BLVDS总线信号完整性技术的研究

鄢国家重点科技攻关计划野网络空间安全装备研制与安全测评冶项目资助月哉杂蕴灾阅杂渊月蕴灾阅杂冤是由低压差分信号渊蕴燥憎灾燥造贼葬早藻阅蚤枣枣藻灶贼蚤葬造杂蚤早灶葬造蚤灶早冤发展而来一种具有高速率尧低摆幅尧低噪声尧适用多负载等特性的总线型差分信号遥相比蕴灾阅杂信号袁月蕴灾阅杂信号的驱动电流可达员圆皂粤袁可驱动负载接近猿园赘遥同时月蕴灾阅杂端口支持双向通讯袁并且接口支持热插拔袁十分适用于多节点尧重载的总线型应用袁如插卡式的机架背板通信总线遥然而袁在多节点总线的实际应用中袁会存在负载多变尧不定的情况遥有可能出现满负载通信的情况袁或是少数负载甚至一两个负载通信的情况曰也有可能负载连续挂载在总线上的情况袁或是负载间隔挂载在总线上的情况遥如此多的排列组合袁使得总线的负载阻抗也变化多端袁这对做好合适阻抗匹配尧让总线在所有可能的负载情况下信号均有足够的信号裕量提出了很大的挑战遥因此袁对月蕴灾阅杂总线的多变负载应用下的信号完整性进行研究十分必要遥员理论分析员援员总线的有效阻抗月蕴灾阅杂总线的拓扑结构如图员所示袁总线上挂有若干个月蕴灾阅杂收发器作为通信节点袁通信节点与总线主干路通过接插件连接袁每个通信节点的差分线均串接了串联匹配电阻砸泽用于吸收源端信号反射袁总线主干路的两端须并联终端匹配电阻砸贼用于吸收终端信号反射遥一般来说袁对月蕴灾阅杂总线多节点应用中影响信号完整性的因素有院通信节点的引线泽贼怎遭长度尧通信节点的串联匹配电阻尧底板总线传输线阻抗尧总线终端匹配电阻尧接插件的插入损耗等遥为了更好地设计总线的匹配参数袁并综合考虑各种因素对信号完整性的影响袁需要引入一个有效阻抗的概念袁用来描述总线上挂上不同数量通信节点时的实际负载阻抗袁有效阻抗可近似地由式渊员冤计算院在藻枣枣越在园伊悦园悦园垣晕伊悦蕴辕造姨越在园伊悦园悦园垣悦凿姨渊员冤其中院在园是底板总线的差分线阻抗袁单位是赘曰悦园是底板总线上单位长度的电容袁单位是责云辕蚤灶糟澡曰晕是总线上挂的节点数量曰悦蕴是每个节点的负载电容袁单位是责云曰造是底板总线的长度袁单位是蚤灶糟澡曰悦凿越晕伊悦蕴辕造则是总线单位长度上负载电容袁单位是责云辕蚤灶糟澡遥员援圆总线的优化和匹配策略从式渊员冤中的参数关系可以看出袁随着负载数量增加尧单个节点的负载电容增大袁总线有效阻抗将随之降低遥为了减少信号的反射与振铃袁终端匹配电阻须选择与有效阻抗一致遥当总线驱动电流一定时袁有效阻抗的降低将直接导致接收端的差分信号幅值和噪声容限的降低袁进而可能导致逻辑判决错误引起通讯误码或失败遥针对不同的负载情况袁总线上负载电容也不尽相同袁负载电月蕴灾阅杂总线信号完整性技术的研究鄢郑艺扬周位强朱建锋董轲强渊浙江中控技术股份有限公司袁浙江杭州猿员园园缘猿冤砸藻泽藻葬则糟澡燥灶杂蚤早灶葬造陨灶贼藻早则蚤贼赠燥枣月蕴灾阅杂摘要院月蕴灾阅杂总线支持双向尧多节点通信袁十分适合应用于插卡式的机架高速背板通信遥然而袁多节点尧多变负载的情况对月蕴灾阅杂总线的信号完整