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Camera Sensor接口协议全解析（四）LVDS与SubLVDS接口及协议深度解析

news 2025/6/28 22:44:44

Camera Sensor LVDS与SubLVDS接口及协议深度解析

一、物理层核心技术

1. LVDS（低压差分信号）

在这里插入图片描述

电气特性 ：

差分电压 ：350mV恒定摆幅（最小247mV，最大454mV）
共模电压 ：1.2V ±0.1V
终端匹配 ：100Ω电阻（精度±1%）
电流驱动 ：3.5mA恒流源
传输模型 ：
math

  V_{diff} = (V_{D+}) - (V_{D-}) = 350mV_{pp}

拓扑结构 ：

点对点直连（1:1）
最大传输距离：10米（CAT6A电缆）
支持通道数：4-28对差分线

2. SubLVDS（亚低压差分信号）

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进化亮点 ：

电压摆幅降低43%：350mV → 200mV
功耗降低40%：0.4mW/通道（计算公式：P = V²/R）
共模电压兼容现代低功耗芯片

二、协议层架构解析

1. 数据帧结构

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典型时序参数 （以720p@60fps为例）：

参数	值	说明
帧周期	16.7ms	1/60秒
行周期	29.6μs	包含消隐区
像素时钟	74.25MHz	1280×720×60
VSYNC脉宽	5行时间	帧同步信号
HSYNC脉宽	128像素时间	行同步信号

2. 同步机制

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同步模式对比 ：

模式	信号线	优点	缺点
独立同步	VSYNC+HSYNC	简单直观	增加2根信号线
嵌入式同步	数据通道(SAV/EAV))	减少布线	需要编解码器
混合模式	VSYNC+数据嵌入	平衡方案	设计复杂

三、工业应用场景分析

1. 机器视觉系统（Basler ace方案）

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关键参数 ：

分辨率：2448×2048
帧率：30fps
位深：12-bit
带宽计算：2448×2048×12×30 ≈ 1.8Gbps
接口：8对LVDS通道

2. 汽车环视系统

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设计优势 ：

4路720P@30fps总功耗<2W
-40℃~105℃宽温域工作
抗电磁干扰能力：30dB CMNR
传输距离：15米无中继

四、驱动开发与FPGA实现

1. Linux V4L2驱动框架

// LVDS接收器初始化
struct v4l2_subdev *sd;
v4l2_subdev_init(sd, &lvds_ops);// 设置格式
struct v4l2_mbus_framefmt fmt = {.width = 1280,.height = 720,.code = MEDIA_BUS_FMT_SGRBG12_1X12,
};
v4l2_subdev_call(sd, pad, set_fmt, NULL, &fmt);// 启动流传输
struct v4l2_subdev_video_ops *video = sd->ops->video;
video->s_stream(sd, 1);

2. FPGA采集逻辑(Verilog)

verilog

module lvds_receiver(input [3:0] lvds_p,  // LVDS+ input [3:0] lvds_n,   // LVDS-input clk_ref,        // 200MHz参考时钟output [11:0] pixel   // 12-bit像素输出
);genvar i;
generate
for (i=0; i<4; i=i+1) beginIBUFDS #(.DIFF_TERM("TRUE")) ibuf (.I(lvds_p[i]),.IB(lvds_n[i]),.O(lvds_data[i]));IDDR #(.DDR_CLK_EDGE("SAME_EDGE")) iddr (.Q1(data_even[i]),.Q2(data_odd[i]),.C(clk_ref),.CE(1'b1),.D(lvds_data[i]),.R(1'b0),.S(1'b0));
end
endgenerateassign pixel = {data_even, data_odd}; // 合并双沿数据
endmodule

五、与MIPI CSI-2的对比分析

维度	LVDS/SubLVDS	MIPI CSI-2	优势场景
协议开销	0%	10-15%	实时控制
传输延迟	<10ns	50-100ns	工业自动化
开发难度	FPGA直采	需PHY芯片	快速原型
成本	$0.5/通道	$1.2/Lane	成本敏感型
传输距离	15米	0.3米	分布式系统
抗干扰性	30dB CMNR	25dB CMNR	工业环境