(W_delay_cnt) // output wire [4 : 0] probe_out0
);
(* IODELAY_GROUP = "delay1" *)
IDELAYCTRL IDELAYCTRL_inst1 (
.RDY(W_delay_rdy), // 1-bit output: Ready output
.REFCLK(I_ref_clk_200m), // 1-bit input: Reference clock input
.RST(~I_reset_n) // 1-bit input: Active high reset input
);
(* IODELAY_GROUP = "delay1" *)
IDELAYE2 #(
.CINVCTRL_SEL("FALSE"), // Enable dynamic clock inversion (FALSE, TRUE)
.DELAY_SRC("IDATAIN"), // Delay input (IDATAIN, DATAIN)
.HIGH_PERFORMANCE_MODE("TRUE"), // Reduced jitter ("TRUE"), Reduced power ("FALSE")
.IDELAY_TYPE("VAR_LOAD"), // FIXED, VARIABLE, VAR_LOAD, VAR_LOAD_PIPE
.IDELAY_VALUE(0), // Input delay tap setting (0-31)
.PIPE_SEL("FALSE"), // Select pipelined mode, FALSE, TRUE
.REFCLK_FREQUENCY(200.0), // IDELAYCTRL clock input frequency in MHz (190.0-210.0, 290.0-310.0).
.SIGNAL_PATTERN("CLOCK") // DATA, CLOCK input signal
)
IDELAYE2_inst1 (
.CNTVALUEOUT(), // 5-bit output: Counter value output
.DATAOUT(W1_dc_clk), // 1-bit output: Delayed data output
.C(W_fc_clk), // 1-bit input: Clock input
.CE(1'b0), // 1-bit input: Active high enable increment/decrement input
.CINVCTRL(1'b0), // 1-bit input: Dynamic clock inversion input
.CNTVALUEIN(W_delay_cnt), // 5-bit input: Counter value input
.DATAIN(1'b0), // 1-bit input: Internal delay data input
.IDATAIN(W0_dc_clk), // 1-bit input: Data input from the I/O
.INC(1'b0), // 1-bit input: Increment / Decrement tap delay input
.LD(1'b1), // 1-bit input: Load IDELAY_VALUE input
.LDPIPEEN(1'b0), // 1-bit input: Enable PIPELINE register to load data input
.REGRST(1'b0) // 1-bit input: Active-high reset tap-delay input
);
BUFIO BUFIO_p (
.O(W_dc_clk), // 1-bit output: Clock output (connect to I/O clock loads).
.I(W2_dc_clk) // 1-bit input: Clock input (connect to an IBUF or BUFMR).
);
BUFR #(
.BUFR_DIVIDE("4"), // Values: "BYPASS, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8"
.SIM_DEVICE("7SERIES")// Must be set to "7SERIES"
)
BUFR_inst (
.O(W_fc_clk), // 1-bit output: Clock output port
.CE(1'b1), // 1-bit input: Active high, clock enable (Divided modes only)
.CLR(1'b0), // 1-bit input: Active high, asynchronous clear (Divided modes only)
.I(W2_dc_clk) // 1-bit input: Clock buffer input driven by an IBUF, MMCM or local interconnect
);
ISERDESE2 #(
.DATA_RATE("SDR"), // DDR, SDR
.DATA_WIDTH(8), // Parallel data width (2-8,10,14)
.DYN_CLKDIV_INV_EN("FALSE"), // Enable DYNCLKDIVINVSEL inversion (FALSE, TRUE)
.DYN_CLK_INV_EN("FALSE"), // Enable DYNCLKINVSEL inversion (FALSE, TRUE)
.INIT_Q1(1'b0),
.INIT_Q2(1'b0),
.INIT_Q3(1'b0),
.INIT_Q4(1'b0),
.INTERFACE_TYPE("NETWORKING"),// MEMORY, MEMORY_DDR3, MEMORY_QDR, NETWORKING, OVERSAMPLE
.IOBDELAY("IBUF"), // NONE, BOTH, IBUF, IFD
.NUM_CE(2), // Number of clock enables (1,2)
.OFB_USED("FALSE"), // Select OFB path (FALSE, TRUE)
.SERDES_MODE("MASTER"), // MASTER, SLAVE
.SRVAL_Q1(1'b0),
