《電子技術(shù)應(yīng)用》
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UM-BUS總線傳輸系統(tǒng)的建模與仿真
2015年電子技術(shù)應(yīng)用第4期
王 釗1,2,,張偉功1,,2
1.首都師范大學(xué) 信息工程學(xué)院,,北京100048,; 2.北京市高可靠嵌入式系統(tǒng)技術(shù)工程研究中心,,北京100048
摘要: UM-BUS(動(dòng)態(tài)可重構(gòu)高速串行總線)是一種基于故障實(shí)時(shí)檢測(cè)和動(dòng)態(tài)重構(gòu)的新型多通道高速串行總線,。UM-BUS總線的傳輸介質(zhì)為屏蔽雙絞線,,傳輸通道采用MLVDS(TIA/EIA-899-2002)信號(hào)傳送方式,,能夠支持多個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備直接連接?;趥鬏斁€理論,,采用Hyperlynx建立了UM-BUS總線物理線路的電阻隔離型、電容隔離型,、阻容隔離型3種傳輸模型,,并對(duì)仿真眼圖及實(shí)測(cè)眼圖進(jìn)行了分析,確定了UM-BUS總線物理鏈路模型,,為進(jìn)一步研究UM-BUS總線傳輸系統(tǒng)提供了支持,。
中圖分類號(hào): TN914
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2015)04-0032-04
Modeling and simulation of UM-BUS transmission system
Wang Zhao1,2,,Zhang Weigong1,,2
1.College of Information Engineering, Capital Normal University, Beijing 100048,China,; 2.Beijing Engineering Research Center of High Reliable Embedded System, Beijing 100048,,China
Abstract: UM-BUS(dynamic reconfigurable high-speed serial bus) is a real-time fault detection and dynamic reconfiguration based on a new type of multi-channel high-speed serial bus. UM-BUS uses shielded twisted pair as transmission medium, transmission channel uses MLVDS (TIA/EIA-899-2002) signal transmission method, supporting a direct connection of a plurality of node devices. Based on transmission line theory, Hyperlynx is used to establish three transmission models of UM-BUS bus isolated physical line,which are resistance, capacitance isolated and RC isolated. And simulation of the eye and the eye diagram measurement are analyzed to determine the UM-BUS bus physical link model. This work provides support for further study of UM-BUS bus transport system.
Key words : modeling,;simulation,;eye diagram;dynamic reconfigurable high-speed serial bus,;Hyperlynx

  

0 引言

  動(dòng)態(tài)可重構(gòu)高速串行總線(UM-BUS)是一種基于故障實(shí)時(shí)檢測(cè)和動(dòng)態(tài)重構(gòu)的新型多通道高速串行總線,。該總線具有線路動(dòng)態(tài)檢錯(cuò)功能,能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)總線系統(tǒng)線路狀況,,并能根據(jù)線路狀況將通信數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)均衡地分配到健康的傳輸線路上,,實(shí)現(xiàn)了通信線路冗余容錯(cuò)與高速傳輸?shù)挠袡C(jī)統(tǒng)一,。UM-BUS總線采用多點(diǎn)低電壓差分信號(hào)(Multipoint-Low-Voltage Differential Signaling,,M-LVDS)傳輸技術(shù)[1],這種傳輸方式可滿足多節(jié)點(diǎn)直接連接的需求,,提高信號(hào)的傳輸速度和信號(hào)的抗噪能力,。UM-BUS總線采用100 Ω屏蔽雙絞線作為傳輸介質(zhì),信息傳輸速率為100 Mb/s,。然而UM-BUS總線傳輸系統(tǒng)在傳輸信號(hào)時(shí),,信號(hào)波形易發(fā)生畸變,對(duì)傳輸質(zhì)量有很大的影響[2],。因此,,應(yīng)尋找合適的傳輸鏈路模型和參數(shù)來(lái)提高總線信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?。本文?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/Hyperlynx" title="Hyperlynx" target="_blank">Hyperlynx中對(duì)UM-BUS總線的物理層進(jìn)行建模,搭建3種耦合鏈路模型:電阻型鏈路模型,、電容型鏈路模型,、電阻電容型鏈路模型,將以上這3種模型進(jìn)行建模仿真分析與實(shí)際測(cè)量,,確定電阻電容型鏈路模型是傳輸質(zhì)量最優(yōu)的鏈路模型,,對(duì)UM-BUS總線起到全面的故障隔離的作用,波形畸變較小,,誤碼率較低,,提高了UM-BUS總線的可靠性。

