בניית Noise-Resistant Embedded תקשורת עם אותות שונים

מערכות משובצות מודרניות פועלות בסביבות שבהן רעש חשמלי הוא הכלל ולא יוצא דופן.נהגים מוטוריים, מכונות תעשייתיות, החלפת חשמל, ומעבירים אלחוטיים כולם מייצרים הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) שיכולות להשחית זרמי נתונים סדרתיים.כאשר אות חד קצה אחד משמש יותר ממרחקים אפילו בינוניים, כל רעש משותף-מו-ד משותף שנרשם לאורך הכבלים מופיע ישירות כטעות ברמת המתח המתקבלת.

מאמר זה מספק מדריך מקיף ליישום אותות שונים במוצרים משובצים.אנחנו מתחילים עם הפיזיקה הבסיסית, ולאחר מכן לעבור דרך מעשי עיצוב מסחר-offs, בחירת רכיב, כללי פריסת PCB, ויישומים בעולם האמיתי.אם אתה בונה אוטובוס אוטומציה במפעל, לוח רכישה נתונים רב-רגיש, או ממשק מצלמה במהירות גבוהה, הבנה כיצד לעצב עבור שלמות אותות שונים ישלם מיד דיבידנדים במערכת חזקה.

כמה אותות שונים

אות שונה משדר אות על שני מוליכים - לעתים קרובות מתוייג D+ ו- D - המדר מניע חוט אחד עם מתח חיובי יחסית ההתייחסות תוך הפעלת החוט השני עם מתח שווה אך הפוך. המקלט מודד את ההבדל בין שני המוליכים ומתעלמו מכל מתח שהוא משותף לשני. ביטול זה של רעש משותף הוא המפתח לחסינות אותות שונים.

(ב) [17] , [17] , [17] , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

בפועל, מקלט תוכנן עם יחס דחייה נפוצה גבוה (CMRR), בדרך כלל 60 dB או יותר. זה אומר כי שינוי מתח משותף של 1 V עשוי להופיע רק 1 mV של טעות שונה. הרבה transceivers שונים גם לאפשר טווח משותף של מתח משותף של כמה וולט (למשל, -7 עד V12 עבור RS-485), המאפשרים להם לפעול עם הבדלים אפשריים עם מקיפים.

השוו זאת לאות חד-פעמי, שבו מתח האות נמדד כנגד קרקע מקומית.כל רצפה מפצה, ירידה אינדוקטיבית, או רעש מזוג מוסיף ישירות לאות.עבור כבלים ארוכים או סביבה רועשת, קישורים חד-קצה אחד הופכים במהרה לבלתי ניתנים לזיהוי.

יתרונות מרכזיים ב-one-Ended

המונחים: noise Immunity

מכיוון שרעש שזוגות זהים לשני החוטים נדחה, קישורים שונים יכולים לפעול במקומות עם קרינת גבוהה או עריכת EMI, כגון כונן משתנה- ⁇ או בתוך מפרץ מנוע רכב. RS-485, למשל, מדורג עבור מתחים FLT:0common-mode עד 12 VFve:1 ויכול להניע כבלים מעל 1200 מ"מ ב 100bps.

מרחק ארוך יותר במהירות גבוהה

אותות שונים משמרים את העין-diagram פתיחה למרחקים ארוכים יותר כי נדנדה האות היא קטנה יותר (לעתים קרובות 350 mV עבור LVDS) ואת הזרמים הנוכחיים החוזרים חוט הפוך מאשר דרך נתיב קרקע נפרד.זה מקטין את אזור הלולאה ופליטת פליטות קורנות. תקנים כמו LVDS יכולים לפעול במהירויות מעבר 1 Gbps מעל כבלים נחושת של מטרים ארוכים.

פליטות EMI

זוג חוטים הנושאים זרמים שווים ומנוגדים מייצרים שדות מגנטיים שתבטלו זה את זה במידה רבה. נכס זה עצמו מקטין את הקרינה דמוית האנטנה שגורם לתופעות חד פעמיות. מעצבים מוצאים כי באמצעות זוגות שונים עבור שעונים מהירים גבוהים או אוטובוסים נתונים מסייע לעבור FCC או CE ללא מגבלה מופרזת.

