深入解析DS90UB91xQ-Q1：FPD-Link III的卓越之選

在汽車電子領(lǐng)域，攝像頭與視頻處理器之間的數(shù)據(jù)傳輸需求日益增長，對高速、可靠且低延遲的連接方案的需求也愈發(fā)迫切。DS90UB91xQ-Q1系列芯片組，作為德州儀器（TI）推出的一款專為滿足此類需求而設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，以其卓越的性能和豐富的特性，在汽車電子市場中占據(jù)了重要地位。今天，我們就來深入探討一下DS90UB91xQ-Q1芯片組的特點(diǎn)、應(yīng)用以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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芯片概述

DS90UB91xQ-Q1芯片組由DS90UB913Q-Q1 serializer（串行器）和DS90UB914Q-Q1 deserializer（解串器）組成，為電子控制單元（ECU）中的成像器和視頻處理器之間提供了穩(wěn)定可靠的連接。該芯片組支持10 - 100 MHz的輸入像素時(shí)鐘，能夠處理10位和12位的數(shù)據(jù)，非常適合用于汽車前后視攝像頭、停車輔助環(huán)視系統(tǒng)等應(yīng)用場景。

特性亮點(diǎn)

1. 高速數(shù)據(jù)傳輸：通過單差分對實(shí)現(xiàn)高速前向通道和雙向控制通道的數(shù)據(jù)傳輸，最高支持1.4 Gbps的線速率，確保了視頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確傳輸。
2. 低延遲雙向控制：雙向控制通道支持400 kHz的I2C通信，實(shí)現(xiàn)了成像器與ECU之間的低延遲雙向通信，無需額外的控制線。
3. DC平衡編碼：采用嵌入式時(shí)鐘和DC平衡編碼技術(shù)，支持AC耦合互連，有效減少了信號傳輸中的直流偏移問題，提高了信號質(zhì)量。
4. 自適應(yīng)均衡：接收器內(nèi)置自適應(yīng)均衡器，能夠自動補(bǔ)償電纜損耗，確保在長達(dá)25米的屏蔽雙絞線（STP）上實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸。
5. 多模式支持：支持12位低頻模式（10 - 50 MHz）、12位高頻模式（15 - 75 MHz）和10位模式（20 - 100 MHz），可根據(jù)不同的應(yīng)用需求靈活配置。
6. 錯(cuò)誤檢測：提供奇偶校驗(yàn)和CRC校驗(yàn)功能，可對前向通道和反向通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行錯(cuò)誤檢測，確保數(shù)據(jù)的完整性。
7. EMI/EMC優(yōu)化：解串器采用交錯(cuò)輸出和可編程擴(kuò)頻時(shí)鐘生成（SSCG）技術(shù)，有效降低了電磁干擾（EMI），提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

應(yīng)用場景

前后視攝像頭

在汽車碰撞緩解系統(tǒng)中，前后視攝像頭起著至關(guān)重要的作用。DS90UB91xQ-Q1芯片組的單差分對互連和高速數(shù)據(jù)傳輸能力，使得攝像頭能夠?qū)⒏叻直媛实囊曨l數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)紼CU中，為駕駛員提供清晰的視野，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的危險(xiǎn)。

停車輔助環(huán)視系統(tǒng)

停車輔助環(huán)視系統(tǒng)需要多個(gè)攝像頭同時(shí)工作，以提供車輛周圍的全景視圖。DS90UB914Q-Q1解串器的2:1多路復(fù)用器功能，允許用戶在兩個(gè)串行器輸入之間進(jìn)行選擇，方便實(shí)現(xiàn)多攝像頭的連接和切換。同時(shí)，雙向控制通道的支持使得ECU能夠?qū)z像頭進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和配置。

功能特性詳解

串行幀格式

高速前向通道由28位數(shù)據(jù)組成，包括視頻數(shù)據(jù)、同步信號、I2C和奇偶校驗(yàn)位。數(shù)據(jù)經(jīng)過隨機(jī)化、平衡和加擾處理，以優(yōu)化在AC耦合鏈路上的信號傳輸。雙向控制通道數(shù)據(jù)與高速前向數(shù)據(jù)一起通過單串行鏈路傳輸，實(shí)現(xiàn)了全雙工通信。

