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  • 72V 混合式 DC/DC 方案使中间总线转换器尺寸锐减 50%

    72V 混合式 DC/DC 方案使中间总线转换器尺寸锐减 50%

    背景资讯 大多数中间总线转换器 (IBC) 使用一个体积庞大的电源变压器来提供从输入至输出的隔离。另外,它们一般还需要一个用于输出滤波的电感器。此类转换器常用于数据通信、电信和医疗分布式电源架构。这些 IBC 可由众多供应商提供,而且通常可放置于业界标准的 1/16、1/8 和 1/4 砖占板面积之内。典型的 IBC 具有一个 48V 或 54V 的标称输入电压,并产生一个介于 5V 至 12V 之间的较低中间电压以及从几百 W 至几 kW 的输出功率级别。中间总线电压用作负载点稳压器的输入,将负责给 FPGA、微处理器、ASIC、I/O 和其他低电压下游器件供电。 然而,在被称为 “48V Direct” 的许多新型应用中,IBC 中无需隔离,这是因为上游 48V 或 54V 输入已经与危险的 AC 电源进行了隔离。在很多应用中,热插拔前端设备需要使用一个非隔离式 IBC。因此,在许多新型应用中设计了内置的非隔离式 IBC,从而显著地缩减了解决方案尺寸和成本,同时还提高了工作效率并提供了设计灵活性。图 1 示出了一种典型的分布式电源架构。 图 1:典型的分布式电源架构 既然在有些分布式电源架构中允许非隔离式转换,因此对于该应用可以考虑使用单级降压型转换器。它将需要在一个 36V 至 72V 的输入电压范围内工作,并产生一个 5V 至 12V 输出电压。Analog Devices 提供的 LTC3891 可用于这种方法,该器件在相对低的 150kHz 开关频率下工作时能提供约 97% 的效率。当 LTC3891 工作在较高频率时,由于随着相对高的 48V 输入电压而出现 MOSFET 开关损耗,因而效率会有所下降。 一种新方法 一种创新型方法将开关电容转换器与同步降压组合起来。开关电容器电路将输入电压减小一半之后将其馈入同步降压型转换器。这种将输入电压减半并随后降压至期望输出电压的方法可实现较高的效率,或者通过使器件以高得多的开关频率工作,可大幅缩减解决方案尺寸。其他好处包括较低的开关损耗和减低的 MOSFET 电压应力,这得益于开关电容器前端转换器固有的软开关特性,因而可实现较低的 EMI。图 2 显示出这种组合是怎样构成混合式降压型同步控制器的。 图 2:开关电容器 + 同步降压 = LTC7821 混合式转换器 新型高效率转换器 LTC7821将开关电容器电路与一个同步降压型转换器相结合,可使 DC/DC 转换器解决方案尺寸相比其他传统降压型转换器替代方案锐减 50% 之多。这种改善是通过将开关频率提高 3 倍实现的,并未牺牲效率。或者,当工作于相同的频率时,基于 LTC7821 的解决方案能提供高达 3% 的效率升幅。其他优势包括低 EMI 辐射 (因采用软开关前端所致),非常适合功率分配、数据通信和电信以及新兴 48V 汽车系统中的新一代非隔离式中间总线应用。 LTC7821 在 10V 至 72V (80V 绝对最大值) 的输入电压范围内工作,并能产生几十安培的输出电流,这取决于外部组件的选择。外部 MOSFET 以一个固定的频率 (可设置范围为 200kHz 至 1.5MHz) 执行开关操作。在典型的 48V 至 12V / 20A 转换应用中,当 LTC7821 的开关频率为 500kHz 时可获得 97% 的效率。而传统的同步降压型转换器只有以工作频率的 1/3 执行开关操作才能达到相同的效率,因而不得不使用大得多的磁性元件和输出滤波器组件。LTC7821 强大的 1Ω N 沟道 MOSFET 栅极驱动器最大限度提高了效率,并能够驱动多个并联的 MOSFET 以满足较高功率应用的要求。由于该器件采用了电流模式控制架构,因此多个 LTC7821 能以一种并联的多相配置工作,从而利用其卓越的均流能力和低输出电压纹波实现功率高得多的应用,并不会产生热点。 LTC7821 可执行许多保护功能,以在广泛的应用中实现强大的性能。基于 LTC7821 的设计还通过在启动时对电容器进行预平衡,消除了通常由开关电容器电路引起的浪涌电流。另外,LTC7821 还通过监视系统电压、电流和温度以发现故障,并使用一个检测电阻器以提供过流保护。当出现某种故障情况时,该器件停止开关操作并将 /FAULT 引脚拉至低电平。一个内置定时器可针对适当的重启 / 重试时间进行设定。其 EXTVCC 引脚使得 LTC7821 可依靠转换器的较低电压输出或其他高达 40V 的可用电源供电,从而降低了功耗并改善了效率。其他特点包括 ±1% 的输出电压准确度 (在整个温度范围内)、一个用于多相操作的时钟输出、一个电源良好输出信号、短路保护、单调性的输出电压启动、可选的外部基准、欠压闭锁和内部电荷平衡电路。图 3 示出了采用 LTC7821 将 36V 至 72V 输入转换为 12V/20A 输出时的电路原理图。 图 3:LTC7821 应用电路原理图,36VIN~72VIN 至 12V/20A 输出 图 4 中的效率曲线比较了对于将 48VIN 转换为 12VOUT/20A 输出的应用,三种不同类型转换器的效率水平,具体如下: 1. 运行频率为 125kHz 的单级降压,采用 6V 栅极驱动电压 (蓝色曲线) 2. 运行频率为 200kHz 的单级降压,采用 9V 栅极驱动电压 (红色曲线) 3. 运行频率为 500kHz 的 LTC7821 混合式降压,采用 6V 栅极驱动电压 (绿色曲线) 图 4:效率比较和变压器尺寸缩减 基于 LTC7821 的电路在运行频率比其他转换器的工作频率高 3 倍之多的情况下可提供与其他同类解决方案相同的效率。这种较高的工作频率导致电感器尺寸减小了 56%,而总体解决方案尺寸则锐减 50% 之多。 电容器预平衡 当施加输入电压或启用转换器时,开关电容转换器通常具有非常大的浪涌电流,因而有可能导致电源损坏。LTC7821 运用了一种专有方案,以在启用转换器 PWM 信号之前对所有的开关电容器实施预平衡。于是,最大限度减小了上电期间的浪涌电流。此外,LTC7821 还具有一个可编程的故障保护窗口,以进一步确保电源转换器的可靠操作。这些特性使输出电压实现了平稳的软启动,就像任何其他传统电流模式降压型转换器一样。更多详情请参见 LTC7821 的产品手册。 主控制环路 一旦电容器平衡阶段完成,正常操作随即开始。MOSFET M1 和 M3 在时钟设定 RS 锁存器时接通,并在主电流比较器 ICMP 使 RS 锁存器复位时关断。MOSFET M2 和 M4 随后接通。ICMP 使 RS 锁存器复位时的峰值电感器电流受控于 ITH 引脚上的电压,该电压是误差放大器 EA 的输出。VFB 引脚接收电压反馈信号,由 EA 将该信号与内部基准电压进行比较。当负载电流增大时,会引起 VFB 相对于 0.8V 基准的轻微下降,这接着又导致 ITH 电压增加,直到平均电感器电流与新的负载电流相匹配为止。在 MOSFET M1 和 M3 关断之后,MOSFET M2 和 M4 接通,直到下一个周期的起点为止。在 M1/M3 和 M2/M4 的开关切换期间,电容器 CFLY 交替地与 CMID 串联连接或并联连接。MID 上的电压将大约位于 VIN/2。因此,这款转换器的工作就像传统的电流模式转换器一样,并具有快速和准确的逐周期电流限制功能以及针对均流的选项。 结论 将用于使输入电压减半的开关电容器电路与一个跟随其后的同步降压型转换器相结合 (混合式转换器),可使 DC/DC 转换器解决方案尺寸相比其他传统降压型转换器替代方案锐减 50% 之多。这种改善是通过将开关频率提高 3 倍实现的,并未牺牲效率。或者,该转换器也能在与现有解决方案占板面积相似的情况下实现 3% 的工作效率提升。这种新型混合式转换器架构还提供了其他优势,包括用于降低 EMI 和 MOSFET 应力的软开关切换。当需要高功率时,可利用其主动的准确均流能力,轻松将多个转换器并联起来。

    时间:2021-04-02 关键词: 总线 转换器 IBC

  • 经典的1-Wire单总线原理及应用

    编排 | strongerHuang 微信公众号 | 嵌入式专栏 在嵌入式底层通信中,像485总线、I2C总线等都是比较常见的通信总线。 今天给大家分享一种相对 485、I2C没有那么流行,但也是一种常用的总线:1-Wire单总线。 嵌入式专栏 1 1-Wire介绍 1-Wire,即大家说的单总线。 单总线是美国DALLAS公司推出的外围串行扩展总线技术。与SPI、I²C串行数据通信方式不同.它采用单根信号线,既传输时钟又传输数据,而且数据传输是双向的,具有节省I/O口线、资源结构简单、成本低廉、便于总线扩展和维护等诸多优点。 1-Wire器件按照串行协议进行供电和数据通信,能够以无与伦比的优势为系统增添特定功能,大大简化系统的互联电路。 1-Wire 产品特点 : 通过单线接口提供器件控制及操作 每个器件具有唯一的工厂光刻ID 通过单总线供电(“寄生电源”) 可挂接多点:单一总线可挂接多个器件 提供额外的ESD保护 嵌入式专栏 2 1-Wire原理 顾名思义,单总线即只有一根数据线,系统中的数据交换、控制都由这根线完成。 设备(主机或从机)通过一个漏极开路或三态端口连至该数据线,以允许设备在不发送数据时能够释放总线,而让其它设备使用总线,其内部等效电路如图所示: 单总线通常要求外接一个约为4.7kΩ的上拉电阻 ,这样,当总线闲置时,其状态为高电平。 主机和从机之间的通信主要通过3个步骤完成,分别为:初始化1-wire器件、识别1-wire器件和交换数据。 由于它们是主从结构,只有主机呼叫从机时,从机才能应答,因此主机访问1-wire器件都必须严格遵循单总线命令序列,即初始化、ROM、命令功能命令。如果出现序列混乱,1-wire器件将不响应主机(搜索ROM命令,报警搜索命令除外)。 嵌入式专栏 3 1-Wire时序描述 所有的单总线器件都要遵循严格的通信协议,以保证数据的完整性。 1-wire协议定义了复位脉冲、应答脉冲、写0、读0和读1时序等几种信号类型。 所有的单总线命令序列(初始化,ROM命令,功能命令)都是由这些基本的信号类型组成的。 在这些信号中,除了应答脉冲外,其它均由主机发出同步信号,并且发送的所有命令和数据都是字节的低位在前。 其中,(a)是初始化时序,初始化时序包括主机发出的复位脉冲和从机发出的应答脉冲。 主机通过拉低单总线至少480μs产生Tx复位脉冲; 然后由主机释放总线,并进入Rx接收模式。 主机释放总线时,会产生一由低电平跳变为高电平的上升沿,单总线器件检测到该上升沿后,延时15~60μs,接着单总线器件通过拉低总线60~240μsμ来产生应答脉冲。 主机接收到从机的以应答脉冲后,说明有单总线器件在线,然后主机就可以开始对从机进行ROM命令和功能命令操作。 图中的(b)、(c)、(d)分别是写1、写0和读时序。 在每一个时序中,总线只能传输一位数据。 所有的读、写时序至少需要60μs,且每两个独立的时序之间至少需要1μs的恢复时间。 图中,读、写时序均始于主机拉低总线。 在写时序中,主机将在拉低总线15μs之内释放总线,并向单总线器件写1; 若主机拉低总线后能保持至少60μs的低电平,则向单总线器件写0。 单总线器件仅在主机发出读时序时才向主机传输数据,所以,当主机向单总线器件发出读数据命令后,必须马上产生读时序,以便单总线器件能传输数据。 在主机发出读时序之后,单总线器件才开始在总线上发送0或1。若单总线器件发送1,则总线保持高电平,若发送0,则拉低总线。 由于单总线器件发送数据后可保持15μs有效时间,因此,主机在读时序期间必须释放总线,且须在15μs的采样总线状态,以便接收从机发送的数据。 嵌入式专栏 4 1-Wire应用 单总线应用在很多领域,比如:单总线IC器件、存储器、温湿度传感器、逻辑器件、时钟芯片等。 学习过单片机的同学,应该大多数都用过DS18B20这个经典的温度传感器,单片机与它的连接(通信)就是通过单总线(1-Wire)实现的。 DS18B20电路图: DS18B20单总线应用: 此外,很多器件(模组)为了适应不同需求,会兼容很多通信接口,比如I²C、 SPI、 1-wire同时支持。 除了这个经典的DS18B20之外,其实我们接触的很多器件,也是支持单总线通信的。 免责声明:本文内容由21ic获得授权后发布,版权归原作者所有,本平台仅提供信息存储服务。文章仅代表作者个人观点,不代表本平台立场,如有问题,请联系我们,谢谢!

