工业底板简化技术

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1、万方数据技术论坛TEcHNIcALFoRuM系统设计师转向串行通信策略，以提高条件恶劣的工厂或工业环境下自动化设备设计的可靠性，延长其服务寿命。工业底板简化技术作者：RichardZarr，NationaISemiconductor为工厂车间设计自动化控制系统是一件繁杂的工作。你必须考虑环境问题热、尘土、辐射、电气噪声，以及对所有电子电路(或人类)有害的问题。大多数PLc(可编程逻辑控制器)系统都含有一个中心控制器和外围I／0模块。这些模块包括连接传感器和真实世界的ADC、DAC、通信模块、数字输入和输出、继电器等等。所有这些模块都需要通过一个信号总线与中心控制器通信。设计

2、师只需简单地去掉设备间的互连，就可以提高某个系统的可靠性。现在有多种方法可以采用，但最简单的方法是使数据串行化，并使用较少的连接。这些技术要用几个物理层和几种拓扑以及数据包格式，直接实现这些总线。无论是用烟雾信号还是激光，通信都需要‘种物理介质，除了从源点至目标点的传播时间之外。可选的方法有很多种，包括无线、电缆、光纤和声学方法。所有这些物理介质都能承载智能，但在不良条件下，某些介质的性能要比另一些更好一些。有线类连接中，标准包括TTL(晶体管一晶体管逻辑)、EcL(射极耦合逻辑)、Rs232、RS422、RS485、LVDS(低压差分信号传输)，以及以太网，它们都可以用于

3、网络、底板和总线。老式的TTL标准采用对地电平约为5V的慢速单端信号，易受接地噪声干扰。Rs232DEVlcEIIDEVIeEJIDEVIcEI·剿雨+IPRocEssoRL———————+IWITHSERDESDEVICESUBSYSTEMS图1，很多底板使用多分支串行总线，实现每块电路板上LVDS收发器的互连。增加了一个双极电压摆幅，有助提高抗噪声能力，但缺乏差分信号在电噪声环境中传输的优点。Rs422、Rs485和LVDs标准都采用差分线对，在接收机端去除两根线上的共模噪声。LVDs用电流代替了电压，并通过降低信号摆幅而大大加快了信号传输速度。这一方案解决了线路的很多

4、问题，包括电缆阻抗问题。在一个对电路有害的环境中(如钢铁www．EDNChina．com万方数据技术论坛TEcHNIcALFoRuMTERMINATlONCONNTERMlNATl0N图2，双份多分支总线可防止其中一个总线失效而使工作中断，同时还可使系统带宽加倍。厂)，大电流可能会从距离控制系统只有几英寸的地方流过。这些电流会在导体中产生噪声，尤其是在设备间长长的互连线上。抑制这种噪声的标准技术是采用差分信号传输方法。RS422和RS485都是长距互连的很好选择，但它们缺乏用于局部总线的速度。LVDs是局部总线的一个较好选择，例如那些安装于DIN轨上的设备之间的通信。另外，

5、设计师正在开始将以太网用作底板的互连。以太网有很多优点。它是一种标准，采用定义良好的MAc(媒体访问控制器)，很多处理器都采用它；并且大多数操作系统都有以太网的标准驱动程序。本文的重点是用串行式LVDs方法保持良好的抗噪声能力，并提供100MHz～400MHz的速度。拓扑哪种拓扑最好?可选的包括多分支总线、冗余多分支总线、点对点总68E删料q盼技术2006．04线，甚至曾经很流行的环形拓扑。多分支或多点总线是很多底板的流行技术，也非常适合于单处理器系统和多处理器系统。如果选择了LVDS，则要在每个电路板的LVDs收发器上采用双端传输线。采用独立收发器的好处有两点。首先，可以

6、将收发器尽量靠近连接器放置，从而限制由于连接中断导致的近端反射。其次，这些收发器也比FPGA中集成的驱动器更加牢靠。当出现故障时，它们的更换成本也远低于价值100美元的FPGA。在这种拓扑中，一个信令就可启动电路板上的驱动器，将串行数据包发送至底板。所有其它设备都是监听方，用于接收传输的数据包。大多数共享式总线拓扑都需要某种形式的流量控制技术。简单的办法是用一个公共访问线路，它用附加线向所有设备指出某台设备在请求总线，其它设备则不准通话。另外，还可以实现一种主／从机构，只有主控制器提出要求时才允许通信(图1)。多分支总线易于实现，但是，一个故障就会导致整个总线失效，如一个短

7、路、终端连接器丢失、或总线驱动器挂起等。在工业环境中，这种故障可能是灾难性的，例如石油冶炼厂就决不允许发生这种故障。解决这一问题的简单方法是使用两个总线。如果一个总线失效，另一个还能保持工作。除了增加冗余以外，系统还在原生模式(正常工作)下获得两倍带宽。使用两个总线后，损失一个总线只会使可用带宽减半，而系统还能在降级模式下继续自己的功能。这种方法的缺点是增加了成本和复杂性(图2)。另一种避免总线故障的方法是采用点对点拓扑，如使用以太网络。每个设备都使自己的总线与控制器通信。如果某个设备或总线失效，所有其它设备还能继