用FPGA收发器(SERDES)编解码HDMI

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#fpga开发 #图像处理 #视频编解码

本文介绍如何使用FPGA的SERDES模块构建一个支持多种HDMI分辨率（480p、720p、1080p、1080i）自动切换的编解码器。涵盖了电气兼容性、硬件设计、帧格式、节对齐逻辑、SCI总线配置、多分辨率设置和PCS复位顺序等关键内容。

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简介

HDMI标准在今天变得非常流行；我们可以看到，几乎所有新用户的高清设备都内置了这种接口。本文介绍了如何采用FPGA的SERDES及VHDL模块，建立在不同HDMI分辨率（480p、720p、1080p、1080i）之间自动切换的HDMI编解码器。还将涉PCS写入模块，通过SCI总线写入PCS寄存器，以更改SERDES参数。

 

本文将详细介绍以下主题：

  • 电气考虑
  • 使用什么PCS逻辑
  • 软双字节对齐逻辑
  • 在分辨率和 PCS 寄存器设置之间切换
  • 使用 SCI 总线针对不同的数据传输速率调整 CDR 和 TxPLL
  • 通电和正确的复位顺序

电气兼容性

 按以下三个主要部分进行兼容性检查：

  • 电气兼容性
  • Tx 和 Rx 的眼图兼容性
  • 用于 Tx 和 Rx 的引脚阻抗

 