    时间:2021-03-17 关键词: 嵌入式 单总线 总线

  • 新手必看!嵌入式CAN总线入门篇(底层细节)

    · SOF - 帧起始,显性(逻辑0)表示报文的开始,并用于同步总线上的节点。 · 标识符 - 标准CAN具有11位标识符,用来确定报文的优先级。此域的数值越小,优先级越高。 · RTR - 远程发送请求位,当需要从另一个节点请求信息时,此位为显性(逻辑0)。所有节点都能接收这个请求,但是帧标识符确定被指定的节点。响应数据帧同样被所有节点接收,可以被有兴趣的节点使用。 · IDE - 标识符扩展位为显性时表示这是一个标准CAN格式,为隐形表示这是扩展CAN格式。 · r0 - 保留位(可能将来标准修订会使用) · DLC - 4位数据长度代码表示传输数据的字节数目,一帧CAN最多传输8字节用户数据 · 数据0~8 – 最多可以传输8字节用户数据 · CRC - 16位(包括1位定界符)CRC校验码用来校验用户数据区之前的(包含数据区)传输数据段。 · ACK - 2位,包含应答位和应答界定符。发送节点的报文帧中,ACK两位是隐性位,当接收器正确地接收到有效的报文,接收器会在应答位期间向发送节点发送一个显性位,表示应答。如果接收器发现这帧数据有错误,则不向发送节点发送ACK应答,发送节点会稍后重传这帧数据。 · EOF – 7位帧结束标志位,全部为隐性位。如果这7位出现显性位,则会引起填充错误。 · IFS – 7位帧间隔标志位,CAN控制器将接收到的帧正确的放入消息缓冲区是需要一定时间的,帧间隔可以提供这个时间。 · SRR – 代替远程请求位,为隐性。所以当标准帧与扩展帧发送相互冲突并且扩展帧的基本标识符与标准帧的标识符相同时,标准帧优先级高于扩展帧。 · IDE – 为隐性位表示标志位扩展帧,18位扩展标识符紧跟着IDE位。 · r1 – 保留 14、节点最小间距 CAN总线是分布式参数电路,其电气特性和响应主要由沿物理介质分布的电感和电容所决定。这里物理介质包括连接电缆、连接器、终端和沿总线挂接的CAN设备。 空载情况下,传输电缆的特性阻抗近似为Z=√(L/C),其中L为电缆单位长度感抗,C为电缆单位长度电容。随着负载的增加,传输线上的电容增加(负载电容、负载与总线连接线电容),传输电缆特性阻抗相比空载情况下变小。如果负载比较集中,则负载区传输电缆特性阻抗和空闲区电缆特性阻抗相差较大,从而会引起阻抗不匹配。如图14-1所示。 图14-1:负载不均衡的CAN总线原理示意图 CAN总线阻抗不匹配会产生信号反射,雪上加霜的是CAN的仲裁机制:在仲裁期间,两个或更多个节点可能同时发送多个显性位。 如图14-1所示,当开关S1在t=0时刻从显性状态切换到隐性状态,CAN驱动器差分输出电压为Vs,总线上的差分信号会由显性状态(Vs)变成稳定的隐性状态(0V)。这个信号波形会沿着总线向下传播,到达总线的负载区时,阻抗不匹配引起的反射电压将返回到源端。 负载与负载之间的最小安全距离d是设备集总负载电容CL和电缆的单位长度分布电容C的函数,定义如下: 设备集总负载电容CL包括CAN收发器引脚、连接器、隔离器件、保护器件、印制电路板走线以及其它物理连线的电容总和。 3.3V的CAN收发器一般能达到16pF电容,具体可以参考收发器数据手册;印制板走线一般0.5pF~0.8pF/cm,这取决于电路板的材质和结构;连接器和保护装置(比如ESD器件)的电容值可能范围会很大,具体要参考设备数据手册;非屏蔽双绞线介质的分布电容大约在40pF/m~70pF/m。 图14-2给出了更明了的图表显示: 图14-2:最小CAN设备间距 15、信号位采样点位置 信号位采样点是指CAN节点识别一个电平逻辑的位置。CAN标准把总线上的每一位都细分为不同的阶段,如图15-1所示。 在图中可以看到,每个位被分为同步段、传播段、相位缓冲段1和相位缓冲段2四个连续部分。其中,采样点位于相位缓冲段1之后,同步段、传播段、相位缓冲段1和相位缓冲段2的持续时间都是可以编程的,因此采样点位置也是间接可编程的。 图15-1:每一个数据位的分段示意图 一般CAN节点是每个位采样一次(也可以采样3次,多用于低速场合),采样点位置都在一个位的50%以后的区域,这是为了让信号电平趋于稳定。采样点越靠后,波形越稳定。但也不是越靠后越好,采样点位置超过95%时,因为传输过程中的位偏差,可能会引起错误。 CIA推荐采样点为一个位时间的87.5%处,在实际项目中,一般设置为70%~90%,大部分汽车厂商规定采样点为70~80%。 采样点略靠后,比如80~90%,有利于远距离传输。提高节点波特率寄存器中的同步跳转宽度SJW值(加大到3个单位时间),可以加大位宽度和采样点的容忍度。 16、波特率偏差 由于受到晶振影响,CAN通讯波特率实际值与理论值会有偏差。如果两个节点之间波特率偏差较大,容易造成误码率增大或通讯失败等问题。 CAN标准规定,设定的理论波特率与实际波特率偏差不得超过±1%;节点需要容忍的波特率偏差不得小于±3%。 17、节点容抗 在CAN通讯电路设计过程中,节点容抗是容易被忽略的。节点容抗包括收发器引脚电容、PCB走线电容、ESD器件电容以及其它连线电容。 CAN标准对节点容抗有严格定义,容抗影响上升沿下降沿斜率,节点容抗增大,上升沿和下降沿会变缓,导致位时间畸变,误码率增加。上升沿和下降沿变缓会使得信号延迟变大,在高波特率下,影响信号传输质量和通讯距离。 节点容抗不易测量,需要专门仪器。在电路设计时,要对结合数据手册中给出的典型值,对CAN接口电路使用的器件总电容值进行估算。对于高波特率情况下,单节点电容推荐<100pF,多节点电容推荐值见表17-1所示。低波特率应用可以放宽要求。 表17-1:单节点电容最大值 18、节点数量 可以连接到网络上的节点数量由收发器可以驱动的最小负载阻抗来决定。最大节点数量由下面的公式给出(考虑最坏情况): 其中,Rdiff_min为收发器差动输入阻抗最小值,RL_min为收发器可驱动的负载电阻最小值,RT_min为终端匹配电阻最小值。 在上式中,收发器差动输入阻抗最小值(Rdiff_min)和收发器可驱动的负载阻抗最小值(RL_min)由收发器芯片决定,终端匹配电阻最小值(RT_min)由传输电缆特性阻抗以及具体应用决定。 以本公司使用的PCA82C251收发器为例,其收发器差动输入阻抗最小值Rdiff_min = 20K欧姆,收发器可驱动的负载阻抗最小值RL_min = 45欧姆,假设终端匹配电阻最小值RT_min = 120欧姆,则最大节点数量为112个。 19、共模电压范围 共模电压是指总线上的发送节点地和接收节点地之间的电势差。过高的共模电压会对系统造成影响,可能造成间歇重启、死锁、误码率增高甚至损害设备。在远距离通讯系统中,共模干扰的问题会更加突出,因为随着通讯线距离的增加,地环路会拾取更多的噪声,使得共模电压增大。 目前的CAN收发器都可以容忍一定的共模电压,ISO 11898标准规定,CAN收发器必须能容忍-2V~7V的共模电压。对于长达数千米的CAN通讯系统来说,标准规定的共模电压容忍能力远远达不到实际要求。因此,电流隔离对于远距离数据传输系统来说仍是必须的。 20、总线短路保护和热关断保护 总线短路保护是指总线与电源或地短路后,CAN收发器不会损坏,短路故障解除后,CAN收发器能继续工作。这个特性可以在总线极性反接、电缆绝缘层失效、意外短路到高压源时对收发器提供保护。 热关断电路用于帮助CAN收发器防御因短路产生破坏性电流和高温。一旦激活热关断电路,设备会进入关断模式。当设备冷却到正常操作温度时,设备自动恢复运行。 本公司使用的PCA82C251收发器具有短路保护和热关断保护。短路保护允许总线与24V电源短接。 21、电流隔离 远距离数据传输可能会有较大的地电势差、地环流等问题,会在CAN总线上形成高共模电压。如果共模电压超出CAN收发器容忍的最大限度,数据链路就会不正常。 解决这些问题的一个方法是使用电流隔离:隔离变压器为系统提供电源,光耦或数字隔离器件提供数据隔离。电流隔离可以去除地环流,抑制噪声电压。采用电流隔离的电路如图21-1所示,本公司CAN接口电路也采用了电流隔离处理。 图21-1:远距离通讯电流隔离电路示意图 22、CAN接口电路与RS485接口电路 CAN总线和RS485总线都是采用差分信号传输数据,它们在总线拓扑、终端匹配、信号衰减、隔离与接地、波特率与通讯距离关系等方面都是相似的。但是CAN有自己的一些特性,在接口设计中,不能照抄RS485接口电路。 CAN总线对信号延迟敏感,因此信号隔离必须使用高速光耦或者磁耦合器件,以减少信号延迟。公司大量使用的TLP521光耦因为延迟时间过大(微秒级)不可以用于CAN接口电路。 CAN总线对电容敏感,在设计CAN接口电路时,需要使用CAN专用共模电感、专业ESD器件;需要根据应用的最大波特率和通讯距离,来决定是否在CAN总线上增加滤波电容以及滤波电容的大小。 免责声明:本文内容由21ic获得授权后发布,版权归原作者所有,本平台仅提供信息存储服务。文章仅代表作者个人观点,不代表本平台立场,如有问题,请联系我们,谢谢!

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    时间:2021-02-03 关键词: RS485 切换方向 总线

  • 剖析RS-485原理以及与其他总线的区别

    转自 | 记得城 RS-485在很多场景都有,特别是在一些工业设备中,本文带你深入理解RS-485的原理。 ▉ RS-485概述 RS-485和RS-232一样,都是串行通信标准,现在的标准名称是TIA485/EIA-485-A,但是人们会习惯称为RS-485标准,RS-485常用在工业、自动化、汽车和建筑物管理等领域。 RS-485总线弥补了RS-232通信距离短,速率低的缺点,RS-485的速率可高达10Mbit/s,理论通讯距离可达1200米;RS-485和RS-232的单端传输不一样,是差分传输,使用一对双绞线,其中一根线定义为A,另一个定义为B。 双绞线 ▉ RS-485物理层 RS-485的物理层负责在设备和物理传输介质之间传输原始数据。它处理电信号到数字数据的转换,同时定义电压、时序、数据速率等。 ① 差分信号 长距离布线会有信号衰减,而且引入噪声和干扰的可能性更大,在线缆A和B上的表现就是电压幅度的变化,但是,采用差分线的好处就是,差值相减就会忽略掉干扰依旧能输出正常的信号,把这种差分接收器忽略两条信号线上相同电压的能力称为共模抑制。 标准规定了,逻辑1:+2V to +6V;逻辑0:-6V to -2V。 RS-485不需要使用特定的总线电压,只看最小差分电压,在较长的电缆长度上,接收器接收到的电压可能会降低到+/- 200 mV,这对于RS-485仍然是完全可以接受的,这也是RS-485的优点之一。 很多收发器的标准达到甚至超过TIA/EIA-485A规范,在实际使用中,以器件的SPEC参数为主,如下某收发器的负输入阈值最小也是-200mV。 ② 信号定义 现在很多的RS-485转换器都是兼容RS-422的,所以看到很多转换器上面的信号都是T/R+、T/R-,即对应RS-485的A+和B-。 对于DB9针型的母头,RS-485有如下的接线定义示意,Pin6~Pin9为N/A不接。 DB9 输出信号 RS-422全双工接线 RS-485半双工接线 1 T/R+ 发(A+) RS-485(A+) 2 T/R- 发(B-) RS-485(B-) 3 RXD+ 收(A+) 空 4 RXD- 收(B-) 空 5 GND 地线 地线 ③ 拓扑结构 RS485有两线制和四线制两种接线,四线制只能实现点对点的通信方式,现很少采用,多采用的是两线制接线方式,这种接线方式为总线拓扑结构,在同一总线上最多可以挂接32个节点。 RS-485总线同I2C,也是主从模式,支持点对点单从机模式,也支持多从机模式,不支持多主机模式。 ▉ RS-485收发器 RS-485是差分传输,如果用单片机控制RS-485接口的设备,需要用到收发器,这一点和CAN总线是类似的,如下是一个MCU控制一个RS-485的图示。 收发器内部是一个接收器(上半部分)加一个发送器(下半部分),下面简单说说收发器的原理,便于理解MCU是如何和485设备通信的。 RS-485收发器内部结构 其中: A和B为总线; R为接收器输入; RE为接收器使能信号; DE为发送器使能信号; D为发送器输出; 对于使能信号,字母上面加一横的为低电平有效(如上图RE),不加的为高电平有效(如DE)。 对于发送器,有如下的真值表: 1、当驱动器使能引脚DE为逻辑高时,差分输出A和B遵循数据输入D处的逻辑状态。D处的逻辑高导致A转为高,B转为低。在这种情况下,定义为VOD=VA-VB的差分输出电压为正。当D为低时,输出状态反转,B变高,A变低,VOD为负。 2、当DE低时,两个输出都变成高阻抗。在这种情况下,与D处的逻辑状态是不相关的。 发送器真值表 对于接收器,有如下的真值表: 1、当接收器使能引脚RE逻辑低时,接收器被激活。当定义为VID=VA–VB的差分输入电压为正且高于正输入阈值VIT+时,接收机输出R变高。当VID为负且低于负输入阈值VIT-,接收机输出R变低。如果VID在VIT+和VIT-之间,则输出不确定。 2、当RE为逻辑高或悬空时,接收机输出为高阻抗,VID的大小和极性无关。 接收器真值表 ▉ RS-485数据链路 上面讲到的RS-485收发器的工作原理,下面简单描述RS-485的数据链路,可以先看一下通俗易懂的UART协议帧格式 主机发送给从机或者从机发送给主机,都会占用到A和B线,所以RS-485多用在半双工模式。 主机的GPIO会控制RS-485收发器的DE管脚,设置发送模式,从UART TXD线向RS-485收发器的数据(D或DI)线发送一个字节,收发器将在A和B线上将单端UART位流转换为差分位流,数据离开收发器后,主机立即将收发器的模式切换为接收模式。 从机和主机是类似的,从机控制RS-485收发器的/RE管脚,设置为接收模式,接收主机发送的比特流,将其转换为单端信号,通过从机的UART RXD线接收,当从机准备好响应时,它按主机原来的方式进行发送,而主机变为接收。 ▉ RS-232和RS-485转换 RS-232和RS-485之间可以转换,一个方法是RS-232转换成TTL,再由TTL转换为RS-485,当然也有芯片支持将RS-232直接转换成RS-485,网上有很多模块。 RS-232和RS-485转换模块 ▉ RS-485和CAN的区别 虽说RS-485没有标准的数据协议格式,但和CAN总线在很多地方是有相似的,比如A&B和CANH&CANL都是差分信号,通信都需要收发器,都需要120欧姆的匹配电阻等等。 总线特性 CAN总线 RS-485总线 硬件成本 稍高 低廉 总线利用率 优先级自动仲裁,利用率高 采用轮询,利用率低 数据传输率 高 低 错误检测机制 控制器带校验机制,保证底层数据传输正确 只有物理层规范,无数据链路层规定 单节点故障影响 总线无影响 总线瘫痪 开发成本 软件开发灵活,时间成本低 开发难度较大 系统成本 较低 高 ▉ RS-485常用电路 网上找的一个常用的RS-485电路,其中需要注意两点: 1、使能信号RE和DE可采用一个GPIO控制,节省资源,GPIO25输出高电平,RE=DE=0V,进入接收模式;GPIO25输出低电平,RE=DE=3.3V,进入发送模式。 2、有一些电路中会在A上加上拉,B上加下拉电阻,主要原因是:RS-485总线在idle状态,电平是不固定的,即电平在-200mV~+200mV之间,收发器可能输出高也可能输出低,UART在空闲时需要保持高电平的,如果此时收发器输出一个低电平,对UART来说是一个start bit,会导致通信异常,关于Ru和Rd的阻值在这里不作过多赘述,后面有机会会详细写一篇文章。 关于第二点,需要注意: ① A上加上拉,B上加下拉,接反数据通信也可能出错。 ② 某些收发器内部集成上下拉电阻,则外部不需要再添加。

