深入解析DS90UB91xQ-Q1：FPD-Link III的卓越之选

在汽车电子领域，摄像头与视频处理器之间的数据传输需求日益增长，对高速、可靠且低延迟的连接方案的需求也愈发迫切。DS90UB91xQ-Q1系列芯片组，作为德州仪器（TI）推出的一款专为满足此类需求而设计的产品，以其卓越的性能和丰富的特性，在汽车电子市场中占据了重要地位。今天，我们就来深入探讨一下DS90UB91xQ-Q1芯片组的特点、应用以及设计要点。

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芯片概述

DS90UB91xQ-Q1芯片组由DS90UB913Q-Q1 serializer（串行器）和DS90UB914Q-Q1 deserializer（解串器）组成，为电子控制单元（ECU）中的成像器和视频处理器之间提供了稳定可靠的连接。该芯片组支持10 - 100 MHz的输入像素时钟，能够处理10位和12位的数据，非常适合用于汽车前后视摄像头、停车辅助环视系统等应用场景。

特性亮点

1. 高速数据传输：通过单差分对实现高速前向通道和双向控制通道的数据传输，最高支持1.4 Gbps的线速率，确保了视频数据的实时、准确传输。
2. 低延迟双向控制：双向控制通道支持400 kHz的I2C通信，实现了成像器与ECU之间的低延迟双向通信，无需额外的控制线。
3. DC平衡编码：采用嵌入式时钟和DC平衡编码技术，支持AC耦合互连，有效减少了信号传输中的直流偏移问题，提高了信号质量。
4. 自适应均衡：接收器内置自适应均衡器，能够自动补偿电缆损耗，确保在长达25米的屏蔽双绞线（STP）上实现可靠的数据传输。
5. 多模式支持：支持12位低频模式（10 - 50 MHz）、12位高频模式（15 - 75 MHz）和10位模式（20 - 100 MHz），可根据不同的应用需求灵活配置。
6. 错误检测：提供奇偶校验和CRC校验功能，可对前向通道和反向通道的数据进行错误检测，确保数据的完整性。
7. EMI/EMC优化：解串器采用交错输出和可编程扩频时钟生成（SSCG）技术，有效降低了电磁干扰（EMI），提高了系统的抗干扰能力。

应用场景

前后视摄像头

在汽车碰撞缓解系统中，前后视摄像头起着至关重要的作用。DS90UB91xQ-Q1芯片组的单差分对互连和高速数据传输能力，使得摄像头能够将高分辨率的视频数据实时传输到ECU中，为驾驶员提供清晰的视野，及时发现潜在的危险。

停车辅助环视系统

停车辅助环视系统需要多个摄像头同时工作，以提供车辆周围的全景视图。DS90UB914Q-Q1解串器的2:1多路复用器功能，允许用户在两个串行器输入之间进行选择，方便实现多摄像头的连接和切换。同时，双向控制通道的支持使得ECU能够对摄像头进行实时控制和配置。

功能特性详解

串行帧格式

高速前向通道由28位数据组成，包括视频数据、同步信号、I2C和奇偶校验位。数据经过随机化、平衡和加扰处理，以优化在AC耦合链路上的信号传输。双向控制通道数据与高速前向数据一起通过单串行链路传输，实现了全双工通信。

线速率计算

不同模式下，芯片组通过内部时钟分频和倍频来实现不同的线速率。具体计算公式如下：

• 12位低频模式：Line rate = fPCLK × 28，例如fPCLK = 50 MHz时，线速率为1.4 Gbps。
• 10位模式：Line rate = fPCLK / 2 × 28，例如fPCLK = 100 MHz时，线速率为1.4 Gbps。
• 12位高频模式：Line rate = fPCLK × (2 / 3) × 28，例如fPCLK = 75 MHz时，线速率为1.4 Gbps。

解串器多路复用器

DS90UB914Q-Q1解串器的2:1多路复用器允许用户选择两个串行器输入中的一个作为活动通道。通过SEL引脚或寄存器控制，可以方便地实现摄像头的切换。

错误检测

芯片组通过前向通道的一个奇偶校验位和反向通道的4位CRC校验位进行错误检测。检测到的错误数量分别存储在串行器和解串器的8位寄存器中，方便用户进行监控和调试。

双向控制总线和I2C模式

I2C兼容接口允许通过双向控制通道对芯片组进行编程。SCL和SDA线为开漏输出，需要外部上拉电阻。芯片组支持标准模式（100 kHz）和快速模式（400 kHz）的I2C通信。

