探索MAX9273：22位GMSL串行器的卓越性能與應(yīng)用

在當(dāng)今高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娮宇I(lǐng)域，一款優(yōu)秀的串行器對(duì)于實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸至關(guān)重要。Maxim Integrated推出的MAX9273 22位GMSL串行器，憑借其出色的性能和豐富的功能，成為眾多應(yīng)用場景的理想選擇。本文將深入剖析MAX9273的特點(diǎn)、工作原理以及應(yīng)用注意事項(xiàng)，為電子工程師們提供全面的參考。

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一、MAX9273概述

MAX9273是一款緊湊的串行器，專門設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)50Ω同軸電纜或100Ω屏蔽雙絞線（STP）電纜。它通常與MAX9272解串器配對(duì)使用，也能與其他GMSL解串器配合，提供基本的功能。該串行器具有高達(dá)1.5Gbps的串行比特率，能夠在15米或更長的電纜上穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)。

1.1 關(guān)鍵特性

• 理想的相機(jī)應(yīng)用：能夠驅(qū)動(dòng)低成本的50Ω同軸電纜和FAKRA連接器或100Ω STP電纜，適用于汽車相機(jī)系統(tǒng)和導(dǎo)航顯示等應(yīng)用。
• 高速數(shù)據(jù)序列化：支持單輸入或雙輸入模式，最高可實(shí)現(xiàn)1.5Gbps的串行比特率，時(shí)鐘頻率范圍為6.25MHz至100MHz。
• 多控制通道模式：提供UART到UART、UART到I2C等多種控制通道模式，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。
• 降低EMI和屏蔽要求：輸出可編程，支持可編程擴(kuò)頻，減少電磁干擾，同時(shí)具有可旁路的輸入PLL，用于并行時(shí)鐘抖動(dòng)衰減。
• 外圍功能：內(nèi)置PRBS發(fā)生器，用于串行鏈路的誤碼率測試；提供多達(dá)五個(gè)GPIO端口和專用的“Up/Down”GPO，用于相機(jī)幀同步觸發(fā)等。
• 低功耗設(shè)計(jì)：支持遠(yuǎn)程/本地從睡眠模式喚醒，降低功耗。
• 嚴(yán)格的汽車和工業(yè)要求：工作溫度范圍為-40°C至+105°C，具有±8kV接觸和±15kV空氣的ISO 10605和IEC 61000 - 4 - 2 ESD保護(hù)。

二、技術(shù)細(xì)節(jié)剖析

2.1 輸入模式

MAX9273的并行輸入有單速率和雙速率兩種輸入模式。

• 單輸入模式：在單輸入模式下，LATCH A每PCLKIN周期存儲(chǔ)來自DIN_的數(shù)據(jù)，然后將并行數(shù)據(jù)發(fā)送到擾碼器進(jìn)行序列化。該模式下，設(shè)備可接受6.25MHz至50MHz的像素時(shí)鐘。
• 雙輸入模式：雙輸入模式下，LATCH B存儲(chǔ)兩個(gè)輸入字，數(shù)據(jù)作為組合字發(fā)送到擾碼器。對(duì)于11位雙輸入模式，像素時(shí)鐘速率為33.3MHz至100MHz；對(duì)于15位雙輸入模式，像素時(shí)鐘速率為25MHz至75MHz。

2.2 串行鏈路信號(hào)和數(shù)據(jù)格式

串行器使用差分CML信號(hào)驅(qū)動(dòng)雙絞線電纜，使用單端CML驅(qū)動(dòng)同軸電纜，輸出幅度可編程。輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過擾碼和8b/10b編碼后傳輸，解串器恢復(fù)嵌入式串行時(shí)鐘，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣、解碼和去擾。在24位或32位模式下，22或30位包含視頻數(shù)據(jù)和/或糾錯(cuò)位，第23或31位攜帶前向控制通道數(shù)據(jù)，最后一位是奇偶校驗(yàn)位。

2.3 反向控制通道

反向控制通道用于從解串器接收I2C/UART和GPO信號(hào)，與前向視頻數(shù)據(jù)在同一串行電纜上共存，形成雙向鏈路。反向控制通道在加電2ms后可用，在啟動(dòng)/停止前向串行鏈路后，會(huì)暫時(shí)禁用350μs。

2.4 數(shù)據(jù)速率選擇

通過設(shè)置DRS、DBL和BWS，可以設(shè)置PCLKIN頻率范圍。例如，設(shè)置DRS = 1時(shí)，PCLKIN頻率范圍為6.25MHz至12.5MHz（32位單輸入模式）或8.33MHz至16.66MHz（24位單輸入模式）；設(shè)置DRS = 0時(shí)為正常操作模式。不建議在DRS = 1時(shí)使用雙輸入模式。