    时间:2021-01-21 关键词: 原理 RS-485 总线

  • RS485的上下拉电阻如何选择?

    素材来源:EDN电子技术设计 RS-485总线广泛应用于通信、工业自动化等领域,在实际应中,通常会遇到是否需要加上下拉电阻以及加多大的电阻合适的问题,下面我们将对这些问题进行详细的分析。 一、为什么需要加上下拉电阻? 1)当485总线差分电压大于+200mV时,485收发器输出高电平。 2)当485总线差分电压小于-200mV时,485收发器输出低电平。 3)当485总线上的电压在-200mV~+200mV时,485收发器可能输出高电平也可能输出低电平。但一般总处于一种电平状态,若485收发器的输出低电平,这对于UART通信来说是一个起始位,此时通信会不正常。 当485总线处于开路(485收发器与总线断开)或者空闲状态(485收发器全部处于接收状态,总线没有收发器进行驱动)时,485总线的差分电压基本为0,此时总线就处于一个不确定的状态。同时由于目前485芯片为了提高总线上的节点数,输入阻抗设计的比较高,例如输入阻抗为1/4单位阻抗或者1/8单位阻抗(单位阻抗为12kΩ,1/4单位阻抗为48kΩ),在管脚悬空时容易受到电磁干扰。 因此为了防止485总线出现上述情况,通常在485总线上增加上下拉电阻(通常A接上拉电阻,B总线下拉电阻)。若使用隔离RS-485收发模块(例如RSM485PCHT),由于模块内部具有上下拉电阻(对于RSM485PCHT,内部上下拉电阻为24kΩ),因此在模块外部一般不需要增加上下拉电阻。 二、什么情况下需要加上下拉电阻? 当遇到信号反射问题时,通常会通过增加匹配电阻来避免信号反射,以1对1通信为例,如图1所示。由于485总线通常使用特性阻抗为120Ω的双绞线,因此在485总线的首尾两端增加120Ω终端电阻来避免信号反射问题。 根据RSM485PCHT的具体参数(如表1)可以得到如图2所示等效电路,其中RPU、RPD为模块内部在485总线上加的上下拉电阻,RIN为模块的输入阻抗。 当两个模块都处于接收状态时,可以根据基尔霍夫电流定律对节点A和节点B列出下列公式: 根据上述公式可以计算AB之间的差分电压为: 此时模块已处于不确定状态,模块接收器可能输出为高电平,也可能输出为低电平,这时就需要在模块外部增加上下拉电阻保证模块在空闲时不处于不确定状态。 三、上下拉电阻如何选择? 假设模块的输出电源电压V¬O相同,由于RGND接在一起,因此可以认为模块内部的上拉电阻是并联在一起的,为了方便解释,对图2的电路进行整理,如图3所示,在模块外部增加上下拉电阻可以选择只增加一组,也可以选择在每个模块都增加上下拉电阻,为了解释方便,我们在485总线上增加一组上下拉电阻。 相关文章推荐: CAN接口典型电路分析及应用 RS485方向切换如何设计电路?介绍5种方案及优劣势分析 RS485是硬件接口,那么他是怎么实现数据通讯的呢?Modbus-RTU协议解析 一个小电路引起的疑惑:RS485电路 免责声明:本文内容由21ic获得授权后发布,版权归原作者所有,本平台仅提供信息存储服务。文章仅代表作者个人观点,不代表本平台立场,如有问题,请联系我们,谢谢!

    时间:2020-11-23 关键词: 电阻 电压 总线

  • 总线分类到底有多少?为啥电子工程师常常弄混?

    首先,应该明白总线是什么?度娘的完整定义是:总线是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线,它是由导线组成的传输线束,按照计算机所传输的信息种类。 其实,总线就是是一种内部结构,它是cpu、内存、输入、输出设备传递信息的公用通道。 工程师为了简化硬件电路设计、简化系统结构,常用一组线路,配置以适当的接口电路,与各部件和外围设备连接,这组共用的连接线路被称为总线。另外就是采用总线结构便于部件和设备的扩充,尤其制定了统一的总线标准则容易使不同设备间实现互连。 1 总线分类: 1、总线按功能和规范可分为五大类型: 数据总线、地址总线、控制总线、扩展总线及局部总线。 数据总线、地址总线和控制总线也统称为系统总线,即通常意义上所说的总线。常见的数据总线为ISA、EISA、VESA、PCI等。 地址总线:是专门用来传送地址的,由于地址只能从CPU传向外部存储器或I/O端口,所以地址总线总是单向三态的,这与数据总线不同,地址总线的位数决定了CPU可直接寻址的内存空间大小。 控制总线:用来传送控制信号和时序信号。控制信号中,有的是微处理器送往存储器和I/O接口电路的;也有是其它部件反馈给CPU的,比如:中断申请信号、复位信号、总线请求信号、设备就绪信号等。 2、按照传输数据的方式划分: 可以分为串行总线和并行总线。 串行总线中,二进制数据逐位通过一根数据线发送到目的器件。 并行总线的数据线通常超过2根。常见的串行总线有SPI、I2C、USB及RS232等。 3、按照时钟信号是否独立划分: 可以分为同步总线和异步总线。 同步总线的时钟信号独立于数据,而异步总线的时钟信号是从数据中提取出来的。 SPI、I2C是同步串行总线,RS232采用异步串行总线。 4、微机中总线一般有内部总线、系统总线和外部总线: 内部总线是微机内部各外围芯片与处理器之间的总线,用于芯片一级的互连。 而系统总线是微机中各插件板与系统板之间的总线,用于插件板一级的互连。 外部总线则是微机和外部设备之间的总线,微机作为一种设备,通过该总线和其他设备进行信息与数据交换,它用于设备一级的互连。 那么多分类, 今天先来聊聊内部总线、系统总线和外部总线咯。 2 内部总线 I2C总线: I2C(Inter-IC)总线10多年前由Philips公司推出,是近年来在微电子通信控制领域广泛采用的一种新型总线标准。 它是同步通信的一种特殊形式,具有接口线少,控制方式简化,器件封装形式小,通信速率较高等优点。 在主从通信中,可以有多个I2C总线器件同时接到I2C总线上,通过地址来识别通信对象。 SCI总线: 串行通信接口SCI也是由Motorola公司推出的。它是一种通用异步通信接口UART,与MCS-51的异步通信功能基本相同。 IIS: I2S(Inter-IC Sound Bus)是飞利浦公司为数字音频设备之间的音频数据传输而制定的一种总线标准。 I2S有3个主要信号: 串行时钟SCLK,也叫位时钟,即对应数字音频的每一位数据,SCLK有1个脉冲。 帧时钟LRCK,用于切换左右声道的数据。LRCK为“1”表示正在传输的是左声道的数据,为“0”则表示正在传输的是右声道的数据。 串行数据SDATA,就是用二进制补码表示的音频数据。 有时为了使系统间能够更好地同步,还需要另外传输一个信号MCLK,称为主时钟,也叫系统时钟(Sys Clock)。 SPI: SPI(Serial Peripheral Interface:串行外设接口);SPI是Motorola首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的。 SPI接口主要应用在EEPROM,FLASH,实时时钟,AD转换器,还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。 SPI接口是以主从方式工作的,这种模式通常有一个主器件和一个或多个从器件,其接口包括以下四种信号: MOSI – 主器件数据输出,从器件数据输入  MISO – 主器件数据输入,从器件数据输出  SCLK – 时钟信号,由主器件产生 /SS – 从器件使能信号,由主器件控制 UART: UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter:通用异步收发器)。将由计算机内部传送过来的并行数据转换为输出的串行数据流。 将计算机外部来的串行数据转换为字节,供计算机内部使用并行数据的器件使用。在输出的串行数据流中加入奇偶校验位,并对从外部接收的数据流进行奇偶校验。 在输出数据流中加入启停标记,并从接收数据流中删除启停标记。处理由键盘或鼠标发出的中断信号(键盘和鼠票也是串行设备)。 可以处理计算机与外部串行设备的同步管理问题。有一些比较高档的UART还提供输入输出数据的缓冲区。常用TXD,RXD,/RTS,/CTS。 JTAG: JTAG (Joint Test Action Group 联合测试行动小组)是一种国际标准测试协议(IEEE1149.1兼容),主要用于芯片内部测试。 标准的JTAG接口是4线:TMS、TCK、TDI、TDO,分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。 测试复位信号(TRST,一般以低电平有效)一般作为可选的第五个端口信号。一个含有JTAGDebug接口模块的CPU,只要时钟正常,就可以通过JTAG接口访问CPU的内部寄存器和挂在CPU总线上的设备,如FLASH,RAM,内置模块的寄存器,象UART,Timers,GPIO等等的寄存器。 CAN: CAN全称为“Controller Area Network”,即控制器局域网,是国际上应用最广泛的现场总线之一。 最初,CAN被设计作为汽车环境中的微控制器通讯,在车载各电子控制装置ECU之 间交换信息,形成汽车电子控制网络。 比如:发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中,均嵌入CAN控制装置。一个由CAN总线构成的单一网络中,理论上可以挂接无数个节点。 实际应用中,节点数目受网络硬件的电气特性所限制。 例如,当使用Philips P82C250作为CAN收发器时,同一网络中允许挂接110个节点。CAN 可提供高达1Mbit/s的数据传输速率,这使实时控制变得非常容易。 另外,硬件的错误检定特性也增强了CAN的抗电磁干扰能力。 SDIO: SDIO是SD型的扩展接口,除了可以接SD卡外,还可以接支持SDIO接口的设备,插口的用途不止是插存储卡。 支持 SDIO接口的PDA,笔记本电脑等都可以连接象GPS接收器,Wi-Fi或蓝牙适配器,调制解调器,局域网适配器,条型码读取器,FM无线电,电视接收器,射频身份认证读取器,或者数码相机等等采用SD标准接口的设备。 GPIO: GPIO (General Purpose Input Output 通用输入/输出)或总线扩展器利用工业标准I²C、SMBus™或SPI™接口简化了I/O口的扩展。 当微控制器或芯片组没有足够的I/O端口,或当系统 需要采用远端串行通信或控制时,GPIO产品能够提供额外的控制和监视功能。 3 系统总线 ISA总线: ISA(industrialstandardarchitecture)总线标准是IBM公司1984年为推出PC/AT机而建立的系统总线标准,所以也叫AT总线。 它是对XT总线的扩展,以适应8/16位数据总线要求。它在80286至80486时代应用非常广泛,以至于现在奔腾机中还保留有ISA总线插槽。ISA总线有98只引脚。 EISA总线: EISA总线是1988年由Compaq等9家公司联合推出的总线标准。 它是在ISA总线的基础上使用双层插座,在原来ISA总线的98条信号线上又增加了98条信号线,也就是在两条ISA信号线之间添加一条EISA信号线。 在实用中,EISA总线完全兼容ISA总线信号。 VESA总线: VESA(videoelectronicsstandardassociation)总线是1992年由60家附件卡制造商联合推出的一种局部总线,简称为VL(VESAlocalbus)总线。 它的推出为微机系统总线体系结构的革新奠定了基础。该总线系统考虑到CPU与主存和Cache的直接相连,通常把这部分总线称为CPU总线或主总线,其他设备通过VL总线与CPU总线相连,所以VL总线被称为局部总线。 它定义了32位数据线,且可通过扩展槽扩展到64位,使用33MHz时钟频率,最大传输率达132MB/s,可与CPU同步工作。是一种高速、高效的局部总线,可支持386SX、386DX、486SX、486DX及奔腾微处理器。 PCI总线: PCI(peripheralcomponentinterconnect)总线是当前最流行的总线之一,它是由Intel公司推出的一种局部总线。它定义了32位数据总线,且可扩展为64位。 PCI总线主板插槽的体积比原ISA总线插槽还小,其功能比VESA、ISA有极大的改善,支持突发读写操作,最大传输速率可达132MB/s,可同时支持多组外围设备。 PCI局部总线不能兼容现有的ISA、EISA、MCA(microchannelarchitecture)总线,但它不受制于处理器,是基于奔腾等新一代微处理器而发展的总线。 4 外部总线 RS-232-C总线: RS-232-C是美国电子工业协会EIA制定的一种串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写,232为标识号,C表示修改次数。 RS-232-C总线标准设有25条信号线,包括一个主通道和一个辅助通道,在多数情况下主要使用主通道,对于一般双工通信,仅需几条信号线就可实现,如一条发送线、一条接收线及一条地线。RS-232-C标准规定的数据传输速率为每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。 RS-232-C标准规定,驱动器允许有2500pF的电容负载,通信距离将受此电容限制,例如,采用150pF/m的通信电缆时,最大通信距离为15m;若每米电缆的电容量减小,通信距离可以增加。 传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送,存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题,因此一般用于20m以内的通信。 RS-485总线: 在要求通信距离为几十米到上千米时,广泛采用RS-485串行总线标准。RS-485采用平衡发送和差分接收,因此具有抑制共模干扰的能力。 加上总线收发器具有高灵敏度,能检测低至200mV的电压,故传输信号能在千米以外得到恢复。 RS-485采用半双工工作方式,任何时候只能有一点处于发送状态,因此,发送电路须由使能信号加以控制。 RS-485用于多点互连时非常方便,可以省掉许多信号线。应用RS-485可以联网构成分布式系统,其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。 IEEE-488总线: IEEE-488总线用来连接系统,如微计算机、数字电压表、数码显示器等设备及其他仪器仪表均可用IEEE-488总线装配起来。 它按照位并行、字节串行双向异步方式传输信号,连接方式为总线方式,仪器设备直接并联于总线上而不需中介单元,但总线上最多可连接15台设备。最大传输距离为20米,信号传输速度一般为500KB/s,最大传输速度为1MB/s。 USB总线: 通用串行总线USB是由Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、NorthernTelecom等7家世界著名的计算机和通信公司共同推出的一种新型接口标准。 它基于通用连接技术,实现外设的简单快速连接,达到方便用户、降低成本、扩展PC连接外设范围的目的。它可以为外设提供电源,而不像普通的使用串、并口的设备需要单独的供电系统。 另外,汽车电子最近这么火,想谈一下汽车网络中的LIN与CAN总线: 早在1983年,博世公司开始开发控制器局域网(CAN)总线,并且在1986年正式发布相关协议。目前有多种不同汽车总线标准,但是CAN仍然是最流行的标准。 在CAN网络中,所有节点(源于不同的ECU)都担当主节点(即,不存在主从拓扑结构),而且并不分配具体地址。而是由消息携带标识符。 在给定时间,多个节点可以同时向CAN总线发送数据。然后由消息标识符帮助确定消息的优先级。 最高优先级的消息会使CAN总线进入显性状态,而所有其他节点会停止发送。这些节点实际上是收发器,除发送消息之外,其可以根据特定功能从总线查找特定消息。因此,CAN总线所连接的不同节点之间会出现信息流。 由于CAN会进行填充错误、误码、校验和错误、误帧以及应答错误等多项错误检查, 因此具有高可靠性。CAN支持高达1Mbps的数据传输速率,从而成为连接汽车关键功能ECU(如:变速箱、温度传感器等)的默认选择。 但汽车为什么选择LIN? 汽车电子的作用并非仅仅局限于这些关键单元。车身电子市场多年来一直在增长。典型车身控制应用包括座椅、车窗、智能雨刷以及汽车空调传感器等。 对车身电子的关键要求是确保汽车更舒适、更安全。尽管这些系统可能不要求像关键ECU那样的高安全性,但是它们仍然需要一定的汽车网络通信标准。 LIN与CAN对比 实现CAN比实现LIN的成本高。导致CAN成本更高的因素包括: CAN网络中的每个节点都需要时钟发生器或晶体; CAN的芯片级实现起来更复杂; 采用双线传输。 最重要的是,整个昂贵的架构对于不需要高可靠性和高数据速率的应用来说过于奢侈。 以上就是各类总线大全了,希望对工程师们有些帮助。 - END - | 整理文章为传播相关技术,版权归原作者所有 | | 如有侵权,请联系删除 | 【1】国内MCU能替代国外产品吗?MCU的未来又将如何? 【2】35岁真的是程序员的坎儿吗? 【3】不同编程语言能耗不同?看这27种语言对比! 【4】超长干货为你解析:从串口驱动到Linux驱动模型,嵌入式必会! 【5】本文把TCP/IP讲绝了! 免责声明:本文内容由21ic获得授权后发布,版权归原作者所有,本平台仅提供信息存储服务。文章仅代表作者个人观点,不代表本平台立场,如有问题,请联系我们,谢谢!