性提出很高的要求遥从理论上对月蕴灾阅杂总线信号完整性的影响因素进行分析袁并借助仿真方法考察这些因素的影响程度袁总结出一组总线的优化设计参数遥据此参数设计了月蕴灾阅杂硬件测试平台袁对各种负载情况下的总线通信波形进行测量袁结果表明袁即使是有回勾的最差波形袁月蕴灾阅杂总线接收端仍有足够的信号裕量袁可以满足稳定通信的要求遥关键词院月蕴灾阅杂总线袁多变负载袁信号完整性粤遭泽贼则葬糟贼押月蕴灾阅杂憎澡蚤糟澡泽怎责责燥则贼泽遭蚤原凿蚤则藻糟贼蚤燥灶葬造葬灶凿皂怎造贼蚤原灶燥凿藻糟燥皂皂怎灶蚤糟葬贼蚤燥灶熏蚤泽增藻则赠泽怎蚤贼葬遭造藻枣燥则澡蚤早澡原泽责藻藻凿遭葬糟噪责造葬灶藻糟燥皂皂怎灶蚤糟葬贼蚤燥灶援匀燥憎藻增藻则熏葬澡蚤早澡凿藻皂葬灶凿蚤泽则藻择怎蚤则藻凿燥灶贼澡藻糟燥灶凿蚤贼蚤燥灶泽燥枣皂怎造贼蚤原灶燥凿藻熏皂怎造贼蚤原造燥葬凿糟葬泽藻泽燥枣月蕴灾阅杂援栽澡藻则藻枣燥则藻熏贼澡蚤泽责葬责藻则葬灶葬造赠扎藻泽贼澡藻蚤灶枣造怎藻灶糟藻枣葬糟贼燥则泽燥枣泽蚤早灶葬造蚤灶贼藻早则蚤贼赠燥枣月蕴灾阅杂遭怎泽蚤灶贼澡藻燥则赠熏葬灶凿蚤灶增藻泽贼蚤早葬贼藻泽贼澡藻蚤灶枣造怎藻灶糟藻凿藻早则藻藻燥枣贼澡藻泽藻枣葬糟贼燥则泽遭赠皂藻葬灶泽燥枣泽蚤皂怎造葬贼蚤燥灶皂藻贼澡燥凿熏葬灶凿泽怎皂泽怎责贼澡藻燥责贼蚤皂葬造凿藻泽蚤早灶责葬则葬皂藻贼藻则泽燥枣葬早则燥怎责燥枣遭怎泽藻泽援栽澡藻月蕴灾阅杂澡葬则凿憎葬则藻贼藻泽贼责造葬贼枣燥则皂蚤泽凿藻泽蚤早灶藻凿葬糟糟燥则凿蚤灶早贼燥贼澡蚤泽责葬则葬皂藻贼藻则援栽澡藻遭怎泽糟燥皂皂怎灶蚤糟葬贼蚤燥灶憎葬增藻枣燥则皂泽怎灶凿藻则增葬则蚤燥怎泽造燥葬凿糟燥灶鄄凿蚤贼蚤燥灶泽葬则藻皂藻葬泽怎则藻凿援栽澡藻则藻泽怎造贼泽澡燥憎泽贼澡葬贼藻增藻灶蚤枣贼澡藻则藻蚤泽葬憎燥则泽贼原糟葬泽藻憎葬增藻枣燥则皂憎蚤贼澡则藻枣造藻糟贼蚤燥灶熏贼澡藻月蕴灾阅杂遭怎泽则藻糟藻蚤增藻则泽贼蚤造造澡葬泽泽怎枣枣蚤糟蚤藻灶贼泽蚤早灶葬造皂葬则早蚤灶熏葬灶凿皂藻藻贼贼澡藻则藻择怎蚤则藻皂藻灶贼泽燥枣泽贼葬遭造藻糟燥皂皂怎灶蚤糟葬贼蚤燥灶泽援运藻赠憎燥则凿泽押月蕴灾阅杂熏皂怎造贼蚤原造燥葬凿泽熏泽蚤早灶葬造蚤灶贼藻早则蚤贼赠图员月蕴灾阅杂总线的拓扑结构月蕴灾阅杂总线信号完整性技术的研究6叶工业控制计算机曳圆园员愿年第猿员卷第缘期容对总线有效阻抗的影响程度如图圆所示遥从图中可以看出袁负载电容的增加对有效阻抗的降低程度十分显著袁因此尽量减少总线上的负载电容是提高总线的信号传输质量尧噪声容限和信号完整性的主要策略遥图圆负载电容对有效阻抗的影响程度此外袁在多变负载应用时袁存在轻载尧中载尧满载的不同情况袁而终端匹配电阻是固定阻值袁难以做到完全匹配所有的情况遥本文推荐的终端匹配电阻选择策略是与半载情况下的有效阻抗一致遥员援猿总线的初步设计本文基于图员的拓扑结构袁设计了一条数据速率员圆愿酝遭责泽的月蕴灾阅杂通信总线袁其基本参数如下院底板采用带状差分线袁特征阻抗在园越员园园赘袁特征电容悦园抑猿援远责云辕蚤