Robust Grounding ו-Flowed Ground Loops

מקלטים שונים אינם דורשים התייחסות קרקע מקומית משותפת עם משדר.טווח המופרד מאפשר מספר תנודתיות של הבדל פוטנציאלי קרקעי בין צמתים.זה בלתי יקר במערכות שבהן אספקת חשמל נפרדת או תקופות ארוכות לגרום לשינוי קרקעי - כגון בניית אוטומציה או שדות תעשייתיים.

בחירת תקן הממשק הנכון

קיימים כמה סטנדרטים, כל אחד מותאם למהירות, מרחק, כוח או עלות.הנפוצים ביותר בעיצובים משובצים הם:

  • (FLT:0 485s-485veFLT:1) - Balanced, half-duplex או full-duplex, עד 50 Mbps, טווח משותף-mode −7 V ל- +12 V, מתח פלט שונה ±1.5 V טיפוסי עבור רשתות חיישן רב-דרופ, Modbus ואוטומציה תעשייתית.
  • (FLT:0)VDSigFLT:1 (Low-Voltage Differential Signaling) - נדנדה נמוכה מאוד (350 mV טיפוסי) מאפשרת שיעורי נתונים עד כמה Gbps.שימוש בקישורים סידוריים מהירים (החליפים, כוכבי גב, HDMI).
  • (FLT:0) ,CANIRFLT:1 (Controller Area Network) - אוטובוס שונה עם מדינות דומיננטיות והגנתיות, חזק כדי תקלות.טווח משותף ±12 V, מזרז עד 1 Mbps. Standard במכוניות ובשליטה תעשייתית.
  • (FLT:0)M-LVreaDSFLT:1 (Multipoint LVDS) - הרחבה של LVDS עבור תאוריות אוטובוס מרובותדרופ, המשמשות ב-ATCA ומטוסי גיבוי של טלקום.
  • (ב) (ב"א) ,0) ,(הבא-TX, ג'יגהביט) – השתמש בסימן שונה על פני פאס עם מגנטים לבידוד.
  • (FLT:0)HDMI / DisplayigcioFLT:1 - אות שונה ממיניון (TMDS) עבור וידאו אודיו.

בעת בחירת תקן, שקול את שיעור הנתונים, מספר צמתים, אורך כבל, תקציב חשמל, וחסינות הנדרשת.לדוגמה, RS-485 מצטיין ברשתות רועשות, ארוכות טווח, מהירות נמוכה, בעוד LVDS מועדפת לקישורים מהירים במהירות גבוהה לנקודות אל נקודות בתוך PCB או כבלים קצרים.

יישום מעשי על PCB

עיצוב זוג שונה על לוח מעגלים מודפס דורש שליטה זהירה של הגיאומטריה של עקבות כדי לשמור על אימפולס אופייני קבוע (בדרך כלל 100 ⁇ או 120 ⁇ שונה).

Trace Geometry and Impedance Control

תנופה שונה תלויה ברוחב של עקבות, עובי נחושת, התכווצות בין שני השרידים, ואת המרחק אל מטוס ההתייחסות הקרוב ביותר (בדרך כלל מטוס הקרקע) יצרנים רבים של PCB מציעים מחסניות של ריכוז נשלטים. השתמש במחשבונים או כלים כמו FLT:0Polar Si8000FLT:1 כדי להגדיר את הממדים.

שמור את שני עקבות של זוג שונה באותו אורך (אורך מתאים) כדי למזער את skew. Skew הופך אות שונה לאנרגיה משותפת, degrading CMRR ולהגדיל את העיצובים המהירים ביותר לאפשר לא יותר מ 5 ps של intra-pair skew. השתמש נחשטין routing על העקב הקצר יותר להשוואה.

אסטרטגיות Termination

התנגדות לסילוק במקלט (או בשני הקצוות לאוטובוס רבדרופ) קולטת השתקפות ולמנוע טבעת.לנקודה- לנקודה LVDS, להציב אחד 100 ⁇ התנגדות מעבר ל- D+ ו- D - סיכות ליד המקלט.עבור RS-485drop, סיום התנגדות בשני הקצוות של הכבלים, כל אחד מהם תואם את הכבלים האופייניים של ה- Do notsigned ביניים.