从时钟拉伸

在I2C通信中，芯片组支持从时钟拉伸功能，即在每个I2C传输的第9个时钟（ACK信号之前），从设备可以将SCL线拉低，以等待远程外设的响应。

I2C透传

I2C透传功能允许独立寻址从设备，可选择是否将I2C指令传输到远程I2C设备。通过该功能，可以实现对远程总线上特定设备的访问和通信。

设备ID地址解码

串行器和解串器分别通过ID[x]和IDx[0:1]引脚来设置物理从设备地址。通过不同的电阻值，可以为每个设备分配唯一的地址，最多支持5个串行器和16个解串器设备。

可编程控制器

芯片组内置I2C从控制器，可用于配置可编程寄存器和控制通用输入输出（GPIO）引脚。通过I2C接口，可以方便地对芯片组进行参数设置和功能控制。

多摄像头同步

对于需要多个摄像头进行帧同步的应用，建议使用GPIO引脚传输控制信号。系统控制器提供场同步输出，摄像头接收辅助同步输入，以实现多个摄像头的同步。

通用输入输出（GPIO）

串行器有4个GPO引脚，解串器有4个GPIO引脚。这些引脚可以配置为输入或输出，用于控制和响应各种命令。在使用外部振荡器作为参考时钟时，GPO3和GPIO2引脚有特殊的配置。

LVCMOS VDDIO选项

串行器支持1.8 V、2.8 V和3.3 V的输入电压，解串器支持1.8 V和3.3 V的输出电压，可根据系统接口的需求进行灵活配置。

解串器自适应输入均衡（AEQ）

解串器的接收器输入提供自适应输入均衡滤波器，可补偿介质损耗。均衡水平可以通过寄存器进行手动选择，也可以使用CMLOUTP/CMLOUTN引脚观察自适应均衡器的输出。

EMI降低

• 解串器交错输出：接收器交错输出切换，在定义的窗口内随机分布转换，减少了同时切换的输出数量，降低了电源噪声和整体EMI。
• 扩频时钟生成（SSCG）：解串器的并行数据和时钟输出具有可编程的SSCG范围（10 - 100 MHz），通过SSC控制寄存器可以控制调制速率和调制频率变化，生成不同的SSC配置文件。

设备功能模式

外部振荡器作为参考时钟

当成像器提供的像素时钟抖动超出芯片组的容限时，建议使用外部振荡器作为参考时钟。在这种模式下，DS90UB913Q-Q1的GPO3引脚作为外部振荡器的输入，GPO2引脚将分频后的时钟输出反馈给成像器。

成像器像素时钟作为参考时钟

芯片组也可以使用成像器的像素时钟作为参考时钟。在这种模式下，串行器和解串器的GPIO引脚可以正常配置和使用。

模式引脚配置

串行器和解串器的MODE引脚用于选择工作模式。通过不同的电阻值，可以选择使用成像器的PCLK或外部振荡器作为参考时钟，以及选择不同的数据模式（12位低频模式、12位高频模式或10位模式）。

时钟数据恢复状态标志（LOCK）、输出使能（OEN）和输出状态选择（OSS_SEL）

LOCK引脚用于指示解串器的PLL是否锁定。OEN和OSS_SEL引脚用于控制输出的状态，包括数据、GPIO和时钟的输出。

多设备寻址

对于需要在同一I2C总线上访问多个相同地址的摄像头设备的应用，芯片组支持从ID匹配/别名功能，通过编程SLAVE_ID_MATCH寄存器，可以为每个设备分配唯一的地址。

