LVDS高速ADC接口 xilinx fpga实现

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 TVALUEIN(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// |//halfalways @(posedge W_fc_clk or negedge I_reset_n)beginif(~I_reset_n) beginR_allign_down <= 0;end else if(&R_cnt_tx)beginR_allign_down <= 0;endelse if(W_allign_word==8'hff)beginR_allign_down <= 1;endendalways @(posedge W_fc_clk or negedge I_reset_n)beginif(~I_reset_n) beginR_delay_cnt <= 0;end else if(&R_cnt_tx)beginR_delay_cnt <= 5'b1;endelse if(~R_allign_down)beginR_delay_cnt <= R_delay_cnt + 1'b1;endendalways @(posedge W_fc_clk or negedge I_reset_n)beginif(~I_reset_n) beginR_cnt_low <= 0;end else if(W_allign_word==8'h00)beginR_cnt_low <= R_delay_cnt;endendalways @(posedge W_fc_clk or negedge I_reset_n)beginif(~I_reset_n) beginR_cnt_high <= 0;end else if(W_allign_word==8'hff)beginR_cnt_high <= R_delay_cnt;endendalways @(posedge W_fc_clk or negedge I_reset_n)beginif(~I_reset_n) beginR_cnt_sum <= 0;end else if(R_allign_down)beginR_cnt_sum <= {{R_cnt_low[4],R_cnt_low} + {R_cnt_high[4],R_cnt_high}};endendassign 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)beginif(~I_reset_n) beginR_bit_slip <= 0;R_wait <= 0;end elsebeginif (R_wait==2'd3 && W_fc_patten!=8'b11110000) beginR_bit_slip <= 1;R_wait <= 2'd1;endelsebeginR_bit_slip <= 0;R_wait <= R_wait + 1'd1;endendend

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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