線速率計(jì)算

不同模式下，芯片組通過內(nèi)部時(shí)鐘分頻和倍頻來實(shí)現(xiàn)不同的線速率。具體計(jì)算公式如下：

• 12位低頻模式：Line rate = fPCLK × 28，例如fPCLK = 50 MHz時(shí)，線速率為1.4 Gbps。
• 10位模式：Line rate = fPCLK / 2 × 28，例如fPCLK = 100 MHz時(shí)，線速率為1.4 Gbps。
• 12位高頻模式：Line rate = fPCLK × (2 / 3) × 28，例如fPCLK = 75 MHz時(shí)，線速率為1.4 Gbps。

解串器多路復(fù)用器

DS90UB914Q-Q1解串器的2:1多路復(fù)用器允許用戶選擇兩個(gè)串行器輸入中的一個(gè)作為活動通道。通過SEL引腳或寄存器控制，可以方便地實(shí)現(xiàn)攝像頭的切換。

錯(cuò)誤檢測

芯片組通過前向通道的一個(gè)奇偶校驗(yàn)位和反向通道的4位CRC校驗(yàn)位進(jìn)行錯(cuò)誤檢測。檢測到的錯(cuò)誤數(shù)量分別存儲在串行器和解串器的8位寄存器中，方便用戶進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)試。

雙向控制總線和I2C模式

I2C兼容接口允許通過雙向控制通道對芯片組進(jìn)行編程。SCL和SDA線為開漏輸出，需要外部上拉電阻。芯片組支持標(biāo)準(zhǔn)模式（100 kHz）和快速模式（400 kHz）的I2C通信。

從時(shí)鐘拉伸

在I2C通信中，芯片組支持從時(shí)鐘拉伸功能，即在每個(gè)I2C傳輸?shù)牡?個(gè)時(shí)鐘（ACK信號之前），從設(shè)備可以將SCL線拉低，以等待遠(yuǎn)程外設(shè)的響應(yīng)。

I2C透傳

I2C透傳功能允許獨(dú)立尋址從設(shè)備，可選擇是否將I2C指令傳輸?shù)竭h(yuǎn)程I2C設(shè)備。通過該功能，可以實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程總線上特定設(shè)備的訪問和通信。

設(shè)備ID地址解碼

串行器和解串器分別通過ID[x]和IDx[0:1]引腳來設(shè)置物理從設(shè)備地址。通過不同的電阻值，可以為每個(gè)設(shè)備分配唯一的地址，最多支持5個(gè)串行器和16個(gè)解串器設(shè)備。

可編程控制器

芯片組內(nèi)置I2C從控制器，可用于配置可編程寄存器和控制通用輸入輸出（GPIO）引腳。通過I2C接口，可以方便地對芯片組進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和功能控制。

多攝像頭同步

對于需要多個(gè)攝像頭進(jìn)行幀同步的應(yīng)用，建議使用GPIO引腳傳輸控制信號。系統(tǒng)控制器提供場同步輸出，攝像頭接收輔助同步輸入，以實(shí)現(xiàn)多個(gè)攝像頭的同步。

通用輸入輸出（GPIO）

串行器有4個(gè)GPO引腳，解串器有4個(gè)GPIO引腳。這些引腳可以配置為輸入或輸出，用于控制和響應(yīng)各種命令。在使用外部振蕩器作為參考時(shí)鐘時(shí)，GPO3和GPIO2引腳有特殊的配置。

LVCMOS VDDIO選項(xiàng)

串行器支持1.8 V、2.8 V和3.3 V的輸入電壓，解串器支持1.8 V和3.3 V的輸出電壓，可根據(jù)系統(tǒng)接口的需求進(jìn)行靈活配置。

解串器自適應(yīng)輸入均衡（AEQ）

解串器的接收器輸入提供自適應(yīng)輸入均衡濾波器，可補(bǔ)償介質(zhì)損耗。均衡水平可以通過寄存器進(jìn)行手動選擇，也可以使用CMLOUTP/CMLOUTN引腳觀察自適應(yīng)均衡器的輸出。