1 UM-BUS總線概述


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  UM-BUS總線采用多線路并發(fā)冗余的總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),,如圖1所示,。UM-BUS采用節(jié)點(diǎn)直接互連方式,與通常高速串行總線相比不需要中繼與路由器等,。UM-BUS總線最多可以連接30個(gè)總線節(jié)點(diǎn)設(shè)備,,節(jié)點(diǎn)可分為主控節(jié)點(diǎn)、從節(jié)點(diǎn)和監(jiān)視節(jié)點(diǎn)3種,,每個(gè)主控節(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)都分配一個(gè)唯一的5位節(jié)點(diǎn)地址,。主控節(jié)點(diǎn)地址只能為0~7,從節(jié)點(diǎn)地址可以是1~30的任意地址,,節(jié)點(diǎn)地址0和31目前保留,,未來(lái)可作為廣播消息、中斷消息等擴(kuò)展,。

  UM-BUS使用多通道并發(fā)傳送方式,,這些并發(fā)通道同時(shí)又互為冗余備份。UM-BUS支持2~32條通道(lane)初始配置,,為保證總線的基本容錯(cuò)能力,,硬件上需要配置至少2條通信通道,為避免總線信號(hào)數(shù)量增加導(dǎo)致總線尺寸與管理復(fù)雜度的過(guò)度增加,,UM-BUS總線最多支持32通道并發(fā)傳輸與動(dòng)態(tài)冗余[3],。正常情況下,通信過(guò)程中,,總線控制器會(huì)將通信數(shù)據(jù)包按字節(jié)順序均勻分配到所有通信通道上,,如果某一通道或幾個(gè)通道出現(xiàn)故障,總線控制器會(huì)實(shí)時(shí)檢測(cè)故障,,將通信數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)均衡地分配到其他健康通道上進(jìn)行傳送,,實(shí)現(xiàn)對(duì)總線通道故障和節(jié)點(diǎn)電路故障的動(dòng)態(tài)容錯(cuò)。UM-BUS總線通道采用MLVDS(TIA/EIA-899-2002)信號(hào)傳送方式,單通道傳送速率最高為200 Mb/s,,總線通道連接方式如圖2所示,。總線連接電纜采用的是屏蔽雙絞線纜,,通道線纜長(zhǎng)度最大為40 m,。

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2 傳遞函數(shù)研究

  UM-BUS總線傳輸系統(tǒng)中所采用的傳輸線為雙絞線。對(duì)于雙絞線的分析方法通常有兩種[4]:(1)場(chǎng)分析法,,即從麥克斯韋爾方程出發(fā),,求出滿足邊界條件的波動(dòng)解,得出傳輸線上電場(chǎng)和磁場(chǎng)的表達(dá)式,,進(jìn)而分析傳輸特性,;(2)等效電路法,即從傳輸線方程出發(fā),,求出滿足邊界條件的電壓,、 電流波動(dòng)方程的解, 得出沿線等效電壓、電流的表達(dá)式,,進(jìn)而分析傳輸特性,。前一種方法數(shù)學(xué)上比較繁瑣,后一種方法實(shí)質(zhì)是在一定的條件下“化場(chǎng)為路”,,有足夠的精度,,數(shù)學(xué)上較為簡(jiǎn)便,因此被廣泛采用,。當(dāng)傳輸線的長(zhǎng)度l與工作頻率所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)λ可相比擬時(shí),,也就是說(shuō)滿足l≥λ/100時(shí),就是所謂的相比擬,,而UM-BUS總線傳輸系統(tǒng)的頻率為100 MHz,,電磁場(chǎng)中有線的傳輸速度是接近光速的,λ=c/f=3,,滿足相比擬的條件l≥3/100,,滿足第二種方法,也就是用“化場(chǎng)為路”的思想來(lái)研究傳輸線,。這樣,,便可建立起傳輸線的電路模型——分布參數(shù)模型。

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  如圖3中分布參數(shù)等效電路圖,,根據(jù)基爾霍夫定律可得:

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  式(1)為電報(bào)方程,。對(duì)于時(shí)諧電壓和電流,,可用復(fù)振幅表示為:

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  將上式代入式(1),,即可得時(shí)諧傳輸線方程:

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  式中:Z=R+jωL、Y=G+jωC分別稱為傳輸線單位長(zhǎng)度的串聯(lián)阻抗和單位長(zhǎng)并聯(lián)導(dǎo)納,。

  4.png

  式中:3)4_2O5MK{Z}L~76SZV8CNC.jpg為傳播常數(shù),。在Z=0的情況下,,電壓U(0)=UL和電流I(0)=IL的邊界條件決定:A=(UL+IL Z0)/2和B=(UL-IL Z0)/2。均勻傳輸線方程的瞬時(shí)表達(dá)式為:

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  由此,,得出UM-BUS總線傳輸系統(tǒng)的傳輸方程為式(5)和(6),,傳輸方程正確與否需要利用MATLAB進(jìn)行計(jì)算,確定其數(shù)值符合MLVDS應(yīng)用手冊(cè)中的規(guī)定,。雙絞線各項(xiàng)參數(shù)如表1所示,,ANSI_TPI AWG26[5]是UM-BUS總線所采用雙絞線型號(hào)。其中雙絞線電阻為0.286 Ω/m,,根據(jù)式(5)和(6),,使用MATLAB得出分布電阻與電壓的關(guān)系圖如圖4所示,為當(dāng)分布電阻為0.0286 Ω時(shí),,它的輸出電壓為625 mV,,根據(jù)MLVDS應(yīng)用手冊(cè)[6]中的規(guī)定,MLVDS在工作時(shí)標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓為450~650 mV,,可見(jiàn)輸出電壓為625 mV,,符合MLVDS工作標(biāo)準(zhǔn)。同理通過(guò)計(jì)算分析后,,確定分布電容和分布電感都符合MLVDS[6]應(yīng)用手冊(cè)的標(biāo)準(zhǔn),,因此將以上數(shù)據(jù)用于UM-BUS總線的仿真建模和實(shí)際系統(tǒng)中,為總線傳輸系統(tǒng)提供理論基礎(chǔ),。 

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3 UM-BUS總線系統(tǒng)仿真與實(shí)測(cè)

  3.1 電阻型鏈路模型

  通過(guò)對(duì)UM-BUS總線傳輸系統(tǒng)的傳輸方程進(jìn)行計(jì)算及分析,,確定了分布電阻、分布電容,、分布電感,,基于此對(duì)UM-BUS總線傳輸系統(tǒng)的雙絞線進(jìn)行建模,根據(jù)MLVDS應(yīng)用手冊(cè)[6]規(guī)定的傳輸模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),,在UM-BUS總線傳輸系統(tǒng)的發(fā)送端和接收端串聯(lián)電阻,,將這種模型稱之為電阻型鏈路模型。如圖5所示為Hyperlynx中搭建的UM-BUS總線電阻型鏈路仿真模型圖,,其中UM-BUS總線的傳輸系統(tǒng)的發(fā)送端與接收端采用TIA/EIA-899(MLVDS)的SN65MLVD201系列的IBIS模型,。雙絞線的具體參數(shù)如表1所示。

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  對(duì)UM-BUS總線電阻型鏈路模型的傳輸系統(tǒng)進(jìn)行仿真和分析,,得到該仿真?zhèn)鬏斈P偷?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/眼圖" title="眼圖" target="_blank">眼圖,。如圖6所示為UM-BUS總線電阻型鏈路仿真模型的眼圖,可見(jiàn)眼圖的睜開度良好,,眼寬和眼高符合標(biāo)準(zhǔn)眼圖的規(guī)定,,失真很小;如圖7所示為UM-BUS總線電阻型鏈路傳輸系統(tǒng)實(shí)測(cè)的眼圖,,同理可以看出它的眼睛張開度很大,,眼高眼寬均在正常范圍,產(chǎn)生的畸變很小,,抖動(dòng)不大,,浴盆曲線中所反映的誤碼率達(dá)到了10-12。由此可見(jiàn)電阻型鏈路模型的傳輸質(zhì)量良好,。然而若采用這種傳輸模型,,一旦發(fā)生短路,就會(huì)引起芯片的燒毀,,甚至蔓延整個(gè)電路,。產(chǎn)生這種問(wèn)題的主要原因是由于該模型中的保護(hù)電阻雖然起到了一定的故障隔離作用,但是為保證UM-BUS總線傳輸網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行,,通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)證明,,隔離電阻不能選用超過(guò)50 Ω以上的電阻,同時(shí)也確定了保護(hù)電阻在33 Ω時(shí)傳輸質(zhì)量最好,,如表1所示,。然而這個(gè)阻值不大的保護(hù)電阻在大電流的作用下很難保護(hù)芯片,極其容易發(fā)生短路,,嚴(yán)重的包括對(duì)地,、電源發(fā)生的短路,這種情況極易引起整個(gè)電路的燒毀,。

