基于HyperLynx 的斷路器狀態(tài)監(jiān)測(cè)無線節(jié)點(diǎn)PCB 設(shè)計(jì)

許運(yùn)飛，吳明贊 ，李 竹

(南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京210094)

隨著GPRS 等多種無線通信技術(shù)的普遍使用，斷路器的無線狀態(tài)監(jiān)測(cè)比以往有線方式的狀態(tài)監(jiān)測(cè)具有成本低、可靠性高、靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。無線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中PCB 板設(shè)計(jì)問題成為主要的難點(diǎn)，主要是由于ARM 芯片核心頻率的提高，以及高頻無線通信技術(shù)的使用，PCB 板設(shè)計(jì)的信號(hào)完整性和干擾問題越來越嚴(yán)重［1］。本文將高速PCB 設(shè)計(jì)理論方案應(yīng)用于斷路器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)無線節(jié)點(diǎn)PCB 設(shè)計(jì)中，以ARM 芯片組成的PCB 設(shè)計(jì)為主要研究對(duì)象。

1 無線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)原理介紹

本文設(shè)計(jì)的斷路器狀態(tài)監(jiān)測(cè)無線節(jié)點(diǎn)主要是由ARM 和GPRS 模塊組成的，實(shí)現(xiàn)斷路器狀態(tài)無線監(jiān)測(cè)的功能，斷路器狀態(tài)監(jiān)測(cè)無線節(jié)點(diǎn)原理框圖如圖1。

圖1 斷路器狀態(tài)監(jiān)測(cè)無線節(jié)點(diǎn)原理框圖

ARM 芯片選用的是三星的S3C2440 芯片，自帶的AD 轉(zhuǎn)換接口AIN0 接收傳感器模擬信號(hào)(斷路器狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息)，將該信息存儲(chǔ)于SDRAM 中，并通過串行接口將數(shù)據(jù)發(fā)送給GPRS 模塊，然后通過Internet網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。GPRS 模塊選用的是西門子MC55 模塊，它提供了一個(gè)串行通信口，作為與ARM 微控制器的通信接口。ARM 微控制器主要通過串行口發(fā)送AT 指令來控制GPRS 模塊，同時(shí)GPRS模塊通過該接口向ARM 微控制器發(fā)送數(shù)據(jù)。采用ARM 微控制器的一個(gè)I/O 引腳GPB0，通過軟件延時(shí)方式產(chǎn)生低電平信號(hào)進(jìn)行啟動(dòng)和控制GPRS 模塊。

2 自動(dòng)生成PCB 布線的仿真分析

本文將自動(dòng)生成的由ARM 芯片組成的核心PCB板在HyperLynx 軟件中進(jìn)行Boardsim 仿真［2］，如圖2所示。采用的是三星S3C2440 芯片的IBIS 模型［3］和海力士(Hynix)HY57V561620 芯片的IBIS 模型，以其中數(shù)據(jù)信號(hào)PDATA［24］引腳為例進(jìn)行仿真，得到仿真波形圖如圖3 所示，性能參數(shù)仿真結(jié)果如表1。

圖2 自動(dòng)生成的PCB 布線仿真文件圖

圖3 自動(dòng)生成的PCB 布線仿真波形圖

表1 自動(dòng)生成的PCB 布線仿真結(jié)果

3 手動(dòng)布線PCB 的仿真分析

手動(dòng)調(diào)整PCB 布線參數(shù)主要通過使用Linesim針對(duì)高速PCB 中一些基本參數(shù)進(jìn)行仿真分析后調(diào)整，如PCB 布線的厚度、寬度、板層介質(zhì)的介電常數(shù)，以及傳輸線阻抗匹配端接。這些參數(shù)調(diào)整可以使用層疊編輯器來改變制板材料的Er、層間距離、布線層厚度，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)調(diào)整PCB 布線的設(shè)計(jì)。

3.1 手動(dòng)調(diào)整PCB 板參數(shù)

使用Linesim 進(jìn)行串?dāng)_仿真分析得到可調(diào)整的PCB 布線參數(shù)主要有耦合區(qū)域?qū)挾取⒕€寬、線距、與參考層的距離。通過調(diào)整這些參數(shù)，可以將PCB 布線產(chǎn)生的串?dāng)_現(xiàn)象和信號(hào)完整性問題得到解決或者抑制［4］。

