基于FPGA实现Mini-LVDS转LVDS

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基于FPGA实现Mini-LVDS转LVDS，本质上是在FPGA内部构建一个协议桥接或信号中继器。

这种情况通常出现在这样的场景：有一个输出Mini-LVDS信号的源（如一颗专用的显示驱动芯片）（显示器主板、电视机主板），但需要采集输出Mini-LVDS信号来自动化检测主板、提高生产效率，或者驱动一个标准LVDS接口的显示屏。FPGA作为中间的灵活处理单元，完成协议的转换、数据的处理、图像的缩放截取、帧率的转换或信号的重新驱动。

一、核心概念澄清：电气层与协议层

首先，必须明确一点：

在电气层面上，Mini-LVDS和LVDS是兼容的。 它们的差分电压摆幅、共模电压等特性非常相似。一个标准的LVDS接收器可以直接接收Mini-LVDS信号，反之亦然。
所谓的“转换”，通常不是在电气层面，而是在协议和数据组织层面。

因此，FPGA在这里的角色更像是：

一个信号中继器/净化器： 接收可能因长距离传输而衰减的Mini-LVDS信号，将其转换为干净的、驱动能力更强、适用更方便的LVDS信号。
一个协议/数据映射器： 将源端Mini-LVDS的特定数据格式（如像素排列、同步信号方式）转换到目标LVDS采集卡/屏幕所需的格式。

二、系统架构

整个系统的数据流如下所示：

   [ Mini-LVDS 源 ]
         | (差分对： CLK, D0, D1, ... Dn)
         V
      [ FPGA ]
         |-- LVDS 接收器 (ISERDESE2)
         |-- 时钟数据恢复/对齐 (Bitslip)
         |-- 像素数据处理与映射 (核心逻辑)
         |-- LVDS 发送器 (OSERDESE2)
         |
         V (差分对： CLK_OUT, D0_OUT, D1_OUT, ... Dm_OUT)
   [ LVDS 显示屏 ]

三、FPGA 实现详细步骤

整个流程可以分为接收（RX）、处理（Processing） 和发送（TX） 三个部分。

第一部分：Mini-LVDS 接收 (RX)

这一步与上一个问题“Mini-LVDS接收”完全一致。

硬件连接与约束：
- 将输入的Mini-LVDS差分对（时钟和数据）连接到FPGA支持LVDS输入的专用引脚上。
- 在约束文件中将I/O标准设置为 LVDS。
时钟处理：
- 使用 IBUFGDS 将差分输入时钟 MCLK_P/N 转换为单端全局时钟。
- 使用MMCM/PLL根据这个输入时钟生成SerDes所需的高速采样时钟和像素时钟。
解串器：
- 为每一路Mini-LVDS数据线实例化一个解串器原语（如Xilinx的 ISERDESE2）。
- 正确配置串行化因子（如7:1）。
- 输入时钟是MMCM生成的高速采样时钟。
通道对齐：
- 使用 Bitslip 控制信号，通过对齐训练模式（如固定的同步头），确保所有数据通道都与输入时钟边沿对齐，并且彼此之间对齐。
- 对齐后，您将得到稳定的并行数据总线（如6路7位数据）、以及行场同步信号（HSYNC, VSYNC）和数据使能（DE）。

第二部分：数据处理与映射 (核心转换逻辑)

这是实现特定转换功能的核心。此时，数据已经在FPGA的并行像素时钟域下了。

数据重组：
- 将来自多个解串器的并行数据，按照源端的规则，拼接成完整的RGB像素数据。例如，可能是 {R[7:0], G[7:0], B[7:0]}。
格式转换（如果需要）：
- 色彩深度转换： 如果源是18-bit RGB (6-6-6)，而目标屏是24-bit RGB (8-8-8)，您需要进行位填充或色彩空间转换。
- 分辨率缩放： 如果输入和输出分辨率不同，需要集成一个Scaler IP核。
- 帧率转换： 如果需要改变帧率，则需要使用帧缓存（如外部DDR内存）。
- 同步信号极性调整： 有些屏幕的HSYNC/VSYNC是低有效，有些是高有效，可以在这里用逻辑取反实现。
- 协议映射： 如果Mini-LVDS和LVDS端使用了不同的视频传输协议（如SPWG vs. JEIDA），您需要在这里重新排列RGB子像素的顺序。
时钟域处理：
- 接收端使用源像素时钟 clk_pixel_in。
- 发送端可能需要使用目标像素时钟 clk_pixel_out。
- 如果两个时钟频率不同（如需要帧率转换），必须使用异步FIFO来进行安全的跨时钟域数据传输。

第三部分：LVDS 发送 (TX)

这一步是将处理后的并行数据重新串行化，并通过LVDS驱动器发送出去。

并串转换：

使用FPGA的串行器原语，如Xilinx的 OSERDESE2。
为每一路要输出的LVDS数据线实例化一个 OSERDESE2。
配置与接收端相同的串行化因子（如7:1）。

// 示例代码片段 - OSERDESE2
OSERDESE2 #(
    .DATA_RATE("DDR"),
    .DATA_WIDTH(7),
    .SERDES_MODE("MASTER")
)
OSERDESE2_inst (
    .O(lvds_data_out_p),       // 串行数据输出，连接到OBUFDS
    .Q1(), .Q2(), ... , .Q8(), // 未使用
    .CLK(clk_high_speed),      // 高速串行时钟
    .CLKDIV(clk_pixel_out),    // 并行像素时钟
    .D1(data_out[0]),          // 并行数据输入 LSB
    .D2(data_out[1]),
    .D3(data_out[2]),
    .D4(data_out[3]),
    .D5(data_out[4]),
    .D6(data_out[5]),
    .D7(data_out[6]),          // 并行数据输入 MSB
    .OCE(1'b1),
    .RST(rst)
);

LVDS 输出缓冲：

使用 OBUFDS 原语将单端信号转换为差分信号输出到FPGA引脚。

OBUFDS #(
    .IOSTANDARD("LVDS")
) OBUFDS_inst (
    .O(D0_OUT_P),
    .OB(D0_OUT_N),
    .I(lvds_data_out_p)
);

输出时钟生成：
- 同样使用 OSERDESE2 和 OBUFDS 来处理输出时钟通道。通常会给时钟通道一个固定的“01”交替的码型，这样在接收端就能得到一个干净的时钟。

四、简化设计与IP核使用

Xilinx：
- 接收端： 使用 SelectIO Interface Wizard IP核，配置为RX。
- 发送端： 使用 SelectIO Interface Wizard IP核，配置为TX。
- 中间的逻辑处理部分自己用HDL实现。
Intel：
- 接收端： 使用 ALTLVDS_RX IP核。
- 发送端： 使用 ALTLVDS_TX IP核。