EMI降低

• 解串器交錯(cuò)輸出：接收器交錯(cuò)輸出切換，在定義的窗口內(nèi)隨機(jī)分布轉(zhuǎn)換，減少了同時(shí)切換的輸出數(shù)量，降低了電源噪聲和整體EMI。
• 擴(kuò)頻時(shí)鐘生成（SSCG）：解串器的并行數(shù)據(jù)和時(shí)鐘輸出具有可編程的SSCG范圍（10 - 100 MHz），通過SSC控制寄存器可以控制調(diào)制速率和調(diào)制頻率變化，生成不同的SSC配置文件。

設(shè)備功能模式

外部振蕩器作為參考時(shí)鐘

當(dāng)成像器提供的像素時(shí)鐘抖動超出芯片組的容限時(shí)，建議使用外部振蕩器作為參考時(shí)鐘。在這種模式下，DS90UB913Q-Q1的GPO3引腳作為外部振蕩器的輸入，GPO2引腳將分頻后的時(shí)鐘輸出反饋給成像器。

成像器像素時(shí)鐘作為參考時(shí)鐘

芯片組也可以使用成像器的像素時(shí)鐘作為參考時(shí)鐘。在這種模式下，串行器和解串器的GPIO引腳可以正常配置和使用。

模式引腳配置

串行器和解串器的MODE引腳用于選擇工作模式。通過不同的電阻值，可以選擇使用成像器的PCLK或外部振蕩器作為參考時(shí)鐘，以及選擇不同的數(shù)據(jù)模式（12位低頻模式、12位高頻模式或10位模式）。

時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)狀態(tài)標(biāo)志（LOCK）、輸出使能（OEN）和輸出狀態(tài)選擇（OSS_SEL）

LOCK引腳用于指示解串器的PLL是否鎖定。OEN和OSS_SEL引腳用于控制輸出的狀態(tài)，包括數(shù)據(jù)、GPIO和時(shí)鐘的輸出。

多設(shè)備尋址

對于需要在同一I2C總線上訪問多個(gè)相同地址的攝像頭設(shè)備的應(yīng)用，芯片組支持從ID匹配/別名功能，通過編程SLAVE_ID_MATCH寄存器，可以為每個(gè)設(shè)備分配唯一的地址。

掉電模式

串行器和解串器都有PDB輸入引腳，用于啟用或進(jìn)入掉電模式。在掉電模式下，設(shè)備可以節(jié)省功耗，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸恢復(fù)時(shí)，能夠快速恢復(fù)正常工作。

像素時(shí)鐘邊緣選擇（TRFB / RRFB）

TRFB和RRFB寄存器用于選擇像素時(shí)鐘的邊緣。對于串行器，該寄存器決定數(shù)據(jù)鎖存的邊緣；對于解串器，該寄存器決定數(shù)據(jù)選通的邊緣。

上電要求和PDB引腳

上電時(shí)，VDDIO電源需要先達(dá)到預(yù)期的工作電壓，然后再釋放PDB信號?？梢酝ㄟ^外部RC網(wǎng)絡(luò)確保PDB信號在所有VDD電源穩(wěn)定后到達(dá)。

內(nèi)置自測試（BIST）

芯片組支持AT-Speed內(nèi)置自測試功能，可用于測試高速串行鏈路和低速反向通道。通過BISTEN引腳和GPIO0、GPIO1引腳，可以選擇不同的時(shí)鐘源和測試頻率。測試結(jié)果可以通過PASS引腳和寄存器進(jìn)行監(jiān)控。

寄存器映射

芯片組提供了豐富的寄存器，用于配置和監(jiān)控各種功能。串行器和解串器的寄存器分別用于控制數(shù)據(jù)傳輸、錯(cuò)誤檢測、模式選擇、GPIO配置等功能。詳細(xì)的寄存器映射信息可以參考數(shù)據(jù)手冊。

應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

應(yīng)用信息

芯片組僅支持通過集成的DC平衡解碼方案實(shí)現(xiàn)AC耦合互連。在FPD-Link III信號路徑中，需要串聯(lián)外部AC耦合電容。為了減少封裝寄生效應(yīng)導(dǎo)致的信號質(zhì)量下降，建議使用最小尺寸的AC耦合電容。

