基于FPGA与ad9252的时序约束高速解串设计

摘要：针对八通道采样器AD9252的高速串行数据接口的特点，提出了一种基于FPGA时序约束 的高速解串方法。使用Xilinx公司的FPGA接收高速串行数据，利用FPGA内部的时钟管理模块DCM、位置约束和底层工具Planahead实现高速串并转换中数据建立时间和保持时间的要求，实现并行数据的正确输出。最后通过功能测试和时序测试，验证了设计的正确性。此方法可适用于高端和低端FPGA，提高了系统设计的灵活性，降低了系统的成本。
 

1引言

随着电子技术的发展，军用无线数传设备向着小型化、低功耗化的方向发展。无线数传设备需要在面积有限的印刷电路板上实现多路采样的需求，采用多通道高速ADC可以满足设备微型化的要求 ［1］ 。AnalogDevice公司的AD9252集成了八路模数转换，输出采用高速串行DDR（DoubleDataＲate）方式，Xilinx公司高端FPGA中集成了片同步模块［2］，利用这一模块可以满足串并转换的时序要求，正确地恢复出并行数据。但是低端的FPGA中无此模块，考虑到成本问题，系统采用兼容低端FP-GA设计方法，利用FPGA内部的寄存器来实现串并转换，通过内部时钟管理模块DCM（DigitalClock Management）、位置约束等来满足时序要求。

AD9252是一款八通道，14b的模数转换器，最高采样率为50Msample/s；内部集成了采样保持电路，输出采用高速串行DDＲ方式，输出端包含一个输出数据时钟（DCO）用于捕获数据和一个帧使能信号（FCO）表示新的数据位的开始；接收端通过串并转换，恢复并行数据。

2设计方案

AD9252高速串行数据转换成并行数据是通过FPGA内部寄存器来实现。帧使能信号FCO生成上下沿使能信号，通过多个寄存器来寄存串行数据，下一个帧使能信号FCO到来之前，取走并行数据，完成串并转换， 具体实现如图1所示。

图1 FPGA解串的示意图

采样时钟为40MHz的系统，输出时钟DCO为 40×14/2=280MHz，串行输出采用DDＲ方式，数据率为280×2=560Mb/s，数据的时间窗口仅为1．79ns， 除去数据上升沿、下降沿时间和抖动时间，数据的有效窗口长度变得更小。采用FPGA内部寄存器完成串并转换时，寄存器之间的布线延迟时间与数据有效窗口时间相当，要实现系统稳定的工作， 必须满足数据的建立保持时间的要求。FPGA内部的时钟资源、时序约束以及位置约束为此实现提供了基础。

3时序设计

FPGA内部时序设计通过时钟管理模块DCM、 位置约束和延迟单元IDELAY来实现。

3．1 DCM的时钟设计
AD9252输出280MHz时钟通过FPGA全局输入引脚进入FPGA内部的DCM， 产生两个相差180°的时钟，分别用来寄存上下沿数据。DCM除了倍频和分频时钟功能外，还能补偿时钟进入FPGA到DCM布线延迟和时钟经过全局网络到达触发器的延迟，保持时钟与数据原来的时序关系。

为了保证时钟到达各个触发器的延迟相同，DCM产生的两个时钟接入FPGA内部的全局时钟网络，全局时钟网络是一种全局布线资源，保证时钟信号到达各个目标逻辑单元的延迟基本相同。FP-GA内部全局时钟资源网络如图2所示。

图2FPGA内部全局时钟网络示意图

图2显示了FPGA内部全局时钟资源为一树形结构， 保证了全局时钟到达逻辑单元的布线长度相同。时钟接入全局时钟资源通过全局缓冲器来实现［3］ ， 如下所示：

FPGA内部布线前的全局时钟与触发器的关系可通过FPGA开发工具Planahead查看，全局时钟连接到触发器的关系如图3所示。

图3布局布线前全局时钟网络图

FPGA内部高速时钟必须加入周期约束来保证时钟布线满足时序要求，约束语句如下所示：

约束语句保证了全局时钟周期为280MHz，占 空比为50%，高电平有效。

FPGA内部布局布线后，通过FPGA editor工具 查看全局时钟布线资源， 如图4所示。

图4布局布线后的全局时钟网络图

3．2位置约束
设计时加入位置约束，将串并转换的触发器放 在FPGA内部同一物理区域，缩短输入数据与触发器之间的布线长度，减小布线延迟时间。图4显示通过位置约束，触发器被约束在FPGA内部同一位置区域，并且靠近ADC输入引脚。

3．3 时序调整模块IDELAY
串并转换时， FPGA内部寄存器必须在数据稳定时间内寄存数据， 才能正确恢复并行数据。AD9252输出的数据与时钟的时序关系经过布线的延迟后， 不能满足建立保持时间的要求，需要重新调整。通过FPGA内部集成的IDELAY来实现时序微调整 ［3］ 。

IDELAY是FPGA内部集成的可编程绝对延迟单元。IDELAY具有64个tap的可调延迟单元，每个tap延迟时间为78ps，可以实现5．0ns的延迟。时序设计时改变tap值，来调整数据和时钟的时序关系。IDELAY模块需要一个参考时钟才能正常工作。

4时序分析

5测试

高速接口的FPGA程序是在XilinxISE12．4编译环境下实现的，仿真采用ISE自带的仿真工具ISim12．3，功能验证和时序验证通过ChipscopePro12．3捕获波形实现。

5．1功能测试
功能测试时采用信号发生器产生一定频率的正 弦波接入ADC的输入端，后端通过FPGA的在线逻辑分析仪Chipscope来分析采集的数据信号，如图5所示。

图5正弦信号的采样波形

图5中重建的信号波形和频率与信号产生器的相同，验证了串并转换时序设计的正确性。

5．2 时序测试
时序分析主要测试IDELAY模块中多少个tap值可以使系统稳定工作，计算出数据眼图宽度。测试结果见表1。

从测试结果可以看出数据眼图宽度为5taps，时间宽度为T=5×78=0．39ns，眼图测试宽度与分析的眼图宽度相差0．12ns，时序分析时并未考虑到PCB布线和FPGA内部布线的抖动时间，此外IDELAY模块中每个tap都会引入相应的抖动时间，这些都会减小数据眼图宽度。

6结论

本文综合利用FPGA内部时序约束工具和FP-GA内部的组成单元———寄存器实现了高速串行数据的正确解串，避免了高端FPGA内部集成的片同 步模块在低端FPGA中无法实现的问题；同时，克服了片同步模块要求解串通道的信号线需要布局在FPGA相邻区域的限制，提高了系统设计的灵活性，降低了系统设计的成本。测试结果表明，该高速接 口可以稳定工作。此外， 此系统还可以应用在其他高密度集成系统中，提高了系统的复用性。