    时间:2020-11-16 关键词: 计算机 总线

  • A2B应用面面观

    A2B应用面面观

    纵观历史,会发现许多汽车行业利用相邻和互补市场技术实现转化的示例;工业、消费电子和医疗健康行业只是其中几个。从引进采矿业的传输系统来实现汽车大规模生产的变革,到利用电子控制单元(ECU)的处理能力(该技术自30多年前首次运用微控制器功能以来持续迅速发展),这种汽车行业借用技术转化并充分发挥其优势的例子不胜枚举。现在,汽车行业也在回馈一项可以简化各种应用中的音频分配挑战的技术。 A2B®总线是一种高带宽双向数字总线,最初用于解决汽车应用中的音频分配挑战。现有的汽车音频网络一般使用多个点对点模拟连接。A2B技术可以解决许多与点对点模拟连接相关的挑战,包括电缆重量、电缆成本、布线难题,以及多个连接的可靠性。它有助于通过非屏蔽双绞线(UTP)电缆和连接器基础结构在分布式多节点音频系统中传输完全同步的音频数据(I2S / TDM / PDM)和控制数据(I2C)。A2B技术支持点对点、菊花链和分支网络拓扑。 每个网络都由一个主节点和多达10个从节点组成。主节点包含一个连接至主机处理器的A2B收发器,该收发器可以将音频、控制数据 (I2C数据) 发送至A2B总线。从节点的复杂度各不相同(从具备强大处理能力的优质放大器到总线供电的麦克风节点),都可用A2B收发器连接,例如麦克风、数字信号处理器(DSP)、扬声器、传感器(例如加速度计),或者D类放大器。主从收发器器件都支持多种功能,例如支持时分多路复用(TDM)和脉冲密度调制(PDM)麦克风输入。A2B收发器衍生出来的简化产品具备各种级别的功能,例如端点从节点(不支持TDM)、简化型主节点(支持较短的电缆和更少的从节点数量),以及简化型端点从节点(支持较短电缆和更少的PDM输入)。 A2B技术最初只出现在部分汽车应用产品系列中,该技术于2019年面向广泛市场全面开放,适合各类应用。 图1.A2B架构示例 适用于非公路和多用途车辆的Fritzmeier驾驶室系统配合Antretter & Huber的SMARTCOM系统,充分利用了A2B技术的可扩展特性。SMARTCOM系统配有麦克风、有源扬声器和FM/DAB智能无线电模块,旨在简化与第三方模块的集成。SMARTCOM系统使用的A2B总线的主要功能包括:集成多达10个连接到主节点的从节点,以及支持双向音频传输。 载人车辆(例如公共汽车、飞机和火车)构成了运输业的另一个重要领域,这些车辆现在也可以利用A2B技术的功能。车辆中连接的分布音频组件明显可采用A2B器件,例如使用经济高效地轻型UTP电缆来实现分布式扬声器的高效连接。但是,还存在许多更微妙的用例!A2B器件可支持网络上多达32个下游音频(从主节点到从节点)和上游音频(从从节点到主节点)通道,有助于在单个系统中分配包含不同音频内容的多个通道。这个特性可以用在旅游车上,用于分配各种类型的音乐,或者分配各种语言的导游指南。 A2B总线可以远距离传输不太关键的一般输入/输出(GPIO)数据,此功能现在也用于运输业的多种用例中。例如,公共汽车和观光车中部署的停止按钮可以利用这种A2B功能,其相关的处理成本极低,只需在初始化期间通过主节点配置A2B链路,GPIO就可以独立运行,无需主机的进一步干预。 在运输业以外,许多标准(例如AES67)都利用以太网和互联网协议(IP)等技术在一定距离内传输音频(从住宅或小型演播室到体育场或购物中心等应用环境)。对于许多基于以太网的远距离传输音频的技术来说,A2B技术并不会直接与其竞争。相反,A2B技术可以被视为一种互补技术,非常适合在主干网络和外围设备(例如麦克风、扬声器等)之间提供边缘连接。 以体育场为例,利用以太网技术(例如AES67)在整个场馆内或在局部区域(例如套房或餐厅)之间部署音频时极为高效。但是,在局部区域内,将以太网技术连接至网络边缘时,A2B技术具有几个明显优势。A2B收发器配有集成式网络控制器和PHY。A2B器件支持的UTP连接器经济高效,且易于组装,A2B器件支持的UTP电缆同样经济高效、灵活轻巧。A2B技术也从节点处理的角度进行了高度优化,可以在不使用微控制器的情况下实现从节点。 A2B总线设计的初衷,就是尽可能减少整个网络的处理要求。在系统初始化期间,A2B主节点上的收发器必须配置A2B网络,这是主机控制器(可以是任何带I2C接口的IC/SoC)应承担的工作。 ADI提供了一个嵌入式C或Linux® 格式的参考软件堆栈,可用于网络配置。完成网络配置之后,唯一的软件开销是为应用程序选择的状态检查策略的功能。与其他需要在每个连接到网络的节点上执行复杂堆栈的技术相比,采用这种方法的A2B技术具有明显的优势。 A2B技术的最低节点处理要求,以及通过电缆供电的能力,非常适合网络环境中需要高度简化从节点设计的应用。录音棚环境中的几种应用可以利用这种支持实现由总线供电的简单节点设计,例如对讲扬声器或拾音器。将总线供电节点和本地供电节点结合起来,系统设计人员可以利用A2B技术提供的24位、96 kHz数字音频路径创建复杂的录音棚设计。A2B总线的电缆长度是录音棚或小舞台环境可以利用的另一个特性。小舞台环境可以利用这种灵活性来连接各种元件,例如调音台、监控器、麦克风、均衡器或放大器。 图3.A2B软件堆栈架构 A2B总线支持长电缆长度,如今以远程会议系统为核心的会议室也可以利用A2B总线支持长电缆长度这一特性。远程会议系统需要连接各种元件,例如麦克风、扬声器和静音按钮。在实现波束成形麦克风解决方案时,远程会议系统还可以利用A2B技术提供的超低确定性延迟特性。所涉及的麦克风数量、可用的处理能力和系统中的延迟都会影响波束成形实现的有效性。A2B技术提供同步数据交换,保证最大延迟低于50 µs。A2B总线提供的GPIO支持也可用于远程会议系统中,用于传送任何辅助信号,例如静音控制按钮、呼叫中或静音状态指示器。 图2.利用A2B实现边缘连接 实践证明,A2B技术在汽车环境中具备可靠的EMI/EMC兼容性,对于那些需要在具有挑战性的EMC环境中安全传输音频和非关键数据的应用来说,这是一个非常有吸引力的技术选项。A2B总线符合严格的汽车EMC标准,包括排放、抗干扰性和ESD要求等,非常适合航空电子和航空航天应用。可以通过与基本设计准则保持一致,并遵循参考设计,来确保系统设计符合规相关标准要求。 这种参考设计是生态系统的重要组成,也是帮助客户简化和加快设计过程的必要技术支持。ADI公司和多家第三方合作伙伴的硬件参考设计都支持A2B技术。其他传统生态系统要素还包括样片、文档和评估套件的可用性。此外,A2B生态系统还包括其他三大要素:软件、设计工具和第三方设计合作伙伴。 图4.A2B评估系统样片 除了前面提到的参考软件堆栈架构,A2B技术也受ADI备受行业赞誉的开发工具SigmaStudio®支持。SigmaStudio是一款设计工具,可以通过拖放A2B节点和辅助器件、节点配置、误码率分析、带宽计算和功率计算来支持A2B设计过程-网络设计的各个方面。SigmaStudio获取配置数据,并生成通用的.c和.h文件,以集成到软件堆栈中。 图5.SigmaStudio网络配置工具 测试设备供应商(包括Mentor和Total Phase等)也是A2B总线生态系统的组成部分,主要提供A2B分析仪和监控器等产品。A2B分析仪可以模拟A2B网络中的主节点或从节点,这在设计和创建A2B网络的原型时会很有帮助。A2B监控器可作为A2B网络上的无源节点,用于监测通过该节点的所有A2B音频和数据,同时支持输入和输出音频。这些工具可以帮助客户缩短上市时间和降低设计复杂度。它们还可以在项目发布之前和之后加快调试和分析解决问题。A2B技术拥有多家第三方设计服务合作伙伴,他们已多次将A2B设计成功推向市场。这些合作伙伴提供硬件模块、定制硬件和软件设计支持等一系列服务。 技术生态系统、EMI/EMC可靠性、电缆长度支持和最低的处理成本等这些辅助因素,对于A2B总线最重要的音频和数据传输功能也是有力的补充。这些综合优势使得A2B技术深受很多行业应用的青睐,例如运输业、专业AV、音乐制作和表演等。 目前面向广泛的市场应用推出了5款通用型A2B收发器,其中两款为主器件,剩余三款为从器件。5款通用收发器包括超集组件和子集组件,以及一款经过优化的端点从器件。支持的5款通用器件概览如表1所示。 表1.面向广泛市场应用的A2B器件 A2B总线由ADI提供的一系列产品评估板提供支持,涵盖各类A2B器件。第三方设计服务团队提供的其他A2B板进一步实施补充。 表2.面向广泛市场应用的A2B评估板

    时间:2020-11-13 关键词: 应用 a2b 总线

  • 关于实现中频信号源的设计的方法,你知道吗?