利用S3C2440 芯片的IBIS 模型，在Linesim 中建立一組基本的待測(cè)串?dāng)_的傳輸線模型，如圖4 所示，得到的仿真波形如圖5(a)所示。

圖4 耦合區(qū)域長(zhǎng)度為1 in 的傳輸線串?dāng)_仿真模型圖

顯然，由圖5(a)可以看出串?dāng)_現(xiàn)象明顯，產(chǎn)生了明顯的抖動(dòng)，經(jīng)過手動(dòng)調(diào)整參數(shù)后再仿真得到仿真波形圖如圖5(b)所示，串?dāng)_現(xiàn)象和傳輸延遲現(xiàn)象有明顯改善。手動(dòng)調(diào)整參數(shù)結(jié)果如表2 所示。

表2 手動(dòng)調(diào)整PCB 布線參數(shù)結(jié)果

圖5

由表2 得到調(diào)整PCB 后的參數(shù)結(jié)果如下:線寬為4 mil，線距為14 mil，信號(hào)層與參考層之間的距離為6 mil，信號(hào)層與信號(hào)層之間的距離為14 mil，這樣盡可能避免了串?dāng)_的發(fā)生，并且使布線間距參數(shù)滿足3 W 規(guī)則［5］。

圖6 手動(dòng)布線PCB 仿真文件圖

3.2 手動(dòng)布線調(diào)整后PCB 板仿真分析

進(jìn)行上述各項(xiàng)參數(shù)以及布線路徑調(diào)整后，對(duì)該P(yáng)CB 板再進(jìn)行Boardsim 仿真，同樣以其中數(shù)據(jù)信號(hào)PDATA［24］引腳為例進(jìn)行仿真，得到仿真結(jié)果如圖7 所示，仿真參數(shù)結(jié)果如表3。

圖7 手動(dòng)布線PCB 仿真波形圖

表3 手動(dòng)布線PCB 仿真結(jié)果

4 兩種布線方式比較分析

如表4 所示，通過對(duì)兩種方式布線仿真結(jié)果比較可以得出，自動(dòng)生成PCB 布線的傳輸信號(hào)延遲性比手動(dòng)布線的延遲性稍好，但傳輸線阻抗匹配問題比較嚴(yán)重;自動(dòng)生成PCB 布線產(chǎn)生的振鈴現(xiàn)象很明顯，而手動(dòng)布線產(chǎn)生的振鈴現(xiàn)象得到控制;自動(dòng)布線產(chǎn)生的近端串?dāng)_振幅達(dá)到1 000 mV，而手動(dòng)布線產(chǎn)生的振幅約為400 mV，遠(yuǎn)小于1 000 mV，遠(yuǎn)端串?dāng)_也得到改善，滿足了要求。可見，手動(dòng)調(diào)整后的PCB布線優(yōu)于自動(dòng)生成的PCB 布線設(shè)計(jì)。

表4 兩種布線仿真結(jié)果比較

最后分別對(duì)芯片的每個(gè)引腳仿真，通過修改調(diào)試后得到手動(dòng)調(diào)整后的PCB 布線圖，如圖8 所示。

圖8 手動(dòng)調(diào)整后的PCB 布線圖

5 結(jié)束語

本文主要介紹了Hyperlynx 軟件在斷路器狀態(tài)監(jiān)測(cè)無線節(jié)點(diǎn)PCB 設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用，通過自動(dòng)生成PCB 布線和手動(dòng)調(diào)整布線比較分析來完成PCB 的布線設(shè)計(jì)，進(jìn)一步優(yōu)化了PCB 板的布局布線，最終得到優(yōu)化后PCB 板圖，體現(xiàn)了高速PCB 設(shè)計(jì)方式不同于傳統(tǒng)低速PCB 設(shè)計(jì)。

本文的不足之處在于分析設(shè)計(jì)中并未將串?dāng)_和信號(hào)延遲等信號(hào)完整性問題完全解決，只是將其限制在不干擾PCB 電路板的正常運(yùn)行，有待于進(jìn)一步完善和改進(jìn)。

［1］ 李成，程曉宇，畢篤彥，等.基于HyperLynx 的高速DSP 系統(tǒng)信號(hào)完整性仿真研究［J］.電子器件，2009，(2):445－451.

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