.SRVAL_Q2(1'b0),
.SRVAL_Q3(1'b0),
.SRVAL_Q4(1'b0)
)
ISERDESE2_inst0 (
.O(W2_dc_clk), // 1-bit output: Combinatorial output
.Q1(W_allign_word[0]), // Q1 - Q8: 1-bit (each) output: Registered data outputs
.Q2(W_allign_word[1]),
.Q3(W_allign_word[2]),
.Q4(W_allign_word[3]),
.Q5(W_allign_word[4]),
.Q6(W_allign_word[5]),
.Q7(W_allign_word[6]),
.Q8(W_allign_word[7]),
.SHIFTOUT1(),
.SHIFTOUT2(),
.BITSLIP(),
.CE1(1'b1),
.CE2(1'b1),
.CLKDIVP(1'b0), // 1-bit input: TBD
.CLK(W_dc_clk), // 1-bit input: High-speed clock
.CLKB(~W_dc_clk), // 1-bit input: High-speed secondary clock
.CLKDIV(W_fc_clk), // 1-bit input: Divided clock
.OCLK(1'b0), // 1-bit input: High speed output clock used when INTERFACE_TYPE="MEMORY"
.DYNCLKDIVSEL(1'b0), // 1-bit input: Dynamic CLKDIV inversion
.DYNCLKSEL(1'b0), // 1-bit input: Dynamic CLK/CLKB inversion
.D(W0_dc_clk), // 1-bit input: Data input
.DDLY(W1_dc_clk), // 1-bit input: Serial data from IDELAYE2
.OFB(1'b0), // 1-bit input: Data feedback from OSERDESE2
.OCLKB(1'b0), // 1-bit input: High speed negative edge output clock
.RST(~I_reset_n), // 1-bit input: Active high asynchronous reset
.SHIFTIN1(1'b0),
.SHIFTIN2(1'b0)
);1.1手动调节对齐
首先来看看手动调节算法，用vivado的vio可以很方便的输入输出，可手动在线修改观察现象，对后面的自动训练算法也有一定的启发作用。
默认R_delay_cnt=0时，可以看到输入的正弦波形很乱
慢慢的增加R_delay_cnt，当R_delay_cnt=12时，开始出现稳定的正弦波，实验发现R_delay_cnt=14，15，16时恰好采到时钟的边缘，也就是跟输入的原始时钟对齐了，可以看到采到边缘是allign_word一直在跳变，有的是0，有的是1。一直到R_delay_cnt=18，正弦波都很稳定。有效窗口可以准确计算出来，200M的Idelay参考时钟，78ps/tap。7tap*78ps=546ps。说明数据的有效窗口很小，毕竟是320M的DDR，半个周期都才1.56ns.
继续增加R_delay_cnt，当R_delay_cnt=20时，正弦波又变得不规则了。
最后取R_delay_cnt=15，可以在代码里面写死。
1.2自动训练算法
既然有了手动调节的算法，为什么还要用自动训练对齐的算法呢？在高低温测试的时候，器件的延迟会受温度的影响发生变化，特别是在时钟频率很高，数据有效窗口很小的时候，这时候就需要能够动态的改变R_delay_cnt的值去自适应delay的变化，增加了鲁棒性。
有了上面的手动调节算法，自动训练的思路也很简单了。上电复位后R_delay_cnt一直自加，记下最后一个全0和第一个全1的值，取中点。这里只考虑了一种情况，还可能是从全1到全0的情况。代码如下
wire W_delay_rdy ;
reg [4:0] R_delay_cnt ;
reg R_allign_down;
reg [4:0] R_cnt_low ;
reg [4:0] R_cnt_high ;
reg [5:0] R_cnt_sum ;
wire [4:0] W_half_cnt ;
wire [4:0] W_delay_cnt ;
wire [7:0] W_allign_word;
//auto allign fsm
//00000000->11111111
// |
// half
always @(posedge W_fc_clk or negedge I_reset_n)
begin
if(~I_reset_n)
begin
R_allign_down <= 0;
end
else if(&R_cnt_tx)
begin
R_allign_down <= 0;
end
else if(W_allign_word==8'hff)
begin
R_allign_down <= 1;
end
end
always @(posedge W_fc_clk or negedge I_reset_n)
begin
if(~I_reset_n)
begin
R_delay_cnt <= 0;
end
else if(&R_cnt_tx)
begin
R_delay_cnt <= 5'b1;
end
else if(~R_allign_down)
begin
R_delay_cnt <= R_delay_cnt + 1'b1;
end
end
always @(posedge W_fc_clk or negedge I_reset_n)
begin
if(~I_reset_n)
begin
R_cnt_low <= 0;
end
else if(W_allign_word==8'h00)
begin
R_cnt_low <= R_delay_cnt;
end
end
always @(posedge W_fc_clk or negedge I_reset_n)
begin
if(~I_reset_n)
begin
R_cnt_high <= 0;
end
else if(W_allign_word==8'hff)
begin
R_cnt_high <= R_delay_cnt;
end
end
always @(posedge W_fc_clk or negedge I_reset_n)