    关于实现中频信号源的设计的方法,你知道吗?

    你知道基于DDS技术和标准CPCI总线实现中频信号源的设计吗?DDS在相对带宽、频率转换时间、相位连续性、正交输出、高分辨力以及集成化等方面都远远超过了传统频率合成技术所能达到的水平,为系统提供了优于模拟信号源的性能。利用DDS技术可以很方便地实现多种信号。本设计的核心部分正是基于DDS技术,进行所需中频信号源的设计。 硬件电路的设计 该中频信号源的设计基于标准CPCI总线,上位机通过改写板上的控制参数可以很方便地输出不同形式的波形。硬件系统的结构如图1所示。它包括三个模块:A是系统的核心部分,为中频信号产生模块; B是中频正交检波模块,输出检波后的I、Q信号;C为中频正交调制模块,可以输出带有包络的中频调制信号。下面将详细讨论各个模块的具体实现和功能。 信号源产生模块 该模块主要包括PCI总线接口、信号产生控制逻辑电路(FPGA)、DDS芯片以及相应的放大、滤波和衰减电路。上位机通过PCI总线访问FPGA中的寄存器,实现对各种工作模式的控制。其中FPGA选用的是Altera公司的EP1K50TC144。晶振除了提供板上各个模块工作所需时钟外,还提供给其他处理板作为外时钟。设计中采用的DDS是AD9854,片内的4~20倍的时钟乘法器可使内部工作频率达到300MHz,输出信号的频率可达100MHz。 DDS的各种参数控制信号均由FPGA来提供,实现不同形式信号的输出。DDS1输出的chirp(线性调频)信号经过放大滤波后送入数控衰减器,然后进行波束调制,调制后的信号ROUT从前面板输出。DDS2输出的连续波信号经放大滤波后再经过两级功分器输出三个信号F1_out、F2_out和 F3_out,作为正交调制和检波模块的本振信号,通过板内的SMA与相应的模块连接。 正交检波模块 如图1中阴影部分所示,包括两路正交检波电路。被检波的中频信号RF1(RF2)由前面板送到板内,经过运放后输入正交检波器,本振信号由板内的SMA引入,即F1_in和F2_in,由模块A中功分器的输出F1_out和F2_out提供。经过正交检波器后输出I、Q信号,分别经滤波放大后输出,即得到需要的信号。 正交调制模块 该模块完成中频上的正交调制功能。本振信号通过板内的SMA送给正交调制模块,经放大后送给正交调制器,I、Q信号从前面板直接送给正交调制器,调制后的信号经放大滤波后送给功分器,输出两路中频信号。中频信号的幅度由压控衰减器的衰减控制量来控制,实现相应的信号包络调制。压控衰减器的控制量(图1中的Con1和Con2)由前面板输入。 中频信号源在某雷达干扰系统中的应用 中频信号源可以为雷达干扰实验系统提供所需的雷达信号,以及完成对信号的中频正交检波与调制。 中频信号源在雷达模拟器和回波模拟器中的应用 在雷达模拟器和回波模拟器中共用一块中频信号源板,具体应用如下: 模块A:产生雷达定时信号,如雷达重复周期PRT、组领脉冲CPI以及雷达发射信号R_OUT和外时钟CLK,同时给正交调制模块及检波模块提供本振信号。这里的R_OUT就是上文提到的送往雷达干扰机模拟器的雷达发射信号。其具体实现过程为:上位机通过PCI总线访问板上FPGA芯片中的控制寄存器,控制雷达模拟器的各种参数,如PRT的变化方式以及R_OUT的输出形式等。 不同模式参数的具体实现由FPGA来完成。FPGA除了产生上述的PRT、CPI等信号外,还要产生DDS的读写及控制信号,来控制DDS1和DDS2的输出。DDS1根据前端FPGA送出的控制字输出相应的雷达发射信号,有单点频模式、循环模式和随机捷变模式,信号的形式为脉冲线性调频信号,带宽为5MHz~20MHz可编程,脉宽10ms~50ms可编程,载频为40MHz~90MHz,具有捷变频的功能。DDS2输出的是正弦连续波信号,也具有捷变频的功能,捷变的方式与DDS1一致。DDS2产生的信号经过放大、滤波和功分电路后从板子内部的SMA输出,作为检波模块和本振模块的本振,从而保证雷达模拟器和回波模拟器的载频与雷达发射信号的一致性。 由DDS1输出的雷达信号经放大滤波后送给数控衰减器进行雷达天线扫描的调制,输出具有雷达天线包络的信号。数控衰减器的衰减范围为65dB,可控位数为12bit,最小步进0.5dB。图2所示为FPGA送给数控衰减器的控制量,系统要求干扰机接收信号的动态范围为60dB,因此衰减控制量的最大差值为60 dB。 由于天线图的周期太长,为了便于观测,可以对输出的天线图进行A/D采样,采样后如图3所示。横坐标表示采样点,纵坐标为对幅值求对数后的量化值。该图即为天线的包络,读图可以知道天线主瓣与旁瓣的dB差值,主瓣与第四旁瓣的差值为50 dB。外时钟CLK信号是板内时钟经过时钟驱动芯片送往前面板的SMA头输出,可以提供给雷达模拟器处理板和回波模拟器处理板使用。 模块B:完成中频上的正交检波,对雷达回波中频信号和干扰中频信号合成后的信号进行检波,本振信号由DDS2的输出提供,即F1_out和F2_out,分别与F1_in和F2_in相连。该模块设计了两路是因为要对雷达分别进行主天线和辅助天线的处理。对DDS送来的主天线和辅助天线的合成信号分别进行正交检波,输出两路I、Q信号送给雷达模拟器。 模块C:对雷达回波模拟器产生的基带正交信号进行调制,调制到具有捷变功能的中频本振上,本振信号F3_in由DDS2经过功分器输出的F3_out提供,本振变化的规律与DDS1产生的雷达发射信号的变化一致。中频调制后的信号经过功分器分成两路,再经过压控振荡器,分别对两路信号进行天线调制,其中一路作为主天线回波信号,另一路作为辅助天线回波信号。压控衰减器的控制量由雷达回波模拟器经由前面板的Con1和Con2提供。 结语 本设计主要有以下几个特点: 1. 该系统采用DDS技术,可以满足高线性度、高稳定度、高信噪比和低杂散的要求。 2. 用上位机可以简单方便地控制信号波形参数,为不同频率、不同波形的要求提供了通用平台。 3. 能够在产生中频信号的同时,对信号进行任意包络的波束调制。 4. 该系统还能够完成正交检波和正交调制的功能。 5. 硬件结构简单,功能划分清晰,各模块可单独使用。 以上介绍了一种应用在某雷达干扰仿真系统中的中频信号源的设计与实现。只要改写FPGA中控制DDS的部分参数就可以根据要求改变信号的输出形式,简单方便,输出信号的各项指标均能达到很高的要求。以上就是基于DDS技术和标准CPCI总线实现中频信号源的设计解析,希望能给大家帮助。

    时间:2020-10-26 关键词: 信号源 dds 总线

  • 英威腾DA180-N伺服,带你体验EtherCAT的速度与激情

    英威腾DA180-N伺服,带你体验EtherCAT的速度与激情

    为什么一个优秀的工程师在系统设计的第一步就要选择正确的总线技术? 总线系统也许并不意味着所有……但没有它,就不会有智能伺服驱动器! 它不仅是伺服系统架构的核心部分,而且其性能决定着整个伺服系统能否达到最高性能。同时,总线系统也是决定系统成本、 调试时间和稳定性的关键因素。 传统的伺服市场以脉冲和CAN 总线为主,随着智能制造技术要求的提升,国内工业机器人和高精密设备等行业的高速发展,对多轴、高性能伺服的需求越来越多。EtherCAT总线开始成为新一代的技术,逐步取代CAN总线。 什么是EtherCAT EtherCAT 是一项高性能、低成本、应用简易、拓扑灵活的工业以太网技术。它于2003年被引入市场,2007年成为国际标准。EtherCAT是一项开放的技术:允许任何人实施或应用。 EtherCAT独特处理帧的运行方式使得它成为最快的工业以太网技术。没有任何其他技术能获得比EtherCAT更高的带宽速率或相应性能。它也因此成为“工程师的最佳选择”。EtherCAT的学霸特征特别适用于驱动技术。 DA180-N是英威腾在DA180伺服驱动器的基础上,增加EtherCAT总线通信功能而推出的新产品,涵盖该系列全功率段产品。 英威腾DA180-N产品优势 · 极速通讯 DA180-N通信速率极高,可靠性强,同步周期最快250us,实现现场实时、高速、高精、高动态、总线控制,显著提高应用的效率。 · 灵活配置 EtherCAT 在网络拓扑方面没有任何限制。几乎无限数量的节点可以组成线型、树型、星型拓扑及任何拓扑的组合。由于具备自动链接检测功能,节点和网段可在运行中断开及重新连接。 · 多功能 可以支持主站-从站,主站-主站和从站-从站,以及包含下级现场总线的通信,实现完全覆盖。 · 简单耐用 相比于传统的现场总线系统,无需配置交换机或路由器,无需处理复杂的MAC或IP地址。节点地址可被自动设置,无需网络调试;故障自诊断,准确定位错误点,检修维护方便。 英威腾DA180-N响应频率达2.0kHz,3倍过载能力,负载惯量自识别,同步信号抖动小于10ns,同步抖动小于1us,在EtherCAT从站控制器中使用的分布式时钟能确保高同步性和同时性,广泛适用于工业机器人、机床机械、电子制造设备、激光设备、锂电池设备、印刷包装等行业,满足多设备远距离、高速同步控制需求。 如同高速公路一样,路况越好、车道越多,承运能力就越强。DA180就像一列环行的“高速列车”,在Modbus、CANopen的跑道上,开启EtherCAT总线新时代。现诚邀您与我们一起去体验英威腾DA180-N速度与激情。 解决方案精选 1. 贴标机解决方案 2. 口罩机解决方案 3. 六轴开料机解决方案 4. 枕式包装机解决方案

    时间:2020-10-20 关键词: 英威腾 ethercat 总线

  • μC/OS-Ⅱ设计的线控转向中的FlexRay总线通信技术

    μC/OS-Ⅱ设计的线控转向中的FlexRay总线通信技术  FlexRaY是时间触发的通信总线,对实时性要求较高,因此仅仅依靠由简单循环和中断服务程序组成的嵌入式程序将无法满足要求。同时,FlexRay通信在启动和运行过程中,需要利用循环对总线状态进行查询,既浪费大量的系统资源,又容易造成程序死锁,成为应用中的难点问题。       近年来,随着汽车工业和电子工业的不断发展,汽车线控转向技术成为了研究的热点,并提出了包括路感模拟、转向稳定性以及总线技术等诸多关键性问题并加以研究。其中的总线技术,已经得到了众多知名汽车公司的积极研究与应用。一些汽车制造商目前计划采用FlexRay总线,这是一种特别适合下一代汽车应用的网络通信总线,具有容错功能和确定的消息传输时间,能够满足汽车控制系统的高速率通信要求。   基于上述问题,本文基于μC/OS-II实时操作系统,设计了线控转向中FlexRay总线的通信部分。在满足实时性要求的基础上,利用其多任务的特点,节约了系统资源,避免了死锁问题的出现,并增加了通信故障检测报警功能,为今后开发线控转向系统奠定了基础。

