FMC连接器详解

一、FMC连接器概述

FMC（FPGA Mezzanine Card）连接器是一种高速、多引脚（pin）的互连器件，广泛应用于板卡对接的设备中，特别是在Xilinx公司的开发板上得到了普遍使用。FMC标准描述了一个通用的模块，它是以一定范围的应用、环境和市场为目标的。该标准由包括FPGA厂商和最终用户在内的公司联盟开发，旨在为基础板（载卡）上的FPGA提供标准的夹层板（子卡）尺寸、连接器和模块接口。通过这种方式将I/O接口与FPGA分离，不仅简化了I/O接口模块设计，同时还最大化了载卡的重复利用率。

二、FMC连接器的型号

FMC连接器的型号多样，主要由美国Samtec公司设计的高密度高速连接器组成。以下是两种主要的FMC连接器型号：

1. 低引脚数（LPC）连接器：

• 引脚数量：160个引脚

• 支持信号传输速率：高达2Gb/s的单端和差分信号传输速率

• 特殊接口：1个串行收发器、时钟、JTAG接口和1个作为基础智能平台管理接口（IPMI）命令可选支持的I2C接口

• 应用场景：适用于引脚需求较少，但要求一定信号传输速度和功能的场合

2. 高引脚数（HPC）连接器：

• 引脚数量：400个引脚

• 支持信号传输速率：高达2Gb/s的单端和差分信号传输速率，且到FPGA串行连接器的信号传输速率高达10Gb/s

• 特殊接口：160个用户定义的单端信号（或80个用户定义的差分对）、10个串行收发器对以及更多时钟

• 应用场景：适用于需要大量引脚、高数据传输速度和复杂功能的场合

三、FMC连接器的工作原理

FMC连接器的工作原理基于模块化和标准化的设计理念，其核心在于将I/O接口与FPGA分离，通过FMC标准定义的夹层板（子卡）与基础板（载卡）之间的连接实现数据传输和功能扩展。

1. 模块化设计：

• FMC标准定义了单宽度（69毫米×76.5毫米）和双宽度（139毫米×76.5毫米）两种尺寸的模块。

• 单宽度模块支持到载卡的单个连接器，而双宽度模块支持多达两个连接器，主要面向需要更高带宽、更大前面板空间或较大PCB面积的应用。

2. 接口标准化：

• FMC连接器使用Samtec公司设计的高密度高速连接器，确保数据传输的可靠性和速度。

• LPC和HPC连接器使用相同的机械式连接器，但引脚数量和信号配置不同，从而提供灵活性和兼容性。

3. 信号传输：

• FMC连接器支持高达10Gb/s的信号传输速率，子卡和载卡之间潜在总带宽达40Gb/s。

• 通过固定电信号位置和灵活的引脚分配，FMC标准能够最大限度地减少设计的精力和资源，提高效率。

四、FMC连接器的特点

FMC连接器具有多种显著特点，使其在FPGA应用领域中具有广泛的应用前景。

1. 设计重复利用性：

• 不管是采用定制的内部板设计还是商用成品（COTS）子卡或载卡，FMC标准有助于将现有的FPGA/载卡设计重新用到新的I/O上。

• 只需更换FMC模块并对FPGA设计略作调整即可，降低了开发成本和时间。

2. 数据吞吐量：

• 支持高达10Gb/s的信号传输速率，子卡和载卡之间潜在总带宽达40Gb/s，满足高速数据传输需求。

3. 多I/O：

• 提供充足的I/O数量，紧密排列，空间占用少，适用于高密度、高集成度的应用场景。

4. 兼容性：

• 标准化的电源和规范的信号定义，增加了不同FMC模块之间的兼容性。

• 使得第三方板卡能完全兼容Xilinx等FPGA厂商的开发板，实现互联互通的配套使用。

5. 稳定性：

• 宽面积接触和BGA封装，增加了抗震性能，提高了系统的稳定性和可靠性。

五、FMC连接器的应用

FMC连接器在FPGA应用领域中具有广泛的应用前景，以下是一些典型的应用场景：

1. 视频信号检测与分析：

• 基于FMC接口的2路CameraLink Base输出子卡模块，用于高清视频传输与处理、医学影像分析处理等。

• 支持Full CamerLink输入，采用3M SDR 0.8mm间距的连接器，减小板卡空间大小。

2. 数字成像与图像处理：

• 基于spartan6、Virtex5、Virtex6等系列的FPGA测试例子程序，用于数字成像、图像分析与测试等应用。

• 利用FMC连接器的高速数据传输能力和多I/O特性，实现图像数据的快速处理和传输。

3. 高速数据传输：

• 在需要高速数据传输的场合，如高速网络通信、数据存储等，FMC连接器能够提供高达40Gb/s的总带宽。

• 适用于对数据传输速度要求极高的应用场景。

4. 工业控制与自动化：

• 在工业控制与自动化领域，FMC连接器可用于连接传感器、执行器等设备，实现数据的实时采集和控制。

• 通过FMC标准，可以方便地扩展系统的功能和性能。

5. 嵌入式系统：

• 在嵌入式系统中，FMC连接器可用于连接各种外设模块，如显示模块、音频模块、通信模块等。

• 通过FMC标准，可以灵活地配置和扩展系统的功能。

六、FMC连接器的参数

FMC连接器的参数包括物理尺寸、电气性能、环境适应性等多个方面，以下是部分关键参数的详细介绍：

1. 物理尺寸：

• 单宽度模块：69毫米×76.5毫米

• 双宽度模块：139毫米×76.5毫米

• 安装孔大小：2.7毫米

2. 电气性能：

• 信号传输速率：高达10Gb/s（串行连接器）

• 总带宽：潜在总带宽达40Gb/s（子卡和载卡之间）

• 引脚数量：LPC连接器160个引脚，HPC连接器400个引脚

3. 环境适应性：

• 储存温度：商业级0℃～+55℃，工业级-20℃～+55℃（或-55℃～+125℃，具体取决于应用场合）

• 工作湿度：5%～95%，非凝结

4. 特殊接口与功能：

• LPC连接器：1个串行收发器、时钟、JTAG接口、I2C接口（可选）

• HPC连接器：10个串行收发器对、更多时钟

5. 兼容性：

• 符合ANSI/VITA 57.1-2008 FMC连接标准，确保与Xilinx等FPGA厂商的开发板兼容。

6. 其他参数：

• 供电电压：+3.3V（或其他根据具体需求定制的电压）

• 信号线设计：X/Y/Z三组信号线等长设计，支持IIC接口等

七、总结

FMC连接器作为一种高速、多引脚、模块化和标准化的互连器件，在FPGA应用领域中具有广泛的应用前景。通过提供标准的夹层板（子卡）尺寸、连接器和模块接口，FMC标准简化了I/O接口模块设计，最大化了载卡的重复利用率，并带来了设计重复利用性、数据吞吐量、多I/O、兼容性和稳定性等多方面的显著优势。

FMC连接器的型号多样，包括LPC和HPC两种主要类型，分别适用于不同的应用场景和需求。其工作原理基于模块化和标准化的设计理念，通过FMC标准定义的夹层板与基础板之间的连接实现数据传输和功能扩展。在视频信号检测与分析、数字成像与图像处理、高速数据传输、工业控制与自动化以及嵌入式系统等领域，FMC连接器都发挥着重要作用。

通过深入了解FMC连接器的型号、工作原理、特点、应用和参数等方面的知识，我们可以更好地利用这一先进的互连器件，推动FPGA应用领域的发展和进步。