Исследования по проектированию высокоскоростных печатных плат во встроенных прикладных системах

Современные электронные системы развиваются в направлении малого размера, большого масштаба и высокой скорости, поскольку плотность микросхем становится все более высокой в ​​SLSI (сверхбольшая интеграция), что приводит к некоторым неизбежным проблемам, таким как анализ и обработка. с взаимосвязями и проблемами укладки в высокоскоростных схемах. В настоящее время радиочастота электронных продуктов достигает сотен или тысяч МГц, и как передний, так и задний фронты становятся настолько крутыми, что правила компоновки печатных плат и диэлектрическая проницаемость материала подложки чрезвычайно важны для электрических характеристик системы в процессе проектирования. такие продукты.

В качестве важного процесса и шага в большинстве современных исследований электронных продуктов проектирование высокоскоростной печатной платы выявило основные проблемы, включая проблему синхронизации, шумовые помехи и электромагнитные помехи, решения которых связаны с нормальной работой системы.

Теперь традиционные методы проектирования приводят к низкой надежности и успеху продуктов, которые обеспечивают высокую практическую ценность и широкие ожидания рынка в отношении исследований в области проектирования высокоскоростных печатных плат во встроенных прикладных системах.

Проект схемы системы

На рис. 1 показана функциональная рамка встроенного RTU (удаленного терминала).

Из рисунка 1 видно, что эта система представляет собой вертикальную коммуникационную структуру, состоящую из слоя накопления данных, содержащего блок электроэнергии, датчик и блок измерения аналогового количества, уровня передачи данных, содержащего шлюз, который регулирует данные в слое накопления данных через команда из инженерного центра приема через Интернет и слой обработки данных, реализованный программным обеспечением для мониторинга APP, хранит и анализирует данные в режиме реального времени и делает кривые данных обращенными к пользовательскому интерфейсу, чтобы повысить гибкость и эффективность администрирования накопления данных.

Аппаратная рама системы RTU

Это встроенное аппаратное обеспечение системы IoT RTU в основном состоит из USB 2.0, процессора AT91SAM9263, CAN, SDRAM, Nand Flash, Data Flash, контроллера Ethernet, микросхемы часов, интерфейса RS232/485, компонентов управления питанием и накопления данных.

Эта конструкция, управляемая операционной системой Linux, отличается более широкими возможностями администрирования памяти и устройств, поэтому реализовано многозадачное планирование в реальном времени, содержащее сложный алгоритм и протокол связи, которые отвечают за сетевое соединение, передачу данных и накопление конфигурации. На рис. 2 показана печатная плата RTU, разработанная в этой статье.

Поддерживая двойной стек IPv6 и IPv4, эта система способна реализовать оперативность и возможность работы в реальном времени. Что касается хранения данных, требование локального хранилища может быть выполнено при условии блокировки связи. Что касается интерфейса связи, он имеет различные интерфейсы передачи данных, включая RS485, RS232 и CAN, поддерживает протокол связи Modbus RTU и отвечает требованиям различных интерфейсов и различных скоростей связи.

Проектирование печатной платы системы RTU

• Конструкция системы, состоящая из печатных плат

Количество слоев печатных плат обычно находится в диапазоне от 2 до 32 в зависимости от сложности конструкции. 6-слойная печатная плата в этом дизайне определяется плотностью компонентов, небольшим пространством разводки и высокой частотой сигнала. Это распределение по слоям печатной платы показано на рисунке 3 ниже.

В этой системе конфигурация полосковых линий используется для FLASH и SDRAM, а маршрутизация реализована на внутреннем сигнале 1 и внутреннем сигнале 2.

• Правила ограничения платы в этой системе

При проектировании высокоскоростных печатных плат на непрерывность импеданса и электромагнитные помехи сильно влияют расстояние, длина и ширина проводов и соседняя обработка контуров. Качество компоновки и трассировки компонентов связано с успехом окончательного проекта, поэтому правила ограничения печатной платы должны быть разумно приняты.

Hyper Lynx имеет функцию вмешательства в анализ диаграммы, а модель IBIS может применяться для точного моделирования передачи потерь, дифференциальных сигналов и модели сквозного отверстия, которая изменяется с частотой. Основная сеть моделируется перед трассировкой Line для улучшения структуры стека печатных плат и импеданса маршрутизации, а правила ограничения маршрутизации высокоскоростной сети печатных плат разрабатываются до результатов моделирования для повышения эффективности проектирования.

• Моделирование печатной платы этой системы

В процессе проектирования высокоскоростной печатной платы идеальная модель линии передачи применяется для имитации переднего терминала с ограниченными сигнальными линиями, моделируемыми за один раз. Линии передачи на задней клемме печатной платы, однако, фактически являются линиями трассировки печатной платы с влиянием смещения сквозных отверстий и плоскостей. В этом случае полученный результат моделирования чрезвычайно надежен.

В процессе проектирования основной цепи системы сопротивление согласования клемм однополюсного сигнала должно находиться в диапазоне от 40 до 60 Ом, а пороговое значение перекрестных помех между сигнальными линиями должно составлять 165 мВ. Кроме того, чтобы сделать сетевые контроллеры DM9000 и DM9161 самонастраивающимися для скорости передачи данных 100 Мбит/с, дифференциальное сопротивление должно быть в пределах категории 100±5 Ом. Моделирование печатных плат осуществляется программным обеспечением моделирования Hyper Lynx, разработанным Mentor Graphic, на SDRAM, дифференциальных линиях Ethernet, целостности питания и электромагнитной совместимости.