    时间:2020-09-10 关键词: flexray 总线

  • 基于Flexray总线的车载指挥控制任务计算机

    基于Flexray总线的车载指挥控制任务计算机

      摘要:文章针对车载指挥控制任务计算机的特殊需求,提出了一种以PowerPC处理器为控制核心,以CPCI总线作为系统背板总线,FlexRay作为通讯总线的系统设计方案。经过试验证明,此方案具有易扩展、集成度高、实时性强等优点,满足指挥控制任务计算机的车载应用环境需求。   关键词:FlexRaV;总线;车载应用环境   引言   在现代战争中,无人机相对有人机而言具有低成本、零伤亡、高机动、可重复使用等诸多优势,其使用范围已扩展到军事、民用等领域。在军事上可用于侦察、监视、通信中继、电子对抗、战果评估等;在民用上可用于大地测量、气象观测、城市环境监测、地球资源勘探、森林防火、核污染生化污染区的取样与监控等。无人机系统通常由机载系统、数据链和地面站组成。   地面站是无人机系统的中枢,它的主要功能包括:任务计划、飞行控制、信息处理显示、目标检测和定位、数据记录等。车载地面站由于其机动性好、便于快速部署、可迅速到达任务区域附近而受到用户青睐。但车载地面站面临高低温、高湿、冲击、振动、电磁辐射干扰等恶劣环境,以及对其性能、体积、重量、功耗等的苛刻要求,普通的商用计算机无法满足车载环境要求及控制的实时性要求。 本文针对某车载无人机地面站的需求,提出了一种指挥控制计算机设计方案及实现方法。   1 系统功能分析   无人机地面站指挥控制计算机用于无人机的跟踪和指令控制。它通过无线电接收机接收无人机遥感传送的图像信号,经图像处理后送给车载地面站的驾驶员,同时由指挥控制计算机进行图像贮存。 车载地面站的驾驶员可对无人机的飞行及其任务的执行进行监视,通过地面站的指令发射机可向无人机发出控制指令,无人机接收后按照命令可不断调整飞行路线,完成任务。图1为车载无人机地面站指挥控制计算机的系统交联图。      车载指挥控制计算机是车载地面站的核心,是系统正常有序工作的重要控制部件。指挥控制计算机负责组织管理车载地面站内部设备,使地面站内各设备能够有序协调工作,并通过FlexRay总线与车载电子系统进行数据交换,保障地面站捕获无人机发回的任务区域图像信号,及时将地面站驾驶员的操控指令发射至无人机。其主要功能如下:   (1)进行地面站与车载电子系统之间的信息交换;   (2)采集驾驶员发出的操控指令,并将指令传送至指令发射机,由指令发射机调制后发射至无人机,同时将操控指令发送给记录器进行记录;   (3)控制指令发射机、图像接收机天线伺服系统转动,使天线主波瓣对准无人机以获得最佳的信号强度;   (4)采集图像接收机传送来的图像数据信号,并将图像显示在车载显示器上,同时将图像记录在记录器上;   (5)控制地面站内各设备的自检和周期性监测。   2 车载指挥控制计算机系统结构设计   随着车载计算机的体积小型化、功能多元化和操作实时化,要求新一代无人机地面站指挥控制计算机必须是体积小、重量轻、功耗低的、可支持多任务实时操作系统的嵌入式计算机。根据指挥控制计算机的功能性能要求,可将指挥控制计算机划分为处理器模块、接口模块、显示模块、通信模块、电源模块等5个功能模块,各功能模块通过CPCI总线进行通讯。   2.1 处理器模块   处理器模块主要实现指挥控制计算机的内部资源管理、接口控制、任务软件执行等功能。指挥控制计算机处理器模块选用目前应用广泛的PowerPC系列处理器中的PowerPC8548,该处理器功耗低、集成度高,内部集成有串口、计数器、中断控制器、以太网接口、PCI桥等功能电路,单片性能达到了2310MIPS,缩小了系统体积,减轻了重量,降低了功耗。   为了保障系统运行的安全性,处理器模块上设计了看门狗电路和访问超时计时器电路。看门狗计时器的计时设置和计时过程由独立于软件操作的硬件实现,而清除计时操作由受软件控制的硬件完成。看门狗计时器电路在维护使能信号无效时自动使能;在维护使能信号有效时自动禁止,但此时可用软件操作来使能。当看门狗计时器输出触发时将引起中断或复位。访问超时计时器电路用于报告并恢复处理器访问计算机资源过程中的总线周期超时故障。当处理器访问周期超过预先设定的门限时,即发生总线周期超时故障,该电路可产生中断请求,同时结束当前访问操作。   2.2 接口模块   接口模块完成和外围设备进行通讯并完成数据交换的功能。接口设备包括USB接口,用于控制鼠标、键盘等外围接口设备,RS422接口用于和指令发射机、图像接收机等外部系统进行交联。   2.3 显示模块   显示模块主要完成复合视频的解码、切换、叠加、压缩及传输的功能。根据CPCI总线传输的指令对3路输入视频的其中之一叠加轨迹,并将叠加轨迹后的视频与其它视频压缩后传输至FlexRay总线上;接收CPCI传输的指令和数据,生成仪表和参数等画面,输出LVDS显示信号来驱动显示屏。   2.4 通信模块   通信模块主要实现指挥控制计算机与车载电子系统之间的数据交换。以FlexRay总线作为互连和数据传送的方式,这样既有利于实现指挥控制计算机软硬件的通用化、模块化,同时有利于软件升级和系统扩展,显著提高软硬件的可扩展性。   FlexRay是一种新型的高速串行总线标准,与传统的CAN总线相比,FlexRay在通信速率、确定性、可靠性等多方面都有着更为优越的性能,具有灵活的使用方式,支持多种网络拓扑结构,负载率高,提供冗余机制的优点。FlexRay总线与CAN总线相比具有以下优势:   (1)传输速率高。单通道可达10Mbps,双通道高达20Mbps;CAN总线传输速率最高仅1 Mbps。   (2)支持双通道。双通道可单独运行、并行运行或冗余运行;CAN只有一个通道,无冗余。   (3)支持最大数据帧长254字节;CAN总线支持最长数据帧仅8字节。   (4)MAC(Media Access Control)层采用TDMA(时分多路)方式,数据通信具有确定性;而CAN总线采用带优先级的CSMA/CA(冲突避免多路访问方式),无法保证通信确定性。   (5)支持星型、总线型、混合型等多种拓扑结构。

    时间:2020-09-08 关键词: flexray 车载系统 powerpc 总线

  • 基于FlexRay协议的媒体接入控制的设计

    基于FlexRay协议的媒体接入控制的设计

      当前广泛应用的车载总线技术(如CAN、VAN、LIN等总线) 由于缺少确定性、同步性及容错机制等并不能满足要求,FlexRay联盟推进了FlexRay的标准化,使之成为了新一代汽车内部网络通信协议。 FlexRay关注的是当今汽车行业的一些核心需求,包括更快的数据速率、更灵活的数据通信、更全面的拓扑选择和容错运算。   FlexRay总线中的每个接入端称为节点。节点主要由电源供给系统(Power Supply)、总线驱动器(Bus Driver)、固化有FlexRay通信协议的通信控制器(CommunicaTIon Controller) 及主机(Host)4个部分组成。通信控制器是通信节点的核心器件。它主要的功能有媒体接入控制、时钟同步、编解码、协议操作控制等。媒体接入控制功能是通信控制器的核心功能,解决数据进入FlexRay通信控制器的方式,为通信控制器的编解码功能做好时间准备以及数据准备。   本文提出一种FlexRay通信控制器媒体接入控制的设计方法。该方法直接访问内存,大大缩短了获取配置的时间;设计更加精简,能够保证通信的稳定性。   1 媒体接入控制的设计   本文提出的基于内存方式实现媒体接入控制的方法包括以下步骤:首先,媒体接入控制模块的所有子模块在统一时钟域下工作,用户把与媒体接入控制相关的配置信息写入内存;然后,媒体接入控制的各个子模块直接从内存中读取该信息。媒体接入控制原理图如图1所示。   时钟产生模块根据用户的配置信息,对控制器晶振产生的最小时钟节拍按照协议规定形成系统所需要的时钟周期;控制模块根据用户配置的信息将时钟周期进一步划分为4个独立的段,即静态段、动态段、符号窗口、网络空闲段;计时器模块根据用户配置信息实现计时功能,用来记录媒体接入控制所需要的时间。      图1 媒体接入控制原理图   1.1 时钟产生模块   时钟产生模块实现媒体接入控制所需要的时钟周期,为编解码功能做好时间准备,同时把该信息传递给控制模块。该模块首先从内存中读取所需配置信息,主要有 gMacroPerCycle、gdStaTIcSlot、pMicroPerCycle。时钟产生模块根据这些配置信息进行初始化操作,然后等待晶振的最小时钟节拍(vMicroTIck)。当最小时钟节拍大于等于pMicroPerCycle/(gMacroPerCycle-1)时,该模块产生周期。   时钟产生模块处理流程如图2所示。      图2 时钟产生模块处理流程

    时间:2020-09-06 关键词: 汽车电子 flexray 总线

  • 通信协议标准FlexRay总线的功能安全性详解

      在汽车中采用电子系统已经有几十年的历史,它们使汽车安全、节能与环保方面的性能有大幅度的提高。随着研究的深入,许多系统需要共享和交换信息,为了节省线缆,就形成了依赖于通信的分布式嵌入系统。目前,世界上90%的都采用基于CAN总线的系统。FlexRay是下一代通信协议事实上的标准,它的功能安全性如何是至关重要的。   1 IEC61508功能安全的要求   目前车控系统正在向线控技术(xbywire)过渡,例如线控转向与线控刹车。线控系统最终目标是取消机械后备,因为取消这些后备可以降低成本,增强设计的灵活性,扩大适用范围,为以后新添功能创造条件。但是取消机械后备就对电子系统的可信赖性(dependability)要求大为提高。车是一个运动的物体,处于运动的环境之中,它因故障可能伤及自身及别人。取消机械后备,就将电子系统由今天的故障静默(failsilent)要求提升到故障仍工作(failoperaTIonal)的要求。   国际上对工业应用的功能安全要求已制定了标准IEC61508,它主要关心被控设备及其控制系统的安全。虽然它也适用于汽车,但汽车不仅有上述功能安全问题,而且要关心由于功能变化造成的整车系统安全,所以汽车业内正在制定相应的标准ISO26262。汽车的功能安全等级分为4级,要求最高的是 ASILD,相应的失效概率<10-8/h,它相当于IEC61508的SIL3。根据实践经验,分配给通信的失效概率<10-10/h。有关这方面的介绍可参见参考文献。   现在安全攸关的应用系统的范围有所扩大,以前不算在内的一些系统现在都要算了。例如安全预先动作系统(presafe)中座椅调整子系统、刹车辅助系统中的灯光控制子系统、碰撞后telemaTIc自动呼叫求援的子系统,都将视为安全攸关系统。   1.1 引起系统安全风险的通信故障   通信故障有5种表现形式,第1种是造成值域的错误。第2种是造成时域的错误,这是工业不同于民用的部分。一条消息不能在预定的时限前送达就失去了实用意义,例如与安全气囊引爆有关的传感器消息不能在数ms内送达就引起安全问题。在多播或广播通信中还有第3种错误:数据完整性错(拜占庭错),即各节点收到的结果不一致。它会引起系统性的失效,应对的策略必须将所有有关节点同时考虑。第4种是系统崩溃,除硬件失效外,也有干扰或软件引起的,例如饶舌错(babbling idiot)阻止通信。第5种是丢帧,短时间失效,例如可恢复的离线或bug引起的等效离线状态,又如小集团错。   1.2 通信的容许失效率   在通信故障对系统安全影响的分析上,参考文献提供了一种方法,根据瞬态干扰出现的可能长度,计算通信失效的时段长,在假定的通信失效率下,推出系统的失效率。在该实例中,路段上电场超100 V/m的区间有可能引起通信失效,失效率近似5&TImes;10-3,车速为90 km/h,识别出的可能失效时间约74 s。通信以6 ms为周期,连续7个周期丢帧视为系统失效,在此条件下系统失效率为1.640 9&TImes;10-10,认为可以达到SIL4的安全要求。这种分析方法是有效的,但是假设的条件太多,例如:误码率有很大的变化区间;帧长的变化影响一次传送的失效率;干扰持续时间的假定;连续丢7帧也与应用的场合有关,对90 km/h的车42 ms的失控对刹车系统而言有约1 m的距离,恐怕对撞击的后果有完全不同的评估;还假设SIL4完全分配给通信,将CPU与软件有关的部分失效率忽略不计,在软件规模越来越大的今天,这个假设是不合理的。另一方面,决定系统失效率时还应考虑其他的通信故障形式,例如出现小集团错到发生冲突的时间取决于相对的时钟漂移,越精确,其间时间越长,失效的时间就越长,参考文献中在人为制造出小集团后需300 ms才发现冲突,远远超出上述的42 ms。所以一般讨论系统安全的文章中都单独规定通信的失效率是相应安全等级失效率的1/100。   1.3 影响通信失效率的因素   功能安全等级与故障检测的覆盖率有关,如果有的故障未被检查到(未认识到或做不到),当然那种失效情景就不可能计算在内,安全等级的划分就有错。   参考文献介绍了SFF(Safety Failure Fraction)的概念:失效分为引起危害的失效和安全失效,它们又各分为能检测出和未检测出两种。安全失效比例SFF是能检测出危害失效与安全失效在总的失效中的份额。诊断覆盖率DC(Diagnostic Coverage)是能检测出的危害失效占总危害失效的份额。可导出SFF与DC有线性关系。而SFF又与SIL有关。IEC61508的SIL等级与 SFF有关,在SFF占90%~99%时SIL3可容许1个故障。因此DC也决定了能达到的SIL等级。根据有关文章介绍,瞬态故障的概率比硬件失效概率大2个数量级,因此可大致推断瞬态故障诊断覆盖率应达到90%~99%。危害失效可能由通信失效引起,诊断覆盖率也就成了评价通信协议的重要一环。   在通信中,由于CRC有漏检,这是明显的诊断未覆盖区,诊断未覆盖率就相当于错帧漏检率,例如CAN的错帧漏检。   在通信中发生值域错或时域错而丢帧是能诊断出的危害失效(这是本文分析的主要对象)。而假冒错、拜占庭错等应属于未检测出的危害失效。发生小集团错时既可能产生丢帧,也可能产生拜占庭错。CAN的等效离线失效也属于未覆盖的诊断引起的危害失效。要计算这些未覆盖的诊断引起的危害失效占总危害失效的比例还相当困难,因为确定故障概率模型很难。但从定性上讲,只有尽量排除假冒错、拜占庭错和小集团错,才能使诊断覆盖率提高(SIL等级提高)。   2 FlexRay介绍   由于线控技术可以提高车的操控性能,降低生产和使用成本,提升安全性、节能、环保和舒适度,成为整车技术进步的重要一环。但是为了取消机械或液压的后备,对控制装置及其通信的可靠性的要求大为提高。这就对通信的带宽和确定性有更严的要求,CAN总线不能满足这个带宽要求,在确定性上也不足,于是就产生了 FlexRay技术。根据标准,FlexRay可以有总线、星型、树状等拓扑结构。它提供了双通道的控制器结构,可组态为冗余通信,也可各通道独立运行,有很大的灵活性。每个通道最高可组态工作于10 Mb/s。FlexRay是时间触发通信协议,由分布式时钟实现同步。系统的调度表由cycle\static slot\minislot确定。一个cycle有固定数目的static slot和minislot,它们的时间长度都是均等的,由组态时确定。一个节点在一个cycle中可以占用多个static slot,static slot可以散接(multiplxing),即各个cycle的同一static slot可以用于不同节点。FlexRay帧的数据域(payload)可达254字节,它的头部为标识符及帧长等控制信息,有独立的CRC检验,尾部有覆盖全帧的24位CRC检验。FlexRay有对抗时域错的Bus Guardian设计。   关于FlexRay的缺点或弱点,参考文献提到物理层连接的困难,影响到信号完整性,实际上能较易使用的是有源星型,但这带来成本的提高;cycle设计约束多,带来困难;同步和启动节点配置与容错有关,是挑战;由于资源有限,升级演进时很困难(并非像以前强调时间触发协议的 composability优点——笔者注)。参考文献介绍了在FlexRay中产生各自独立的时钟同步小集团的可能性,也就是说虽然各节点都在通信,但是2个集团间无有效通信,是一种故障状态。解决办法是用3个冷启动节点、3个同步节点,但是这与时间同步容错的要求矛盾。还有就是将调度表排满,以免形成小集团,这也与留有余地供将来升级扩充的要求矛盾。总之尚无彻底解决方案。再有就是时钟可能产生同向漂移,与应用时钟的差造成帧未能就绪或覆盖引起漏帧。FlexRay虽然是为高可信性设计的,但是在传送中出错后处理要通过应用层解决,这带来新的问题,本文将分析如果不作处理会怎么样。   3 Audi和BMW的FlexRay总线应用的功能安全等级   BMW和Audi是首批批量使用FlexRay总线的车厂,它们的具体用法尚未查到,但是参考文献给出了部分使用参数,可以以此作一些初步分析。   3.1 Audi的参数   Audi的cycle为5 ms,每个cycle有62个static slot,slot用于传送42字节payload的帧,静态段为4.03 ms。有8个ECU共传送220个协议数据单元(PDU)。这些PDU经组合,最后在27个slot中传送。由提供的周期分布可见5 ms消息为8个,10 ms消息为1个,20 ms消息为7个,40 ms消息为6个,其余更长周期的消息先忽略。   由payload可以算出使用的帧长为500位,假定误码率为ber=1×10-7(这在铜线中已是相当好的了),那么误帧率为fer=5×10-5/frame。   由周期可算出每小时传送的帧数为n=7.92×105frame/h。假定通信用2个通道同时传送,那么同时失败的概率为fer2=2.5×10-9/frame。1小时内所有帧均成功传送的概率为:P=(1-fer2)n。   1小时内有1次以上错的概率为1-P≈fer2×n=2.5×10-9×7.92×105/h=1.98×10-3/h。SIL2的安全等级要求是系统失效概率为10-7/h,分配到通信上为10-9/h,由此可见存在巨大的差距。