灶糟澡曰圆园个槽位袁相邻槽位之间的距离为员蚤灶糟澡袁总线的总长度约为圆员蚤灶糟澡曰通信节点选择支持月蕴灾阅杂电平的云孕郧粤袁其引脚负载电容约为远责云曰通信节点的引线采用微带差分线袁考虑到孕悦月布线的可行性袁其长度不超过员援圆蚤灶糟澡袁则其特征电容最大为猿援远责云曰连接器尧过孔造成的负载电容约为圆责云曰则单个通信节点的总负载电容约为员员援远责云遥在总线半载情况下袁其单位长度的负载电容悦凿越员员援远责云伊员园辕圆员蚤灶糟澡越缘援缘责云辕蚤灶糟澡袁根据式渊员冤可进一步推算出其总线的有效阻抗在藻枣枣抑远猿赘遥因此袁考虑标准电阻值袁总线的终端匹配电阻值选择两个猿猿赘电阻串联共同构成远远赘遥圆仿真优化为了考察总线各参数对信号完整性的影响袁本文对不同的总线终端匹配电阻尧通信节点的引线泽贼怎遭长度尧通信节点的串联匹配电阻这三个主要参数进行仿真分析和优化袁再根据结果选择出最优的参数袁用于实际开发遥圆援员总线终端匹配电阻的影响在满载尧半载和轻载情况下袁不同阻值的终端匹配电阻砸贼对通信节点接收端信号波形的影响趋势袁如图猿耀图缘所示遥相同负载情况下袁不同节点接收到的波形趋势基本相同袁故以员号槽位发射袁员园号槽位接收的波形为例遥从图中对比可以看出袁不同负载情况下袁砸贼的影响情况也不同袁负载越重袁则最优匹配电阻值越低遥因此袁根据仿真情况袁砸贼选择半载情况下的最优匹配电阻值远远赘最为合适袁与理论计算一致遥圆援圆通信节点的引线杂贼怎遭长度的影响在满载尧半载和轻载情况下袁不同节点引线长度对通信节点接收端波形的影响趋势如图远耀图愿所示遥相同负载情况下袁不同节点接收到的波形趋势基本相同袁故以员号槽位发射袁员园号槽位接收的波形为例遥从图中可以看出袁随着泽贼怎遭长度的增加袁接收端的信号反射越来越严重袁因此泽贼怎遭长度应越短越好遥考虑线的可行性袁规定可接受的泽贼怎遭长度为不超过员援圆蚤灶糟澡遥图远满载情况下袁不同泽贼怎遭的影响渊员槽发送员园槽接收冤圆援猿通信节点的串联匹配电阻的影响在满载尧半载和轻载情况下袁不同阻值的串联匹配电阻砸泽对通信节点接收端信号波形的影响趋势袁如图怨耀图员员所示遥相同负载情况下袁不同节点接收到的波形趋势基本相同袁故以员号图猿满载情况下袁不同砸贼的影响渊员槽发送员园槽接收冤图源半载情况下袁不同砸贼的影响渊员槽发送员园槽接收冤图缘轻载情况下袁不同砸贼的影响渊员槽发送员园槽接收冤7图愿轻载情况下袁不同泽贼怎遭的影响渊员槽发送员园槽接收冤槽位发射袁员园号槽位接收的波形为例遥从图中对比可以看出袁在三种负载情况下袁砸泽的影响趋势基本一致遥随着砸泽的增大袁接收端信号幅值有所下降尧边沿有所减缓袁但是信号的反射也随之降低遥因此袁砸泽不宜过大也不宜过小袁综合考虑袁选择圆圆赘阻值较为合适遥图怨满载情况下袁不同砸泽的影响渊员槽发送员园槽接收冤图员园半载情况下袁不同砸泽的影响渊员槽发送员园槽接收冤图员员轻载情况下袁不同砸泽的影响渊员槽发送员园槽接收冤圆援源优化参数下袁总线波形仿真结果根据仿真优化的参数袁对总线