а. Дизайн SDRAM

В процессе проектирования полосковой линии перекрестные помехи и сквозные отверстия являются основными причинами, приводящими к временной задержке. Несмотря на то, что печатная плата собрана в соответствии с правилами трассировки, определенными инструментами моделирования линий, неизбежны некоторые проблемы, такие как слишком большое количество выводов компонентов и ограниченные размеры печатной платы. Поэтому необходимо надлежащим образом смоделировать несколько сетей с помощью инструментов моделирования Board.

По результатам моделирования интенсивность перекрестных помех аналоговой сети EBI_D0 и EBI_D2 превышает 165 мВ. Две сети совершают атаку на EBI_D1 и ищут место соединения, поскольку расстояние между змеевидными линиями в желтой области маркировки является неподходящим. Можно проиллюстрировать, что увеличение интервала маршрутизации поможет устранить эту проблему. Однако что нас действительно волнует, так это то, почему хакерская сеть страдает от таких сильных помех. Причина, возможно, кроется в неподходящем выборе резистора, что приводит к несоответствию импеданса. До сих пор определенное сопротивление согласующего резистора составляло 43,1 Ом. В условиях возбуждения на частоте 220 МГц волна моделирования анализа сети EBI_D1 показана на рисунке 4 ниже.

Судя по рисунку 4, на линии передачи EMI_D1 имеет место скачок импеданса и деформация сигнальных волн. Хотя системный сбой запуска не может быть вызван, вряд ли можно гарантировать стабильность работы продукта. Моделирование обратно на плату, сквозные отверстия и моделирование повреждений применяются для изменения сопротивления клемм EBI_D0 и EBI_D1 на 46,9 Ом. Поэтому имитационная диаграмма перекрестных помех после изменения сопротивления показана на рисунке 5 ниже.

Основываясь на этом рисунке, можно проиллюстрировать, что сигнал сети улучшился, а интенсивность помех, возникающих на EBI_D1, явно уменьшилась.

б. Дизайн дифференциальной шины Интернета

Обладая атрибутами высокоскоростных и 3GIO-соединений, модуль имитации платы, разработанный Hyper Lynx, применяет сверхбыстрый последовательный путь передачи данных и технологию синхронизации источника на основе дифференциальной сигнальной шины, обеспечивая удобную и высокоэффективную схему решения для проектирования высокоскоростной печатной платы. И DM9000, и DM9161 в этой системе имеют две пары высокоскоростной дифференциальной шины сигналов:TX+, TX- и RX+, RX- с дифференциальным сопротивлением 100 Ом. Благодаря теории передачи дифференциальное сопротивление можно рассчитать по формуле:.

В этой формуле Z относится к импедансу передачи каждой сигнальной линии, который оказывает решающее влияние на дальность связи и способность противостоять помехам. Здесь DM9000 подхватывается для передачи разности в сети TP_E_TX+ и TP_E_TX-. Чтобы уменьшить эффект отражения, параллельно сигнальным линиям со сквозными отверстиями размещен резистор 100 Ом.

в. Конструкция целостности питания этой системы

На рис. 6 показана базовая модель распределения мощности, в которой ток передается каждой несущей через уровни мощности, а затем на уровень земли.

В процессе проектирования высокоскоростной печатной платы потребление энергии в каждом блоке должно быть рассчитано в схемной системе с правильно распределенной шириной сети питания и надлежащим образом усиленной.

Целостность питания 6 слоев можно резюмировать следующим образом:максимальное падение давления составляет 2,1 мВ, что близко к 0,06%; максимальная плотность тока 16,3мА/м²; в подходящей категории, если плотность тока превышает 50 мА/м², температура печатной платы будет повышаться, что влияет на основной чип и сигнальные линии в процессе работы. Увеличение толщины меди способно снизить плотность тока, а увеличение толщины сигнальных проводов способствует снижению температуры печатной платы.

д. Анализ электромагнитной совместимости системы

Электромагнитные помехи обычно передаются как носитель с полезными сигналами путем связи. В этом проекте программа моделирования Hyper Lynx применяется для анализа интенсивности излучения печатной платы после предварительного проектирования. Важнейшая сигнальная линия D4 проходит между ARM9 и SDRAM с позициями датчика 3 м и 10 м соответственно. В ситуации с источником возбуждения 220 МГц можно получить данные моделирования международного стандарта FCC и CISPR, показанные на рисунке 7 ниже.

Основываясь на результатах моделирования, короткое расстояние до печатной платы приводит к сильному излучению от печатной платы, и излучение изменяется с изменением частоты сигнала. В процессе разработки высокоскоростной схемы защита от помех печатной платы может быть оптимизирована, в то время как шумовое излучение должно быть уменьшено.

Полезные ресурсы
• Советы по высокоскоростной компоновке
• Методы высокоскоростной разводки печатных плат для уменьшения влияния электромагнитных помех
• Непонимание и стратегии проектирования высокоскоростной печатной платы
• Встроенные компоненты Технология изготовления печатных плат
• Встроенная технология и компонент Процедура сборки встроенной печатной платы
• Полнофункциональная услуга по изготовлению печатных плат от PCBCart — несколько дополнительных опций
• Усовершенствованная услуга по сборке печатных плат от PCBCart — от 1 шт.