USB与LVDS接口转换器技术简介

　　1 引言
　　通用串行总线USB(Universal Serial Bus)接口以其通信速率快，USB2．0协议速率达480 Mb／s，支持热插拔的特点得到广泛应用，缓解日益增加的PC外设与有限的主板插槽和端口之间的矛盾；而低压差分信号LVDS(Low-Voltage Differential Signaling)接口作为一种新型的高速串行。低噪声的数据传输接口，广泛应用于视频传输领域，实现USB与LVDS接口转换，使在只有USB接的情况下便可实现双视频显示的连接，进一步扩展两种接口的使用范围，从而在一定程度上解决主板插槽与端口日益匮乏的问题。
　　2 系统概述
　　该系统设计主要由稳压电路，USB接口，基于FPGA的协议数据转换以及LVDS接口等部分组成，其系统设计框图如图1所示。该系统设计的USB接口使用高速USB物理层收发器USB3300将USB协议的差分信号转换成8位的并行信号后，再与FPGA交互数据，从而避免FPGA直接与USB协议的物理层交互数据，简化FPGA可编程门阵列编程。基于同样思想，系统LVDS接口部分采用SN65LV1023与SN62LV1224，将低压差分信号转换成 10位的并行信号再与FPGA进行数据交互。通过专用转换器USB3300，SN65LV1023，SN65LV1224使得FPGA只与并行信号和相应的控制信号连接，而不与USB协议和LVDS协议的复杂物理层信号交互，从而较为简单地实现协议数据转换的软件编程。

       
　　系统设计使用两片USB3300，其中USB3300 A与主机PC的USB接口相连，将主机传输的USB协议数据转换后，通过与FPGA的数据交互以及FPGA的协议数据转换，转换成10位并行信号，输出给 SN65LV1023，最后以LVDS协议的低压差分信号输出，实现USB接口到LVDS接口的转换。而SN65LV1224与主机的LVDS接口连接，将LVDS协议的数据转换成10位并行输入FPGA进行协议数据转换后，再将8位并行数据与USB3300_B进行数据交互，最后以USB协议的差分信号输出，从而实现LVDS接口到USB接口的转换。
　　3 系统硬件设计
　　3．1 稳压电路
　　该系统设计需要提供5 V和3．3 V的稳定电压信号。于是稳压电路部分使用TPS76815向系统提供5 V的电压信号，TPS76815电路连接如图2所示，使能丽引脚接地，为除去毛刺则在OUT端接4．7μF和0．01μF的电容滤波，使用 TPS76833提供3．3 V电压信号。TPS76833连接电路与TP$76815类似。

   
　　3．2 USB接口电路
　　因为USB协议的物理层定义过于复杂，采用FPGA现场可编程逻辑门阵列与USB协议物理层交互难度太大，同时也很难满足数据收发时序同步要求。所以应在与FPGA数据交互前进行必要的数据转换。因此，考虑使用USB控制器。而一般的 USB控制器只支持USB1．1协议，并不满足高速传输要求．而转换后的数据也较复杂。不利于协议数据转换部分的编程。本系统应用SMSC公司开发的高速 USB物理层收发器USB3300。USB3300使用低引脚计数接口(ULPI)连接ULPI兼容链路层。ULPI接口在链路层和PHY之间采用传输频带内信号和状态字节的方法，将引脚数从UTMI+接口的54降低到12。这样大大降低USB协议物理层与FPGA数据交互的难度，易于软件编程。
　　USB3300连接电路如图3所示，为控制数据传输的时序同步，采用USB3300的时钟输出工作方式。USB3300外接24 MHz的时钟晶体振荡器，经内部锁相环电路转换为60 MHz信号，通过CLK输入FPGA作为其时钟信号，从而实现FPGA与USB3300的时钟同步。USB接口部分与FPGA的数据交互传输通过双向的8 位数据信号实现，USB3300通过DIR与NXT信号输出控制数据信号的传输方向，而FPGA通过STP信号控制数据的传输方向USB3300的状态。这样便实现FPGA与USB3300的数据交互。

　　3．3 协议数据转换部分
　　系统协议数据转换部分中采用现场可编程逻辑门阵列器件EP1C6U240C8进行编程，主要实现的功能是将与USB3300交互的数据转换成10位并行数据与SN65LV1023和SN65LV1224交互，同时通过STP信号控制 USB3300的数据传输方向和USB3300的状态。由于USB协议本身有低功耗模式，在低功耗模式时锁相环关闭，在硬件设计时一定要接RESET控制键，这样便于软件编程的调试。
　　3．4 LVDS接口电路
　　低压差分信号LVDS(Low Voltage Differential Signaling)接口是一种高速数据传输的物理层接口，其电压信号摆幅低，技术上能做到且产生极低噪声，功耗也极低，主要用于服务器、可堆垒集线器、无线基站、3FG交换机及高分辨率显示等。与USB协议接口类似其物理层信号直接与FPGA进行交互相当复杂，系统选用SN65LV1224和 SNLV1023，将FPGA与LVDS接口物理层数据交互，转换为10位的并行信号，同时通过相关的控制信号控制数据的传输方向。SN65LV1023 与SN65LV1224的硬件连接电路分别如图4和图5所示，其中SN65LV1023实现10位并行数据转换成LVDS的低压差分信号，同时FPGA通过TCLK_R／F控制内部锁相环，进而控制SN65LV1023状态。而SN65LV1224则将LVDS的低压差分信号转换成10位并行数据信号输入 FPGA，这样通过SN65LV1023与SN65LV1224，便在较为简单的情况下实现FPGA与LVDS接口的数据交互。

       
　　4 系统软件设计
　　利用可编程逻辑门阵列FPGA转换协议数据，由于系统使用USB3300可将USB协议物理层信号转换成8位并行信号，而使用SN65LV 1023与SN65LV1224则将低压差分信号LVDS转换成10位并行信号，这样大大简化FPGA的编程。
　　FPGA编程只需通过控制引脚，控制两个并行信号的输入输出即可，同时可将数据的读写操作模块化，从而进一步简化系统编程。
　　系统软件设计流程如同6所示。由于遵循USB协议，在一段时间不进行任何操作时则进入低功耗模式。而USB3300也拥有这一特性。在一定时间系统不进行任何的读写操作，USB3300将进入低功耗模式，此时USB3300会自动关闭锁相环时钟输出。

   
　　所以在系统启动后，首先判断USB3300的状态，如果在低功耗模式下，则控制STP信号开启内部时钟，进入到同步模式。
　　设备连接成功后，随时判断是否应该进行读写操作，若需要，则进入读写操作模块，实现读写操作后又开始判断读写。等待一段时间不执行读写操作后，USB3300则进入低功耗模式，关闭锁相环，等待下次读写操作时再重新启动内部时钟。

   
　　5 结论
　　采用专用转换器USB3300，SN65LV1023，SN65LV1224分别将USB协议物理层的差分信号和LVDS的低压差分信号转换成并行信号，并通过FPGA编程实现协议编程的转换。该系统设计较为简单，并且系统拓展较简单，可易于实现USB接口、LVDS接口对多种接口的转换。
　　由于串口通信协议的物理层信号较为复杂，FPGA直接与其物理层信号进行数据交互比较难以实现，难以做到时序同步，而采用专用的转换器将串行信号转换成并行数据信号，则大大简化逻辑门阵列编程。该系统合理使用USB3300和SN65LV1023与SN65LV1224接口器件使得逻辑门阵列的编程易于实现，也可使用其他的专用转换器，实现不同接口的转换。