begin
if(~I_reset_n)
begin
R_cnt_sum <= 0;
end
else if(R_allign_down)
begin
R_cnt_sum <= {{R_cnt_low[4],R_cnt_low} + {R_cnt_high[4],R_cnt_high}};
end
end
assign W_half_cnt = R_cnt_sum[5:1];
assign W_delay_cnt = R_allign_down? W_half_cnt: R_delay_cnt;2，对帧同步信号和数据的处理
用上面产生的数据采样时钟同时去采样FCLK和DATA，使用Iserdes可以1:8进行串并转换。但是我们不知道字节的边界在哪里，所以要使用一个bit_slip对串转并的结果进行移位，移位的同时检测FCLK转换的输出，当输出是8’b11110000的时候就停止移位。
利用FC找到字节边界的代码如下
//-------------------------------------FC handle bit_slip-------------------------------------
IBUFDS #(
.DIFF_TERM("TRUE"), // Differential Termination
.IBUF_LOW_PWR("TRUE"), // Low power="TRUE", Highest performance="FALSE"
.IOSTANDARD("DEFAULT") // Specify the input I/O standard
) IBUFDS_inst9 (
.O(W_fc_refclk), // Buffer output
.I(I_AD_FPGA_FC_p), // Diff_p buffer input (connect directly to top-level port)
.IB(I_AD_FPGA_FC_n) // Diff_n buffer input (connect directly to top-level port)
);
ISERDESE2 #(
.DATA_RATE("DDR"), // DDR, SDR
.DATA_WIDTH(8), // Parallel data width (2-8,10,14)
.DYN_CLKDIV_INV_EN("FALSE"), // Enable DYNCLKDIVINVSEL inversion (FALSE, TRUE)
.DYN_CLK_INV_EN("FALSE"), // Enable DYNCLKINVSEL inversion (FALSE, TRUE)
.INIT_Q1(1'b0),
.INIT_Q2(1'b0),
.INIT_Q3(1'b0),
.INIT_Q4(1'b0),
.INTERFACE_TYPE("NETWORKING"),// MEMORY, MEMORY_DDR3, MEMORY_QDR, NETWORKING, OVERSAMPLE
.IOBDELAY("NONE"), // NONE, BOTH, IBUF, IFD
.NUM_CE(2), // Number of clock enables (1,2)
.OFB_USED("FALSE"), // Select OFB path (FALSE, TRUE)
.SERDES_MODE("MASTER"), // MASTER, SLAVE
.SRVAL_Q1(1'b0),
.SRVAL_Q2(1'b0),
.SRVAL_Q3(1'b0),
.SRVAL_Q4(1'b0)
)
ISERDESE2_inst9 (
.O(), // 1-bit output: Combinatorial output
.Q1(W_fc_patten[0]), // Q1 - Q8: 1-bit (each) output: Registered data outputs
.Q2(W_fc_patten[1]),
.Q3(W_fc_patten[2]),
.Q4(W_fc_patten[3]),
.Q5(W_fc_patten[4]),
.Q6(W_fc_patten[5]),
.Q7(W_fc_patten[6]),
.Q8(W_fc_patten[7]),
.SHIFTOUT1(),
.SHIFTOUT2(),
.BITSLIP(R_bit_slip),
.CE1(1'b1),
.CE2(1'b1),
.CLKDIVP(1'b0), // 1-bit input: TBD
.CLK(W_dc_clk), // 1-bit input: High-speed clock
.CLKB(~W_dc_clk), // 1-bit input: High-speed secondary clock
.CLKDIV(W_fc_clk), // 1-bit input: Divided clock
.OCLK(1'b0), // 1-bit input: High speed output clock used when INTERFACE_TYPE="MEMORY"
.DYNCLKDIVSEL(1'b0), // 1-bit input: Dynamic CLKDIV inversion
.DYNCLKSEL(1'b0), // 1-bit input: Dynamic CLK/CLKB inversion
.D(W_fc_refclk), // 1-bit input: Data input
.DDLY(1'b0), // 1-bit input: Serial data from IDELAYE2
.OFB(1'b0), // 1-bit input: Data feedback from OSERDESE2
.OCLKB(1'b0), // 1-bit input: High speed negative edge output clock
.RST(~I_reset_n), // 1-bit input: Active high asynchronous reset
.SHIFTIN1(1'b0),
.SHIFTIN2(1'b0)
);
always @(posedge W_fc_clk or negedge I_reset_n)
begin
if(~I_reset_n)
begin
R_bit_slip <= 0;
R_wait <= 0;
end
else
begin
if (R_wait==2'd3 && W_fc_patten!=8'b11110000)
begin
R_bit_slip <= 1;
