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)目煽啃浴１疚脑?a class="innerlink" href="http://m.jysgc.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

　　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。

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。

　　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：

　　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：

　　將上式代入式(1)，即可得時(shí)諧傳輸線方程：

　　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。

　　式中：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：

　　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)。 

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。

　　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://m.jysgc.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(kāi)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(kāi)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

　　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(kāi)，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(kāi)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。

　　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(kāi)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。

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。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] TI.Introduction to M-LVDS(TIA/EIA-899)[R].Application Report SLLA108-February 2002.

　　[2] 杜瑞，張偉功，鄧哲.一種新型總線中并行CRC算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2013，34(1)：131-135.

　　[3] 鄧哲，張偉功，杜瑞.動(dòng)態(tài)可重構(gòu)總線數(shù)據(jù)傳輸管理方法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程，2013，39(1)：264-269.

　　[4] 李瀚蓀.簡(jiǎn)明電路分析基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2002.

　　[5] 宋娟，王立德，嚴(yán)翔，等.列車控制網(wǎng)絡(luò)專用雙絞線傳輸特性的研究[J].鐵道學(xué)報(bào)，2012(3)：61-67.

　　[6] TI.AN-1926 an introduction to M-LVDS(TIA/EIA-899) clock and data distribution applications[R].Application Report SNLA113B-November 2008-Revised April 2013.