ריצוף ושיקום

למרות שאות שונה מקטין את התלות הקרקעית, מטוס קרקע נמוך מפוספס מתחת לשרידים עדיין חיוני.זה מספק נתיב החזרה עבור זרמים משותפים-מו-דה ומגן על העקבות ממקורות רעש סמוכים. במערכות שבהן הבדלים אפשריים קרקעיים הם גדולים (למשל, מעל כבלים ארוכים או בין מבנים), להשתמש בבידוד גליוני גליוני (optocouplers או דיגיטלי הואלטור) על הקווים המשתנים על ידי RS/DC.

Common-Mode Chokes

חנק משותף ממוקם בסדרה עם זוג דיפרנציאלי מדכא רעש נפוץ קידוד נמוך ללא השפעה על האות השונה. RS-485 רבים ו- CAN הטמעה כוללים חנוק קטן (למשל, 100 מיקרוH ב 100 kHz) בצד הכבלים כדי להפחית עוד יותר את פליטות.

ביס ונכשל - בטוח

כאשר האוטובוס הוא idle (ללא נהיגה משדרת), המתח השונה הוא ליד אפס, ואת הפלט של המקלט ניתן לקבוע.רוב הטרצ'רים השונים כוללים הטיה בטוחה שאינה מונעת את התפוקה למדינה ידועה כאשר המתח השוני מתחת לסף (בדרך כלל ±200 mV). לחלופין, משיכה חיצונית ומושך מתנגדים יכולים להטיה של האוטובוס 5, 485, כדי להבטיח רשת ⁇ ללוגיקה משותפת (R) ל-GV).

שיקולים עבור כבלים וחיבורים

כאשר אותות לעזוב את ה- PCB, הכבל הופך לחלק מקווי השידור.תמיד להשתמש כבלים מעוותים-pair עבור אותות שונים. Twisting מבטיח כי שני החוטים נחשפים כמעט לאותו שדה אלקטרומגנטי, למקסם את הדחייה משותפת-מוריד.הקצב התפנית (מספר של טוויסטים לסנטימטר) צריך להיות גבוה כמו מעשי - לפחות 5 טוויסט למטר עבור מהירות נמוכה RS-485 ל-20+ במהירות גבוהה.

אימפולס של כבלים מעוותים-pair הוא בדרך כלל 100 ⁇ , 120 ⁇ , או 150 ⁇ . להתאים את זה לדרישות של transceiver. עבור כבלים ארוכים, להשתמש כבל עם מנצחי נחושת מוצק ו קיבול נמוך ( ⁇ 50 p / m) מגן מעוות-pair (STP) מוסיף חזיון חיצוני המקטין הפיכה משותפת, אך קשור לעתים קרובות למגן הקרקע.

מחברים: השתמש מחברים שונים-pair (למשל, RJ45, D-Sub עם משימות ספציפיות pin, או מחברים מעגליים) אשר משמרים את האיזון של הזוג. להימנע מניתוק שני החוטים דרך שכבות שונות או pins מעוגלות נרחב. הרבה מחברים תעשייתיים להקצות pins סמוכים לכל הבדל.

דוגמאות

רשתות חיישנים תעשייתיות

במפעל, חיישנים (temperature, רטט, לחץ) הם לעתים קרובות daisy-chained באמצעות RS-485 עם פרוטוקול Modbus.כל חיישן node כולל S32TM או MCU דומה, RS-485 transceiver מבודד, ו- משותף-mode חנק.האוטובוס פועל מעל 100 ⁇ ed-pair כבל, אשר נגמר בשני הקצוות.

קישור מצלמה מהירה

מצלמות ראיית מכונות משתמשות ב-LVDS להעברת נתונים פיקסל ב >1 Gbps.המצלמה מתחברת לתופסת מסגרת באמצעות כבל סטנדרטי של מצלמה Link (ארבעה זוגות שונים בתוספת זוג שעון) הפריסה של PCB משני הצדדים חייבת לשמור על 100 ⁇ ⁇ תנופה שונה ואורך התאמה בתוך כמה פיקו השניות; אחרת, הנתונים יהיו מעט שגיאות.

אוטובוס יכול

כל מכונית מודרנית משתמשת אוטובוס שונה CAN (CAN H ו CAN L) כדי לחבר את ECUs, חיישנים, ומבצעים.האוטובוס פועל ב 500 kbps על פני מתפתל עם 120 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ כל ECU מכיל עומס יכול transceiver עם צומת משותף פנימי לחנוק כך האוטובוס יכול לעמוד בסביבה חשמלית קשה של מנועים.