  3.2 電容型鏈路模型


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  基于上節(jié)UM-BUS總線的電阻電容型鏈路傳輸模型的討論,,可以發(fā)現(xiàn)信號(hào)在該模型中的傳輸質(zhì)量很好,但它的故障隔離的功能很弱,。為提高傳輸模型故障隔離的能力,,提出新的方案:將上述電阻模型的端接電阻換為保護(hù)電容,將這種模型稱之為電容鏈路模型,,如圖8所示為UM-BUS總線傳輸系統(tǒng)電容型鏈路仿真模型,,該模型中的保護(hù)電容會(huì)彌補(bǔ)電阻型鏈路模型的不足,若是發(fā)生短路,,電容會(huì)立刻斷開,,保護(hù)芯片和電路不會(huì)被燒毀。在電容型鏈路模型中,,該模型的保護(hù)電容為10 nF,。

  對(duì)UM-BUS總線電容型鏈路模型的傳輸系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真和分析,得出該仿真?zhèn)鬏斈P偷难蹐D,。如圖9所示為UM-BUS總線電容型鏈路仿真模型的眼圖,,眼圖張開度較好,,波形衰減小,;而且電容型鏈路模型可以起到故障隔離的功能,,在發(fā)生故障時(shí),,防止這種故障蔓延,。然而在本方案中將電容代替了電阻,沒(méi)有按照MLVDS應(yīng)用手冊(cè)[6]規(guī)定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)搭建傳輸系統(tǒng),。因此即使電容型鏈路模型具有故障隔離的功能,,但傳輸波形質(zhì)量不好。如圖10 UM-BUS總線電容型鏈路傳輸系統(tǒng)的眼圖所示,,在電容型鏈路傳輸系統(tǒng)中很容易發(fā)生波形畸變,,產(chǎn)生信號(hào)完整性問(wèn)題,例如反射,、串?dāng)_等問(wèn)題,,這些問(wèn)題極容易造成波形的畸變,影響系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量,。

  3.3 電阻電容型鏈路模型

  綜合以上兩種方案,,結(jié)合電阻型鏈路模型和電容型鏈路模型的優(yōu)勢(shì),提出一種既能保證傳輸波形的質(zhì)量又具有故障隔離功能的傳輸模型:在MLVDS的收發(fā)兩端串聯(lián)保護(hù)電容和保護(hù)電阻,,稱之為電阻電容型鏈路模型,,如圖11所示為UM-BUS總線電阻電容型鏈路的仿真模型,保護(hù)電阻為200 Ω,,保護(hù)電容為100 nF,。

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  對(duì)UM-BUS總線電阻電容型鏈路模型的傳輸系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真和分析,得出該仿真?zhèn)鬏斈P偷难蹐D,。如圖12 UM-BUS總線電阻電容型鏈路仿真模型眼圖,,該眼圖眼睛的張開度良好,發(fā)生的畸變較小,,噪聲可以忽略,。如圖13 UM-BUS總線電阻電容型鏈路傳輸模型眼圖所示,可見(jiàn)仿真測(cè)得的眼圖與實(shí)測(cè)測(cè)得的眼圖一致,。結(jié)合了以上兩種方案的優(yōu)點(diǎn),,電阻電容型鏈路模型有保護(hù)電阻的保護(hù),可以保證總線的傳輸質(zhì)量,;其次有保護(hù)電容的保護(hù),,若是發(fā)生短路,保護(hù)電容對(duì)電路起到了故障隔離作用,,防止電路和芯片被燒毀,,防止故障的蔓延,。由此可見(jiàn),該模型既滿足了傳輸質(zhì)量高的要求,,也發(fā)揮故障隔離的功能,,保護(hù)好電路和芯片不被燒毀。

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4 結(jié)束語(yǔ)

  本文根據(jù)對(duì)傳輸線理論的研究,,采用雙絞線的分布參數(shù)模型,,對(duì)UM-BUS總線傳輸系統(tǒng)的雙絞線進(jìn)行分析計(jì)算,得到傳遞方程,,進(jìn)而對(duì)雙絞線進(jìn)行建模,,在此基礎(chǔ)上對(duì)3種故障隔離電路進(jìn)行了建模仿真。通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn),,首先電阻型鏈路模型雖然傳輸質(zhì)量良好,,但是缺乏故障隔離功能;其次電容型鏈路模型雖然能起到故障隔離的作用,,但卻不能保證UM-BUS總線的傳輸質(zhì)量,;最終選擇了電阻電容模型作為UM-BUS總線的傳輸模型,該模型綜合了以上兩種傳輸模型的優(yōu)點(diǎn),,既能保證有良好的傳輸質(zhì)量,,又可以起到故障隔離的作用。UM-BUS總線仿真模型與實(shí)際測(cè)量傳輸質(zhì)量均良好,。本文研究為進(jìn)一步研究UM-BUS總線傳輸系統(tǒng)提供支持,,其可靠性大大提升。

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