R_wait <= 2'd1;
end
else
begin
R_bit_slip <= 0;
R_wait <= R_wait + 1'd1;
end
end
end数据采样代码和上面的差不多
IBUFDS #(
.DIFF_TERM("TRUE"), // Differential Termination
.IBUF_LOW_PWR("TRUE"), // Low power="TRUE", Highest performance="FALSE"
.IOSTANDARD("DEFAULT") // Specify the input I/O standard
) IBUFDS_inst1 (
.O(W_data_in1[0]), // Buffer output
.I(I_ad_lvds_d0_p[0]), // Diff_p buffer input (connect directly to top-level port)
.IB(I_ad_lvds_d0_n[0]) // Diff_n buffer input (connect directly to top-level port)
);
ISERDESE2 #(
.DATA_RATE("DDR"), // DDR, SDR
.DATA_WIDTH(8), // Parallel data width (2-8,10,14)
.DYN_CLKDIV_INV_EN("FALSE"), // Enable DYNCLKDIVINVSEL inversion (FALSE, TRUE)
.DYN_CLK_INV_EN("FALSE"), // Enable DYNCLKINVSEL inversion (FALSE, TRUE)
.INIT_Q1(1'b0),
.INIT_Q2(1'b0),
.INIT_Q3(1'b0),
.INIT_Q4(1'b0),
.INTERFACE_TYPE("NETWORKING"),// MEMORY, MEMORY_DDR3, MEMORY_QDR, NETWORKING, OVERSAMPLE
.IOBDELAY("NONE"), // NONE, BOTH, IBUF, IFD
.NUM_CE(2), // Number of clock enables (1,2)
.OFB_USED("FALSE"), // Select OFB path (FALSE, TRUE)
.SERDES_MODE("MASTER"), // MASTER, SLAVE
.SRVAL_Q1(1'b0),
.SRVAL_Q2(1'b0),
.SRVAL_Q3(1'b0),
.SRVAL_Q4(1'b0)
)
ISERDESE2_inst1 (
.O(), // 1-bit output: Combinatorial output
.Q1(W_ad_data1[0]), // Q1 - Q8: 1-bit (each) output: Registered data outputs
.Q2(W_ad_data1[1]),
.Q3(W_ad_data1[2]),
.Q4(W_ad_data1[3]),
.Q5(W_ad_data1[4]),
.Q6(W_ad_data1[5]),
.Q7(W_ad_data1[6]),
.Q8(W_ad_data1[7]),
.SHIFTOUT1(),
.SHIFTOUT2(),
.BITSLIP(R_bit_slip),
.CE1(1'b1),
.CE2(1'b1),
.CLKDIVP(1'b0), // 1-bit input: TBD
.CLK(W_dc_clk), // 1-bit input: High-speed clock
.CLKB(~W_dc_clk), // 1-bit input: High-speed secondary clock
.CLKDIV(W_fc_clk), // 1-bit input: Divided clock
.OCLK(1'b0), // 1-bit input: High speed output clock used when INTERFACE_TYPE="MEMORY"
.DYNCLKDIVSEL(1'b0), // 1-bit input: Dynamic CLKDIV inversion
.DYNCLKSEL(1'b0), // 1-bit input: Dynamic CLK/CLKB inversion
.D(W_data_in1[0]), // 1-bit input: Data input
.DDLY(1'b0), // 1-bit input: Serial data from IDELAYE2
.OFB(1'b0), // 1-bit input: Data feedback from OSERDESE2
.OCLKB(1'b0), // 1-bit input: High speed negative edge output clock
.RST(~I_reset_n), // 1-bit input: Active high asynchronous reset
.SHIFTIN1(1'b0),
.SHIFTIN2(1'b0)
);当数据率不是很高的IDDR数据，使用DDR替代Iserdes接收。IDDR和Iserdes使用的资源相同（待验证）
附：用到的FPGA资源详解
HR Bank真实的器件如下，一对IOB，可单独使用，可差分使用。后面的资源从上到下依次是ISERDES（ILOGIC）,IDELAY,OLOGIC(OSERDES),ILOGIC,IDELAY,OLOGIC。(ILOGIC可作为IDDR，OLOGIC可作为ODDR)。左上角的是一个clock region(如X0Y2)的中间分布的四个BUFIO和BUGR（局部时钟驱动，局部时钟分频，二者延时相等）。后面是一个IDELAYCTRL。
下面分别详细介绍：
IDEALY,
经过IDELAY必须要经过ISERDES,可直通。
ISERDES,
ISERDES和ILOGIC使用相同的资源，可互换
ILOGIC,
OLOGIC,
OSERDES,和OLOGIC使用相同的资源，可互换
功能描述
• Edge triggered D type flip-flop(FF)
• DDR mode (SAME_EDGE or OPPOSITE_EDGE)
• Level sensitive latch（Latch）
• Asynchronous/combinatorial（直通）
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