2.5 控制通道和寄存器編程

控制通道允許FC通過串行鏈路與高速數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)送和接收控制數(shù)據(jù)?？刂仆ǖ烙谢Ｊ胶团月纺Ｊ絻煞N操作模式，基模式是半雙工控制通道，旁路模式是全雙工控制通道。

• UART接口：在基模式下，F(xiàn)C可以使用GMSL UART協(xié)議訪問串行器和解串器的寄存器，還可以通過UART數(shù)據(jù)包對(duì)遠(yuǎn)程外設(shè)進(jìn)行編程。
• I2C接口：在I2C到I2C模式下，串行器控制通道接口通過I2C兼容的兩線接口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)主從設(shè)備之間的雙向通信。

2.6 預(yù)/去加重驅(qū)動(dòng)

串行線驅(qū)動(dòng)器采用電流模式邏輯（CML）信號(hào)，支持可編程的預(yù)/去加重，以補(bǔ)償電纜長度引起的高頻損耗，提高長距離鏈路的傳輸可靠性。有13種預(yù)加重設(shè)置可供選擇，通過寄存器0x06 D[3:0]進(jìn)行編程。

2.7 擴(kuò)頻功能

為減少串行鏈路上的電磁干擾，串行器輸出支持可編程擴(kuò)頻?？删幊虜U(kuò)頻幅度包括±0.5%、±1%、±1.5%、±2%、±3%和±4%，但某些擴(kuò)頻幅度只能在較低的PCLKIN頻率下使用。

2.8 額外的錯(cuò)誤檢測和糾正

MAX9273支持兩種額外的錯(cuò)誤檢測/糾正方法：6位循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）和6位漢明碼（帶16字交織）。這些方法可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，減少誤碼率。

三、應(yīng)用信息

3.1 PRBS測試

串行器內(nèi)置PRBS模式發(fā)生器，與解串器中的誤碼驗(yàn)證功能配合使用，可進(jìn)行PRBS測試。通過設(shè)置解串器和串行器中的PRBSEN = 1啟動(dòng)測試，設(shè)置PRBSEN = 0退出測試。

3.2 錯(cuò)誤發(fā)生器

串行器包含錯(cuò)誤發(fā)生器，可對(duì)GMSL鏈路的錯(cuò)誤檢測/糾正功能進(jìn)行可重復(fù)測試。通過寄存器0x11設(shè)置錯(cuò)誤生成率、錯(cuò)誤類型和錯(cuò)誤總數(shù)。

3.3 雙μC控制

系統(tǒng)通常由一個(gè)FC控制控制通道，但也可以在串行器和解串器兩側(cè)同時(shí)使用FC。在這種情況下，需要用戶實(shí)現(xiàn)更高層次的協(xié)議，以避免控制通道的沖突。

3.4 抖動(dòng)濾波PLL

在某些應(yīng)用中，時(shí)鐘輸入（PCLKIN）可能包含噪聲，影響鏈路可靠性。通過設(shè)置ENJITFILT = 1（0x05, D6），可啟用可編程的窄帶抖動(dòng)濾波PLL，衰減高于100kHz的頻率。

3.5 PCLKIN擴(kuò)頻跟蹤

串行器可以處理擴(kuò)展的PCLKIN信號(hào)。使用擴(kuò)展的PCLKIN信號(hào)時(shí)，需設(shè)置ENJITFILT = 0（0x05, D6）禁用抖動(dòng)濾波器，同時(shí)注意不超過擴(kuò)頻限制，調(diào)制頻率小于40kHz，并關(guān)閉串行器/解串器中的擴(kuò)頻功能。

3.6 改變時(shí)鐘頻率

建議在視頻時(shí)鐘（fPCLKIN）和控制通道時(shí)鐘（fUART / fI2C）穩(wěn)定后啟用串行鏈路。改變時(shí)鐘頻率時(shí)，需停止視頻時(shí)鐘5μs，應(yīng)用新頻率的時(shí)鐘，然后重新啟動(dòng)串行鏈路或切換SEREN。使用UART時(shí)，每次頻率變化不應(yīng)超過3.5倍，以確保設(shè)備識(shí)別UART同步模式。

3.7 快速檢測失步

通過將解串器的LOCK輸出連接到解串器的GPI輸入，主機(jī)可以快速得知失鎖情況。當(dāng)LOCK丟失時(shí)，串行器的GPO會(huì)跟隨GPI的LOCK轉(zhuǎn)換。