מלכודות נפוצות וכיצד להימנע מהם

בין שני התאונות

ערפל אורך מופרז ממיר אותות שונים ל-Mode משותף, צמצום חסינות רעש ולהגדיל את EMI. להשתמש בכלים אוטומטיים או ידני זהיר רוטטים לאורך זמן (>100 MHz), לשמור על skew <5 ps.

המונחים: wrong Termination

החסר או הלא נכון - סיום ערכי גורם להשתקפות מעוותת את תרשים העין ומובילה לשגיאות נתונים.עבור נקודת-נקודה LVDS, תמיד להציב התנגדות בדיוק להתאים את הדחף השונה.עבור ריבוי RS-485, יש לסיים רק בשני הקצוות הקיצוניים של הכבלים; לעולם לא בצומת ביניים.

שטף קרקע באמצעות מגן

חיבור מגן הכבלים בשני הקצוות יוצר לולאה קרקעית שיכולה לשאת זרמים גדולים מהבדל בפוטנציאל הקרקעי.המגן צריך להיות מחובר לקרקע כאסאסאסית בקצה אחד בלבד – באופן חד-משמעי את הסוף של הכוח-זמני.אם הכבלים הוא ארוך, לשקול קשר ניקוז מתנגד לדמם סטטי ללא יצירת לולאה DC.

פשטות

stub הוא ענף קצר מהאוטובוס הראשי ועד צומת. במערכות שונות, גמגמים מופיעים כעומסים לא מקבילים המשקפים אנרגיה.עבור RS-485, גמגמים צריכים להיות קצרים מ 0.3 מטרים ב 250 kbps ואפילו קצרים יותר במהירויות גבוהות יותר.עבור LVDS, להשתמש בחיבורים נקודתיים עד לנקודה בלבד; טמפרטורות מסוימות אינן יכולות לאפשר טמפרטורות נוספות אם שיעור הנתונים נמוך נשמר.

בדיקות ואימות

לאחר עיצוב, לאמת את הקישור השונה עם הבדיקות הבאות:

  • (FLT:0)Eye DiagramFLT:1 - השתמש אוקטילוסקופ עם בדיקות שונות כדי למדוד את פתיחת העין במקלט.פתח העין האנכי צריך להיות לפחות 200 מ"ר עבור LVDS; פתח אופקי צריך לעלות על 60% של המרווח.
  • (FLT:0)Common-Mode RejectionFreaLT:1) - Injectknown Common-modeרעש (למשל, מתפקיד באמצעות מהפך) ומדיד את שיעור השגיאה הקטן.קישור מתוכנן היטב צריך לסבול 10 רעש משותף V בתדרים נמוכים.
  • (FLT:0) DomainTime Reflectometry (TDR)FirLT:1) מדד פרופיל החסימה לאורך הצמד כדי לאמת כי העקבות והמניעה הכבלים מתאימים לסיומה. A TDR יכול לחשוף אורך, הפסקות פתוחות, או עודף של קיבול ממחבר.
  • (FLT:0)EMI ScanveFLT:1) - להציב בדיקה כמעט שדה על זוג וכבל שונים כדי לאמת כי פליטות קורנות הן בתוך גבולות.

מסקנה

אותות שונים היא טכניקה רבת עוצמה כי מהנדסים יכולים להסתמך על בניית קישורים תקשורת חזקים, רעש עמידים בפני דיכאון. על ידי הבנת הפיזיקה של דחייה משותפת וליישם פריסת PCB זהירה, סיום, ובחירת כבל, אתה יכול להשיג העברת נתונים אמינה בסביבות שבו אותות חד end נכשל.התחל עם סט ברור של דרישות - מרחק, נתונים, מספר של צמתים, סביבה ורעש - אז לבחור את תקן המתאים (485, 000), יכול ללכת על ידי עיצוב נמוך יותר, וכו ' תקנים שונים, וכו ' , וכו ' , וכו ' â â â â â â â ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ â â â â ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ â â ¢ ¢ ¢ â â â ¢ ¢ â â ¢ â â ¢ â â â ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢

לקריאה נוספת, מומלץ להתייעץ עם רשימות יישום של ספקים מובילים למחצה כגון FLT:0 (Analog מכשירים ראשייםFLT:1 ו-FLT:2Texas InstrumentsFLT:3 משאבים אלה מספקים דוגמאות מפורטות, מודלים סימולציה, ובדיקות עיצוב שמשלים את המידע במאמר זה.