掉电模式

串行器和解串器都有PDB输入引脚，用于启用或进入掉电模式。在掉电模式下，设备可以节省功耗，当数据传输恢复时，能够快速恢复正常工作。

像素时钟边缘选择（TRFB / RRFB）

TRFB和RRFB寄存器用于选择像素时钟的边缘。对于串行器，该寄存器决定数据锁存的边缘；对于解串器，该寄存器决定数据选通的边缘。

上电要求和PDB引脚

上电时，VDDIO电源需要先达到预期的工作电压，然后再释放PDB信号。可以通过外部RC网络确保PDB信号在所有VDD电源稳定后到达。

内置自测试（BIST）

芯片组支持AT-Speed内置自测试功能，可用于测试高速串行链路和低速反向通道。通过BISTEN引脚和GPIO0、GPIO1引脚，可以选择不同的时钟源和测试频率。测试结果可以通过PASS引脚和寄存器进行监控。

寄存器映射

芯片组提供了丰富的寄存器，用于配置和监控各种功能。串行器和解串器的寄存器分别用于控制数据传输、错误检测、模式选择、GPIO配置等功能。详细的寄存器映射信息可以参考数据手册。

应用与实现

应用信息

芯片组仅支持通过集成的DC平衡解码方案实现AC耦合互连。在FPD-Link III信号路径中，需要串联外部AC耦合电容。为了减少封装寄生效应导致的信号质量下降，建议使用最小尺寸的AC耦合电容。

典型应用

DS90UB91xQ-Q1芯片组通常用于点对点配置，通过屏蔽双绞线电缆连接串行器和解串器。在设计时，需要注意电缆和连接器的差分阻抗应为100 Ω，以确保信号的稳定传输。

设计要求

• 传输介质：建议使用屏蔽双绞线电缆，芯片组提供内部终端以减少阻抗不连续性。电缆长度取决于电缆质量、连接器、电路板和电气环境等因素。
• 自适应均衡器 - 损耗补偿：自适应均衡器可以补偿互连组件的差分插入损耗，但补偿能力有限。在确定最大电缆长度时，需要考虑抖动、偏斜、ISI、串扰等因素对信号完整性的影响。

详细设计流程

在设计过程中，需要参考典型连接图进行串行器和解串器的连接。同时，要注意电源供应、布局布线等方面的要求，以确保系统的稳定性和性能。

电源供应建议

芯片组设计为从1.8 V的输入核心电压电源供电。为了减少不同电路部分之间的开关噪声影响，一些设备提供了单独的电源和接地端子。在PCB设计中，通常不需要单独的电源层，但可以使用外部滤波器为敏感电路（如PLL）提供干净的电源。

布局设计

布局指南

• 低噪声电源供应：PCB布局和堆叠应设计为为设备提供低噪声电源。使用薄电介质（2 - 4 mils）的电源/接地夹层可以提高电源系统的性能。
• 分离高低频信号：将高频或高电平的输入输出信号分开，以减少杂散噪声的拾取、反馈和干扰。
• 外部旁路电容：建议使用RF陶瓷和钽电解电容作为外部旁路电容，RF电容值范围为0.01 - 0.1 µF，钽电容值范围为2.2 - 10 µF。
• 四层板设计：使用至少四层板，包括电源层和接地层。将LVCMOS信号远离差分线，以防止耦合。
• 差分互连：推荐使用100 Ω的紧密耦合差分对，遵循S、2S和3S规则进行间距设计。

布局示例

参考DS90UB913Q-Q1串行器和DS90UB914Q-Q1解串器评估套件的布局设计，可以了解正确的布线和焊接技术。同时，要注意WQFN封装的模板开口和焊盘尺寸的要求。

设备和文档支持

德州仪器提供了丰富的文档和社区资源，包括相关文档、技术支持、工具和软件等。通过这些资源，可以方便地获取芯片组的详细信息和设计指导。

总结

DS90UB91xQ-Q1芯片组以其高速、可靠、低延迟的特点，为汽车电子领域的摄像头与视频处理器之间的数据传输提供了优秀的解决方案。通过深入了解其特性、应用和设计要点，电子工程师可以更好地利用该芯片组，开发出高性能、稳定可靠的汽车电子系统。在实际设计过程中，要根据具体的应用需求和系统要求，合理选择参数和配置，确保系统的最优性能。同时，要注意布局布线、电源供应等方面的细节，以提高系统的稳定性和抗干扰能力。希望本文对大家在使用DS90UB91xQ-Q1芯片组进行设计时有所帮助。如果你在设计过程中遇到任何问题，欢迎在评论区留言交流。