典型應(yīng)用

DS90UB91xQ-Q1芯片組通常用于點(diǎn)對點(diǎn)配置，通過屏蔽雙絞線電纜連接串行器和解串器。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意電纜和連接器的差分阻抗應(yīng)為100 Ω，以確保信號的穩(wěn)定傳輸。

設(shè)計(jì)要求

• 傳輸介質(zhì)：建議使用屏蔽雙絞線電纜，芯片組提供內(nèi)部終端以減少阻抗不連續(xù)性。電纜長度取決于電纜質(zhì)量、連接器、電路板和電氣環(huán)境等因素。
• 自適應(yīng)均衡器 - 損耗補(bǔ)償：自適應(yīng)均衡器可以補(bǔ)償互連組件的差分插入損耗，但補(bǔ)償能力有限。在確定最大電纜長度時(shí)，需要考慮抖動、偏斜、ISI、串?dāng)_等因素對信號完整性的影響。

詳細(xì)設(shè)計(jì)流程

在設(shè)計(jì)過程中，需要參考典型連接圖進(jìn)行串行器和解串器的連接。同時(shí)，要注意電源供應(yīng)、布局布線等方面的要求，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。

電源供應(yīng)建議

芯片組設(shè)計(jì)為從1.8 V的輸入核心電壓電源供電。為了減少不同電路部分之間的開關(guān)噪聲影響，一些設(shè)備提供了單獨(dú)的電源和接地端子。在PCB設(shè)計(jì)中，通常不需要單獨(dú)的電源層，但可以使用外部濾波器為敏感電路（如PLL）提供干凈的電源。

布局設(shè)計(jì)

布局指南

• 低噪聲電源供應(yīng)：PCB布局和堆疊應(yīng)設(shè)計(jì)為為設(shè)備提供低噪聲電源。使用薄電介質(zhì)（2 - 4 mils）的電源/接地夾層可以提高電源系統(tǒng)的性能。
• 分離高低頻信號：將高頻或高電平的輸入輸出信號分開，以減少雜散噪聲的拾取、反饋和干擾。
• 外部旁路電容：建議使用RF陶瓷和鉭電解電容作為外部旁路電容，RF電容值范圍為0.01 - 0.1 μF，鉭電容值范圍為2.2 - 10 μF。
• 四層板設(shè)計(jì)：使用至少四層板，包括電源層和接地層。將LVCMOS信號遠(yuǎn)離差分線，以防止耦合。
• 差分互連：推薦使用100 Ω的緊密耦合差分對，遵循S、2S和3S規(guī)則進(jìn)行間距設(shè)計(jì)。

布局示例

參考DS90UB913Q-Q1串行器和DS90UB914Q-Q1解串器評估套件的布局設(shè)計(jì)，可以了解正確的布線和焊接技術(shù)。同時(shí)，要注意WQFN封裝的模板開口和焊盤尺寸的要求。

設(shè)備和文檔支持

德州儀器提供了豐富的文檔和社區(qū)資源，包括相關(guān)文檔、技術(shù)支持、工具和軟件等。通過這些資源，可以方便地獲取芯片組的詳細(xì)信息和設(shè)計(jì)指導(dǎo)。

總結(jié)

DS90UB91xQ-Q1芯片組以其高速、可靠、低延遲的特點(diǎn)，為汽車電子領(lǐng)域的攝像頭與視頻處理器之間的數(shù)據(jù)傳輸提供了優(yōu)秀的解決方案。通過深入了解其特性、應(yīng)用和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，電子工程師可以更好地利用該芯片組，開發(fā)出高性能、穩(wěn)定可靠的汽車電子系統(tǒng)。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，要根據(jù)具體的應(yīng)用需求和系統(tǒng)要求，合理選擇參數(shù)和配置，確保系統(tǒng)的最優(yōu)性能。同時(shí)，要注意布局布線、電源供應(yīng)等方面的細(xì)節(jié)，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。希望本文對大家在使用DS90UB91xQ-Q1芯片組進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)有所幫助。如果你在設(shè)計(jì)過程中遇到任何問題，歡迎在評論區(qū)留言交流。