3.8 提供幀同步

GPI/GPO為需要來自ECU的幀同步信號(hào)的相機(jī)應(yīng)用提供了簡單的解決方案。將ECU幀同步信號(hào)連接到GPI輸入，將GPO輸出連接到相機(jī)幀同步輸入。如果需要更低的偏斜信號(hào)，可以將相機(jī)的幀同步輸入連接到串行器的一個(gè)GPIO，并使用I2C廣播寫命令更改GPIO輸出狀態(tài)。

3.9 設(shè)備地址的軟件編程

串行器和解串器具有可編程的設(shè)備地址，允許多個(gè)GMSL設(shè)備和I2C外設(shè)共存于同一控制通道。更改設(shè)備地址時(shí)，需要同時(shí)在串行器和解串器的相應(yīng)寄存器中寫入相同的地址。

四、設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

4.1 配置輸入

CONF1和CONF0是三級(jí)配置輸入，用于確定串行輸出類型、輸入數(shù)據(jù)鎖存和控制通道接口類型的上電默認(rèn)值。這些功能可以在加電后通過寫入相應(yīng)的寄存器位進(jìn)行更改。

4.2 睡眠模式和掉電模式

• 睡眠模式：通過設(shè)置SLEEP位為1啟動(dòng)睡眠模式，串行器會(huì)立即進(jìn)入睡眠狀態(tài)。OUT+和OUT-串行輸出各有一個(gè)喚醒接收器，可接受來自解串器的喚醒命令。
• 掉電模式：設(shè)置PWDN低電平進(jìn)入掉電模式，此時(shí)串行輸出處于高阻抗?fàn)顟B(tài)，設(shè)備寄存器會(huì)被重置。退出掉電模式時(shí)，MS、DRS、CONF0、CONF1和AUTOS引腳的狀態(tài)會(huì)被鎖存。

4.3 配置鏈接

控制通道可以在沒有時(shí)鐘輸入的情況下以低速模式（配置鏈接）運(yùn)行，允許微處理器在啟動(dòng)視頻鏈路之前對(duì)配置寄存器進(jìn)行編程。通過設(shè)置CLINKEN = 1啟用配置鏈接，配置鏈接在視頻鏈路啟用之前一直有效。

4.4 鏈路啟動(dòng)過程

不同的應(yīng)用場景（如視頻顯示應(yīng)用和圖像傳感應(yīng)用）有不同的鏈路啟動(dòng)過程。在視頻顯示應(yīng)用中，F(xiàn)C連接到串行器；在圖像傳感應(yīng)用中，F(xiàn)C連接到解串器。具體的啟動(dòng)步驟可參考文檔中的表格。

4.5 電源電路和旁路

串行器使用1.7V至1.9V的AVDD和DVDD，除串行輸出外，所有輸入和輸出的電源來自1.7V至3.6V的IOVDD。適當(dāng)?shù)碾娫磁月穼?duì)于高頻電路的穩(wěn)定性至關(guān)重要。

4.6 電纜和連接器

選擇具有匹配差分阻抗的電纜和連接器，以最小化阻抗不連續(xù)性。CML互連通常具有100Ω的差分阻抗，同軸電纜通常具有50Ω的特性阻抗。

4.7 電路板布局

將LVCMOS邏輯信號(hào)和CML/同軸高速信號(hào)分開，以防止串?dāng)_。使用四層PCB，分別為電源、接地、CML/同軸和LVCMOS邏輯信號(hào)設(shè)置單獨(dú)的層。布局PCB走線時(shí)，要保持100Ω的差分特性阻抗，避免過孔，保持差分對(duì)走線長度相等。

4.8 ESD保護(hù)

MAX9273的串行輸出符合ISO 10605和IEC 61000 - 4 - 2 ESD保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，所有引腳都經(jīng)過人體模型測試。在設(shè)計(jì)過程中，要注意ESD保護(hù)措施，確保設(shè)備的可靠性。

五、總結(jié)

MAX9273 22位GMSL串行器以其出色的性能、豐富的功能和廣泛的應(yīng)用場景，為電子工程師們提供了一個(gè)強(qiáng)大的工具。在設(shè)計(jì)過程中，我們需要深入了解其技術(shù)細(xì)節(jié)，合理配置各項(xiàng)參數(shù)，注意電路板布局、電源管理和ESD保護(hù)等方面，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，我們也可以期待MAX9273在更多領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。各位工程師們，你們?cè)谑褂肕AX9273的過程中遇到過哪些問題？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你們的經(jīng)驗(yàn)和見解。