    时间:2020-09-06 关键词: 汽车电子 flexray can总线 总线

  • 基于LIN2.1协议的车窗控制系统的应用

    基于LIN2.1协议的车窗控制系统的应用

      LIN协会于1999年发布了第一版LIN协议,至今已有十几年了,在这十几年中,LIN总线不断发展,已经在以车身控制为主的许多场合得到了应用。LIN总线至今一共有7个版本,其中,LIN2.1协议于2006年11月发布,是目前较新的一个版本。它与最新的 LIN2.2协议几乎没有区别,却比它的前身LIN2.0协议有明显的改进,主要体现在加入了事件触发帧的竞争处理、完善了节点配置功能和进行了诊断分级三个方面。这些改进使用户可以更加方便和快速地组织LIN网络,可以根据自己的需求重新设置LIN网络,既保证了产品的稳定性,又满足了用户的个性化需求,是LIN总线自身发展过程中很有意义的一步。   1 LIN2.1协议的新特点   1.1 事件触发帧的竞争处理   如果有多于一个的从节点在同一个帧时隙里响应帧头,就会导致竞争,竞争处理都是由主节点完成的。LIN2.0的事件触发帧竞争处理机制如图1所示。某主节点的进度表中有无条件帧A、事件触发帧和无条件帧B。当竞争发生后,主节点会继续按照之前的进度表,在接收完所有与事件触发帧相关的无条件帧后,再发送事件触发帧帧头。LIN2.1对此作出了改进,它引入了竞争处理进度表,LIN2.1的事件触发帧竞争处理机制如图2所示。每个事件触发帧都有与之相对应的竞争处理进度表,主节点在竞争处理进度表里处理完竞争后,再返回执行普通的进度表。显然,LIN2.1的竞争处理机制需要花费的时间较短。      图1 LIN2.0的事件触发帧竞争处理机制  图2 LIN2.1的事件触发帧竞争处理机制   1.2 节点配置功能的完善   1.2.1 新增分配一系列帧ID的功能   将配置功能分配帧ID改为分配一系列帧ID。LIN2.0和LIN2.1协议中分配帧ID的格式如图3所示。在LIN2.0中,只有NAD和 Supplier ID都匹配的情况下,分配才能成功,但每次只能分配一个帧ID。而在LIN2.1中,只需要NAD匹配就可以了,每次可以分配最多4个帧ID,而 LIN2.0中的Message ID在LIN2.1中已经被取消了。这种改进的目的是提高LIN网络配置的效率,更改后分配帧ID的速度最快可达到原来的4倍。      图3 LIN2.0和LIN2.1协议中分配帧ID的格式   1.2.2 新增保存配置的功能   LIN2.1协议新增了保存从节点配置信息的功能,将从节点的配置信息存入到掉电不易失的存储空间中。这样,主节点对从节点的配置在复位后也不会丢失。   1.3 诊断分级   LIN2.1的另一大新特点是根据诊断功能将从节点分为3个级别。   (1) 诊断一级   诊断一级一般应用于智能传感器或执行器等一些不需要或只需要很少诊断功能的器件。诊断一级支持所有节点配置功能,并且只需要单帧传输。   (2) 诊断二级   与诊断一级相比,诊断二级的节点增加了节点辨识的功能。例如,用户可以获得产品的软、硬件版本号等。此外,诊断二级还支持读写软件内部的参数,比如温度、车速等。诊断二级支持多帧传输。   (3) 诊断三级   诊断三级的节点不仅包含了前面两级的所有功能,还支持内部Flash的擦写,用户可以通过LIN总线烧写程序。诊断三级支持多帧传输。

    时间:2020-09-06 关键词: 控制系统 lin总线 总线

  • 使用FPGA实现低成本汽车多总线桥接

      汽车中的电子系统持续快速增长,因此对比一下汽车电子发展和消费类电子便携式产品的发展将会大有启发。如今的消费者希望在汽车中获得手持便携式电子设备所提供的方便与舒适性。汽车电子将不再局限于引擎管理系统或车身控制,而是扩展至新的领域,诸如信息娱乐、通信以及司机/乘客辅助系统等。   一个严峻的挑战是必须保证汽车寿命与车内电子设备寿命相匹配,这样才能避免由于技术过时和设备淘汰而增加额外的成本。从8轨唱片播放机到音频磁带播放机、CD播放机到MP3播放机,如此迅速的发展提醒汽车设计工程师,车内电子设备的生命周期相对较短。汽车标准的产生和变化进一步导致选择标准时必须考虑到其寿命、灵活性和被接受的广泛程度。目前使用的标准主要有LIN、CAN面向媒体的系统传输(MOST)以及蓝牙技术。   汽车电子部件设计人员面临的其它挑战包括满足低成本目标、扩展温度范围以及小型化要求。FPGA在过去的10多年里有着长足的发展,提供了更高的性能、更低的功耗、更宽的工作温度范围、更小的体积和更低的成本,因此FPGA对汽车设计工程师有着越来越大的吸引力。   根据业界分析公司GartnerDataquest(2003年11月)的报告,全球汽车电子应用市场2003年约为7320万美元,2004年会达到7790万美元,2005年将达到8530万美元。主要的汽车电子系统包括GPS导航系统、引擎控制单元和数字立体声系统。   FPGA的优点   由于FPGA具有可重复编程的灵活特点,因此可以快速实现新标准,这在现场部署完成后仍可进行。而且无需对FPGA进行物理拆卸,通过标准编程协议(如IEEE1149.1JTAG)就可以完成。从而设计人员可以像调整引擎那样对车内电子系统进行升级。   当然,汽车型号是多种多样的,从经济型、标准型到豪华型。因此,车内的电子设备也因车而异。而通过FPGA可重复编程和灵活性的优点,汽车设计工程师可以在同样的平台上提供从标准到豪华的不同特性组合。而对于ASIC,高昂的NRE和ASIC桥接的不灵活性使其从可行的解决方案中被排除出去。尽管ASIC有着较低制造成本的优势。   桥接功能   微处理器或微控制器是电子系统的核心。目前已有很多方案能够以低成本灵活地实现两种流行的汽车总线协议(LIN和MOST)与微处理器或微控制器接口之间的桥接。这些应用成功的关键是FPGA的灵活结构和可重复编程能力,使得可容易地与多种微处理器或微控制器桥接,从而为设计人员提供了最大的灵活性。要实现新的要求,或者对现有设计进行修改,不需要更改元器件,只要简单地对FPGA进行重新编程就可以了。   现在已经有了用于汽车总线标准的IP核,如LIN和CAN。LIN是一种低成本单线(12V总线)串行通信协议,基于通用串行通信接口(UART)数据格式和旨在满足汽车中分布式电子系统使用的单主控设备/多从属设备概念。这个低成本网络系统用于连接通信要求相对较低的分布式结点,主要针对使用智能传感器、调节器或照明的汽车应用。而不是取代诸如CAN等高性能网络。   同步机制是LIN的一个特点,该机制允许采用从属结点恢复时钟而无需石英或陶瓷振荡器。线路驱动器和接收器的技术规格符合ISO9141单线标准,并且进行了额外的增强。最大的传输速率是为20kbps。这一限制源于EMI考虑以及时钟同步机制。   一个LIN网络包括一个主控结点和一个或多个从属结点。所有结点都包括执行传输和接收任务的从属通信任务,而主结点还包括另外的主控传输任务。LIN网络的通信总是由主控任务所发起,首先发送一个包括同步中断、同步字节和消息识别组成的消息头。同一时刻只有一个从属任务接收并过滤标识符,发送消息响应。响应由两个、四个、或八个数据字节和一个校验字节所组成。消息头及响应部分共同构成一个消息帧。   时钟同步、UART通信的简单性以及单线介质是LIN成本较低的主要原因。而实现低成本、低速LIN需要适量的FPGA资源,大约需要500个LUT和42个I/O。   MOST技术提供了连接简单多媒体设备的低开销、低成本的网络接口,既可支持低智能设备,也能支持需要高级控制和多媒体功能的基于DSP的复杂设备。这特点使整个汽车通信系统的灵活性大大增强。从整体上来看,MOST是一种基于同步数据通信的高性能、低成本的多媒体光纤网络技术。非常适合于汽车中的多媒体应用,如模拟音频网关、模拟视频接口、数字视频显示接口、导航和通信等。MOST标准有不同的层,如物理层、数据收发链路层、传输层、会话层以及其它层。可以覆盖从数kbps到24.8Mbps的广泛应用。   同时,MOST还是一种同步网络。时钟由一个定时主控设备所提供,所有其它设备都同步到这一时钟。这一技术避免了采用缓冲和采样速率转换,因此可以连接非常简单和便宜的设备。该技术类似于交换式电话网络,数据通道和控制通道都分别进行了定义。控制通道用来确定发送方和接收方使用的是哪一个数据通道。连接一旦建立,数据可以连续传送,不需要处理额外的包信息。对于数据流传输来说,这是一种理想的机制。   MOST网络的主要优点包括:容易使用、低成本实现、宽范围的应用、同步和异步带宽、灵活性大且符合消费和个人计算机行业的要求。   节约成本   利用FPGA内在的灵活性和可重复编程特性,可以在单个平台上简化实现各种汽车总线标准与微处理器或微控制器接口的桥接。并使汽车制造商能够利用同一种FPGA满足不同级别汽车,从经济型到豪华型对电子系统的不同要求。这样就简化了库存管理和获取批量价格优惠,从而降低了研发、生产、服务和物流的成本。   利用FPGA所带来的成本节约优势延续到了汽车的整个生命周期过程中。通过重新编程和重新配置,FPGA不需要支付额外的工程成本就能完成产品的升级要求,而采样ASIC时这是不可避免的。此外,一些FPGA制造商还提供封装兼容情况下的密度升级能力,即在原来的PCB设计不变的情况下提供更大的逻辑容量,从而在系统要求变化较大时延长电子平台的寿命。   这些能力和优点不仅使FPGA器件对于设计人员更具吸引力,还允许他们自由地选择微处理器或微控制器。采用FPGA,设计人员就可根据需要选择成本优化的微处理器或微控制器,或者选择功能丰富的产品。这一灵活性能够直接降低汽车电子系统的总体解决方案成本。   LatTIceECP和LatTIceECFPGA还提供了一种独特的成本节约特性,支持标准SPI存储器配置。传统上,基于SRAM的FPGA需要使用FPGA供应商提供价格较高的专用非易失性导入PROM。这些PROM在整个FPGA解决方案成本中占了35%以上。与之对比,低成本业界标准的SPI存储器对于大批量应用非常理想。SPI存储器配置时间快、成本低而且占用的PCB空间更小。LatTIce拥有ECP和EC器件,是首家提供SPI存储器配置支持的FPGA供应商。   结语   随着新的汽车标准不断出现,汽车设计人员的主要考虑是具有最大灵活性和适应性的接口实现。LatTIceECP和LatticeEC系列为接口实现提供了极佳的功能、性能和价值。利用非常有效的架构(大批量,130nm生产技术),这些低成本FPGA提供了DSP块、嵌入式RAM块的sysMEM、分布式存储器、sysCLOCKPLLs、DDR存储器接口、以及系统IO缓冲,以致于非常适合汽车应用。使用这些器件,汽车设计人员能够适应汽车标准的改变,在产品开发阶段容易采纳新的标准,而且与现有FPGA解决方案相比较,总成本将降低30%至50%。