负载情况下尧任意节点间的通信质量进行仿真考察袁其结果如图员圆耀图员源所示遥其中袁大部分情况下的信号质量均良好袁信号裕量足够袁如图员圆所示曰在负载连续时袁中间相邻槽位间的通信波形会出现回勾袁如图员猿所示袁例如满载情况下袁怨号槽位和员园号槽位通信的波形会出现回勾情况曰在有间隔负载时袁则间隔相邻负载槽位间的通信波形会出现回勾袁如图员源所示袁例如满载情况下空出缘耀员园槽位袁则源号和员员号槽位通信的波形会出现回勾情况曰从波形看袁间隔负载时的回勾更为严重遥可以判断袁总线通信波形质量最差的情况出现在间隔负载时遥因此袁只要这种情况下信号波形满足裕量要求袁总线即可满足任意负载情况的通信遥图员圆大部分情况下波形质量良好图员猿连续负载时袁中间相邻槽位间通信波形有回勾图员源间隔负载时袁间隔相邻槽位间通信波形有回勾图苑半载情况下袁不同泽贼怎遭的影响渊员槽发送员园槽接收冤月蕴灾阅杂总线信号完整性技术的研究8叶工业控制计算机曳圆园员愿年第猿员卷第缘期渊上接第缘页冤咱源暂孙文援一种低噪声大动态范围小型前端电路的研究咱阅暂援兰州院中国科学院研究生院渊近代物理研究所冤袁圆园员源咱缘暂酝葬则糟葬造孕造葬灶泽熏允燥葬灶杂蚤皂燥熏云则葬灶糟藻泽糟悦葬泽葬灶葬泽熏藻贼葬造援悦澡葬则葬糟贼藻则蚤扎葬鄄贼蚤燥灶燥枣糟燥皂皂燥灶遭藻葬灶泽穴孕澡葬泽藻燥造怎泽增怎造早葬则蚤泽蕴援雪遭赠蚤灶枣则葬则藻凿泽责藻糟贼则燥泽糟燥责赠押悦燥皂责葬则蚤泽燥灶燥枣酝陨砸熏云栽原晕陨砸葬灶凿凿蚤泽责藻则泽蚤增藻晕陨砸怎泽蚤灶早责燥则贼葬遭造藻葬灶凿遭藻灶糟澡贼燥责蚤灶泽贼则怎皂藻灶贼泽眼允演援云燥燥凿砸藻鄄泽藻葬则糟澡陨灶贼藻则灶葬贼蚤燥灶葬造熏圆园员猿熏缘源穴圆雪押员远源猿原员远缘员咱远暂陆安江袁张正平袁白忠臣袁等援电热式微机电系统微镜傅里叶变换红外光谱仪咱允暂援红外与激光工程袁圆园员远袁源缘渊缘冤院园缘圆园园园苑原员原园缘圆园园园苑原苑咱苑暂文丰袁鄢玲玲袁李辉景袁等援基于云孕郧粤的高精度采集模块设计咱允暂援仪表技术与传感器袁圆园员苑渊愿冤院员怨原圆圆咱收稿日期院圆园员苑援员圆援圆苑暂猿实验验证本文依据仿真优化的参数袁搭建了如图员所示的月蕴灾阅杂总线硬件测试平台袁用以验证本文设计方法和匹配策略的正确性和合理性遥同样在满载尧中载尧轻载情况下袁对连续负载尧间隔负载等多条件各通信节点间通信波形进行测量袁考察信号的完整性遥其结果为院员冤大部分情况下的信号质量均良好袁信号裕量足够袁如图员缘所示曰图员缘大部分情况下实测波形质量良好圆冤在负载连续时袁中间相邻槽位间的通信波形会出现回勾袁如图员远所示为满载情况下袁怨号槽位发送给员园号槽位间通信实测波形袁其信号裕量超过猿园园皂灾曰图员远连续负载时袁中间相邻槽位间通信的实测波形猿冤在有间隔负载时袁则间隔相邻负载槽位间的通信波形会出现回勾袁如图员苑所示为满载情况下空出缘耀员园槽位袁源号槽位发送给员员号槽位的波形袁虽然存在回勾情况袁但是其信号裕量超过了圆园园皂灾袁不会影响正常通信遥源结束语本文先从理论上分