结论是，从电气角度来看，ECP2M系列可以实现这样的标准，但需要外部元件来调节部分电压电平

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FPGA是一个很神奇的器件，工程师可以在上面做游戏或者说工程师每天都在上面做游戏，通过搭积木的方式，还能设计出精美绝伦，纷繁复杂，奇妙无比的电路，这使用器件搭建几乎是做不到的，因为太庞大！这种设计也只能在FPGA或者专用的IC中能够实现，IC只能定制，可是FPGA却可以反复使用，每一次都可以是不同的电路，因此，FPGA目前的应用十分广泛，在很多关键领域，也是香饽饽一样的存在。
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把差分时钟n 的延迟时间设定为0Bh，把差分时钟p的初始延迟设定为17h，然后保持差分时钟n 的延迟时间不变，每次调节1个Tape，用于差分时钟p和差分时钟n的反向 进行相位对比，直到二者相位差为零。根据idelay_value_p计算出target_idelay_value_p（目的是让clk_p与clk_n错开半个高速rx_clk时钟周期，即设置最佳采样点的采样时刻）,然后进行对idelay_cm模块进行设置。用来实现并行数据的边界对齐。将~clk_n当成数据，用clk_p的7倍频时钟进行采样。
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1.1 FPGA面试技能提升篇34（高速SERDES） 1.1.1 本节目录 1）本节目录； 2）本节引言； 3）FPGA简介； 4）FPGA面试技能提升篇34（高速SERDES）； 5）结束语。 1.1.2 本节引言 “不积跬步，无以至千里；不积小流，无以成江海。就是说：不积累一步半步的行程，就没有办法达到千里之远；不积累细小的流水，就没有办法汇成江河大海。 1.1.3 FPGA简介 FPGA（Field Programmable Gate Array）是在PAL、GAL等可编程器件的
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基于FPGA的cameralink编解码
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<think>好的，用户让我介绍一下基于FPGA的CameraLink编解码。首先，我需要确认自己对这个主题的理解是否正确。CameraLink是一种常用于工业相机和图像采集系统的接口标准，而FPGA在这里通常用来实现编解码功能。所以，用户可能想知道FPGA在CameraLink系统中的具体应用，包括编码和解码的过程，以及相关的技术细节。 接下来，我需要回顾CameraLink的基本知识。CameraLink标准定义了数据传输的物理层和协议层，使用LVDS信号，支持高速图像数据传输。它有不同的配置，比如Base、Medium、Full配置，对应不同的数据通道和带宽。编解码可能涉及将并行图像数据转换为符合CameraLink协议的串行数据（编码），或者反之（解码）。 然后，FPGA在其中的作用是什么？FPGA具有可编程性和并行处理能力，适合处理高速数据流。在编码端，FPGA可能需要接收来自图像传感器的并行数据，按照CameraLink的协议进行打包，添加同步信号和校验信息，然后通过SerDes（串行器/解串器）转换为LVDS信号输出。解码端则是接收LVDS信号，通过SerDes转换为并行数据，再由FPGA解析协议，提取有效图像数据，可能还需要处理时钟恢复和数据对齐的问题。 用户可能想知道具体实现的步骤或模块。比如，编码部分可能包括数据拆分、插入控制信号、并串转换；解码部分有时钟恢复、串并转换、数据解析和错误检测。同时，可能还需要考虑FPGA的资源使用，如如何优化逻辑资源，处理高速信号时的时序约束。 另外，用户可能对实际应用中的挑战感兴趣，比如信号完整性、电磁干扰、不同CameraLink配置的兼容性，以及如何测试和验证设计的正确性。可能还需要提到常用的开发工具，如Xilinx的Vivado或Intel的Quartus，以及使用IP核来简化设计。 需要确保回答结构清晰，分点说明，从基础概念到FPGA的实现细节，再到应用中的考虑因素。避免使用过于专业的术语，或者在必要时进行解释，以帮助不同背景的读者理解。还要检查是否有最新的技术发展，比如更高版本的CameraLink标准或FPGA的新特性，是否需要提及。 最后，总结CameraLink编解码在FPGA上的优势，比如灵活性、高速处理能力，以及适用的场景，如机器视觉、医疗成像等。可能还需要提到相关的资源或参考设计，供用户进一步研究。</think>以下是对基于FPGA的CameraLink编解码技术的分步说明： 1. **CameraLink接口基础** - 物理层：采用LVDS差分信号，Base配置支持4对数据通道（最高2.38Gbps） - 协议层：包含帧同步（FVAL）、行同步（LVAL）和像素时钟（PIXCLK）信号 - 传输结构：28位并行数据（24位图像+4位控制信号） 2. **FPGA编码实现流程** ```mermaid graph TD 图像传感器 --> 数据缓冲 --> 控制信号插入 --> 并串转换 --> LVDS输出 ``` - 数据拆分：将24位像素数据按CameraLink规范分配到4个数据通道 - 控制信号处理：生成/插入FVAL、LVAL等同步信号 - 时钟管理：通过PLL生成85MHz基础时钟（以Base配置为例） - 并串转换：使用FPGA内置SERDES模块（如Xilinx的ISERDES/OSERDES） 3. **FPGA解码核心模块** - 时钟恢复：通过CDR(Clock Data Recovery)提取像素时钟 - 串并转换：将LVDS信号转为28位并行数据 - 同步检测：采用状态机识别FVAL/LVAL信号的有效窗口 ```verilog // 示例：同步信号检测状态机 always @(posedge pixclk) begin case(state) IDLE: if(fval) state <= FRAME_ACTIVE; FRAME_ACTIVE: if(!fval) state <= IDLE; endcase end ``` 4. **关键技术挑战与解决方案** - 信号完整性：PCB设计需满足100Ω差分阻抗，走线长度匹配公差±5mil - 时序约束：需设置输入延迟约束（set_input_delay）保证建立/保持时间 - 数据对齐：使用IDELAYCTRL模块动态调整数据采样相位 5. **典型应用架构** ``` ┌─────────────┐ CameraLink ┌─────────────┐ │ 工业相机 │<───TX/RX Channel──────>│ FPGA处理板 │ └─────────────┘ └─────────────┘ ↑ ↓ 光学镜头 PCIe/USB3.0接口 ``` 6. **开发工具与资源消耗（Xilinx Kintex-7示例）** | 资源类型 | 编码模块消耗 | 解码模块消耗 | |------------|-------------|-------------| | LUT | 850 | 1200 | | FF | 620 | 900 | | SERDES | 4通道 | 4通道 | 7. **验证方法** - 使用Tektronix DPO70000系列示波器进行眼图测试 - 通过Test Pattern生成器验证数据传输完整性 - 误码率测试需达到10^-12量级 实际工程中需注意： 1. 选择符合CameraLink规范的接插件（如3M的MDR26） 2. 为LVDS信号设计专用电源隔离电路（通常1.8V供电） 3. 实现动态配置功能以支持不同工作模式（如80MHz/85MHz时钟切换） 该技术已广泛应用于： - 高速工业检测（＞1000fps） - 医疗内窥镜成像系统 - 航空航天遥感设备 最新发展趋势： - 与CoaXPress接口的混合架构设计 - 集成AI加速核实现实时图像处理 - 采用28Gbps高速收发器支持8K分辨率传输
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