    时间:2020-09-02 关键词: 汽车电子 FPGA 总线

  • 工业以太网与现场总线技术各自优缺点和应用

    工业以太网与现场总线技术各自优缺点和应用

    随着“工业4.0”战略的展开,计算机技术、通讯技术、IT技术的发展已经渗入到工控领域,其中最主要的表现就是工业现场总线技术和工业以太网技术。其中工业现场总线技术,特别是以太网技术的广泛使用,为自动化技术带来了深刻变革。   【现场总线】 现场总线式应用在生产现场、连接智能现场设备和自动化测量控制系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。 它是一种工业数据总线,是自动化领域中底层数据通信网络。 【控制组成】 1.现场总线控制系统 它的软件是系统的重要组成部分,控制系统的软件有组态软件、维护软件、仿真软件、设备软件和监控软件等。首先选择开发组态软件、控制操作人机接口软件MMI。通过组态软件,完成功能块之间的连接,选定功能块参数,进行网络组态。在网络运行过程中系统实时采集数据、进行数据处理、计算。优化控制及逻辑控制报警、监视、显示、报表等。 2.现场总线的测量系统 其特点为多变量高性能的测量,使测量仪表具有计算能力等更多功能,由于采用数字信号,具有高分辨率,准确性高、抗干扰、抗畸变能力强,同时还具有仪表设备的状态信息,可以对处理过程进行调整。 3.设备管理系统 可以提供设备自身及过程的诊断信息、管理信息、设备运行状态信息(包括智能仪表)、厂商提供的设备制造信息。 4.总线系统计算机服务模块 以客户机/服务器模式是目前较为流行的网络计算机服务模式。服务器表示数据源(提供者),应用客户机则表示数据使用者,它从数据源获取数据,并进一步进行处理。客房机运行在PC机或工作站上。服务器运行在小型机或大型机上,它使用双方的智能、资源、数据来完成任务。 5.数据库 它能有组织的、动态的存储大量有关数据与应用程序,实现数据的充分共享、交叉访问,具有高度独立性。工业设备在运行过程中参数连续变化,数据量大,操作与控制的实时性要求很高。因此就形成了一个可以互访操作的分布关系及实时性的数据了系统。 6.网络系统的硬件与软件 网络系统硬件:系统管理主机、服务器、网关、协议变换器、集线器、用户计算机等底层智能化仪表 网络系统软件:NetWarc、LAN Mangger、Vines 服务器操作软件:Lenix、os/2、windowNT、应用软件数据库、通信协议、网络管理协议等。 【总线分类】 目前世界上存在着大约四十余种现场总线,这些现场总线大都用于过程自动化、医药领域、加工制造、交通运输、国防、航天、农业和楼宇等领域,目前的工业总线网络可归为三类:485网络、HART网络、FieldBUS现场总线网络。 485网络:RS485/MODBUS是现在流行的一种工业组网方式,其特点是实施简单方便,而且现在支持RS485的仪表又特别多。现在的仪表商也纷纷转而支持RS485/MODBUS,原因很简单, RS485的转换接口不仅便宜得而且种类繁多。至少在低端市场上,RS485/MODBUS仍将是最主要的工业组网方式。 HART网络:HART是由艾默生提出的一个过度性总线标准,主要特征是在4-20毫安电流信号上面叠加数字信号,但该协议并未真正开放,要加入他的基金会才能拿到协议,而加入基金会要一定的费用。HART技术主要被国外几家大公司垄断,近些年国内也有公司在做,但还没有达到国外公司的水平。现在有很多智能仪表带有[HART圆卡],支持HART通讯功能。但从国内情况来看,还没有真正用到这部分功能来进行设备联网监控,最多只是利用手操器对其进行参数设定。从长远来看,由于HART通信速率低、组网困难等原因,HART仪表的应用将呈下滑趋势。 FieldBus现场总线网络:现场总线是当今自动化领域的热点技术之一,被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现标志着自动化控制技术又一个新时代的开始。现场总线是连接控制现场的仪表与控制室内的控制装置的数字化、串行、多站通信的网络。其关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字化通信。现场总线技术近年来成为国际上自动化和仪器仪表发展的热点,它的出现使传统的控制系统结构产生了革命性的变化,使自控系统朝着“智能化、数字化、信息化、网络化、分散化”的方向进一步迈进,形成新型的网络通信的全分布式控制系统——现场总线控制系统FCS(Fieldbus Control System)。然而,到目前为止,现场总线还没有形成真正统一的标准,ProfiBus、CANbus、CC-Link等多种标准并行存在,并且都有自己的生存空间。何时统一,遥遥无期。目前,支持现场总线的仪表种类还比较少,可供选择的余地小,价格又偏高,用量也较小。 【特点优缺点】

    时间:2020-08-06 关键词: 以太网 总线

  • 设计基于FPGA实现的ARINC659总线的系统实时分析仪

    设计基于FPGA实现的ARINC659总线的系统实时分析仪

    摘 要: 随着航空系统综合化复杂度的增加,如何高效监控总线数据行为、实时对数据分析、进行故障诊断及定位是航空电子系统面临的重要问题。提出一种基于FPGA开发的ARINC659总线分析仪设计方案,主要实现了ARINC659总线数据的监控、采样、存储及故障注入测试,可以通过通信接口将总线数据触发实时分析并评估总线行为,为ARINC659总线数据实时分析提供了完善、可靠的测试手段。   0 引言 航空电子系统综合化的发展不断提高,对系统的安全性、容错性、实时性要求越来越高。底板总线是航空电子系统中各在线可更换模块(LRM)间数据传输不可缺少的关键部分。航空系统综合化复杂度的增加使得如何高效监控总线数据行为、实时对数据分析、进行故障诊断及定位成为航空电子系统面临的重要问题。提供能触发瞬态监控分析LRM之间通信状态的系统将会大大提升航空电子系统维护效率,减少系统故障维护时间,对提升装备维修性和可用性将发挥重大作用[1]。 本文提出了一种基于FPGA实现的ARINC659总线分析仪系统设计方案,可完成对ARINC659总线数据监测、故障注入、仿真测试等功能。 1 方案设计 1.1 传输机制 ARINC659是一种串行总线,采用4条串行总线通过半双工通信与交叉校验的通信方式,它减少了硬件电路,提高了可靠性。ARINC659是双总线组成的双双配置,总线对A、B分别有“x”“y”两条总线,每条总线都有一条时钟线和两条数据线,每次传送2个数据位,完整的总线由12条线组成。 ARINC659采用双总线交叉检测容错机制,接收到数据首先进行相应的解码,根据接收到的数据有效性及解码后的4条总线数据进行交叉(AX=AY、BX=BY、AX=BY、AY=BX)比较,比较结果根据调用可用性表或者完整性表判断数据的有效性。 命令表主要完成总线的初始化、预译码命令,对系统内各节点间的通信和节点各任务的配置。 1.2 工作原理 总线分析仪与其他LRM模块一样都是挂接在ARINC659总线上,图1为总线分析仪在系统中的应用,总线分析仪与系统中其他的LRM具有相同的总线命令表,如果总线分析仪被设置为分析模式,当系统上电总线开始进行数据通信,任何一个LRM向总线发送数据时,总线分析仪就开始全部接收总线上的数据,并将数据消息与同步消息进行分析处理,通过主机监控界面实时显示总线数据的状态,总线分析仪只接收总线上的数据,不对总线上的数据进行发送或者更改,ARINC659总线规定一个窗口只能有唯一一个发送器,或者后备发送器对总线进行数据发送,允许多个设备接收总线的数据,配置命令表配置总线分析仪只作为接收状态。总线分析仪通过总线收发器接收总线数据并对总线数据采用240 MHz的时钟频率采样,采集模块对数据做前端处理后,传送到处理器做总线协议解析与数据分析,通过以太网将总线状态传输给应用层软件,应用层对数据处理后通过GUI界面实时显示总线状态信息。当总线分析仪作为故障注入模式时,总线分析仪作为输入设备对总线的数据进行断路故障设置或者拉低故障设置对总线注入错误导致总线错误[2]。 总线分析仪上电初始化完全遵循ARINC659总线上电初始化与同步规范,上电初始化完成后处于监控总线状态,将总线上的数据实时传输给主机完成总线数据的分析与显示。 1.3 硬件设计 ARINC659总线分析仪主要由电源电路、复位电路、总线收发器电路、总线继电器电路、数据采集单元(FPGA及配置电路)、CPU数据处理单元组成。如图2功能框图,数据采集单元完成总线数据的高频数据采样;CPU数据处理单元负责总线数据的处理与实时传输总线状态到宿主主机。CPU数据处理单元要求具有一定存储器的CPU模块,具备PCI接口和以太网。 电源电路是整个系统的供电模块,提供整个系统各芯片工作所需要的工作电压。 复位电路采用手动复位、上电复位、软复位3种复位方式实现系统复位机制。

    时间:2020-08-06 关键词: FPGA 总线

  • 完整的ARINC429 协议和422协议的FPGA 硬件调试简介并完成多路机载总线收发器设计与实现

    完整的ARINC429 协议和422协议的FPGA 硬件调试简介并完成多路机载总线收发器设计与实现

    摘要:本文以workbench 为平台,vxworks 为操作系统,chipscope 为分析工具,介绍了完整的ARINC429 协议和422协议的FPGA 硬件调试,通过硬件调试发现modelsim 仿真所不能发现的问题并分析问题解决问题,从而完成多路机载总线收发器的设计与实现。 在航空电子综合化系统中,快速、有效的数据传输对整个航空电子系统的性能有很大的影响,因此数据总线被称为现代航空电子系统的骨架,利用FPGA 技术设计集成多路ARINC429[1] 和422[4] 通道的通信芯片,可以有效的提高数据通信模块的处理能力和集成度,降低成本,本文以verilog 语言为基础, 通过ISE 编程,modelsim 仿真, 仿真无误后综合实现,用impact 将bit 文件烧写到FPGA 中,进行硬件调试,并用chipscope 进行分析,为了更加方便的进行调试,以workbench 为平台建立驱动。关于429 协议和422 协议已经非常成熟,因此本文主要从硬件调试的角度介绍多路机载总线收发器的实现。 1 FPGA 逻辑设计原理 很多情况下,我们需要一块板子既具有429[2-3] 功能又具有422 数据传输功能,因此我们将429 逻辑和422 逻辑[6] 建立在一个模块下,分别给429 逻辑和422 逻辑分配不同的地址空间,通过不同的地址空间控制429 和422 协议的片选信号,同时LOCALBUS 数据是双向数据,429 和422 数据是单向数据,因此需要加一个双向缓冲器,实现单向数据和双向数据之间的转换。协议部分已经非常成熟,在此不做赘述。 2 原型验证板验证 2.1 原型验证板原理 我们所用的电路板名称为:MFD-GPM1018。设计原理如图1:CPU 控制FPGA 数据的写入和读出,FPGA 通过429 或者422 接收到的数据按照相应的协议转换之后由cpu 读出,cpu 通过Localbus 提供FPGA 要发送的数据并配置寄存器。 CPU 读出来的数据通过LBC-1-AD00——07 到锁存器把地址和数据按一定的控制规则转换为单独的地址信号和数据信号。LBC-1-AD00——07 表示某时刻是地址信号某时刻是数据信号。ROM 存储cpu 运行过程中的中间数据程。H1-8445 电平转换,将429 数据电平由bus 总线所要求的电平转 换为FPGA 需要的3.3V。ASP105885-01 是连接器将429、422 数据连接到GPM 调试版上,进行硬件调试。MAX3362 将串行数据转换为差分的形式。M25P16-AVMN6T 是FPGA 的配置芯片,通过JTAG 接口将bit 文件加载到FPGA 中这样配置之后,下次上电之后就可以直接将bit 文件load 到FPGA 中而不需重新加载。 2.2 硬件调试过程 在Workbench 开发平台vxworks[3] 操作系统下,首先连接串口网口从调试板到PC 机,新建超级终端,选择通信速率为115200,其他都为默认值,网口下载操作系统到cpu 中,串口用来控制cpu,串口网口连接好后,连接JTAG 接口,(JTAG连接线连USB 下载线连到PC 机),电源电压设置为28V,然后上电,通过调试板上的电压转换器转换为5V 供FPGA 板子使用,上电之后通过IMPACT 下载.bit 文件到FPGA 中,这种配置类型断电即丢失,下次上电后需要重新下载,同时打开超级终端,建立串口连接,此时vxworks 操作系统将会自动启动,在此操作系统下输入一些命令控制cpu,常用的就是读(d)和写(m)命令,并且打开chipscope,来进行调试。 为了充分验证逻辑功能的正确性:我们分别进行内回环测试,也就是在逻辑内部实现自收自发,然后进行外回环测试,将板子上发送接口与接收接口连接起来,实现回环收发,测试都无误后进行外部测试,对429 协议采用429 的仿真卡进行测试,对422 协议采用串口调试工具进行测试。 2.2.1 429 测试 429 的仿真卡发送429 差分数据,通过FPGA 接收,判断接收到的数据是否是发送的数据,以此来检测接收逻辑的正确性。 429 仿真卡BUStools /ARINC v3.20 仿真验证: 1)TX setup : 设置发送通道,波特率、奇偶校验 2)DEFINE :ADD new message 添加发送通道,我们需要TXD1、TXD2,设置发送数据参数:data——BIN 设置32—9位数据,前8 位数据通过Label 设置,Label 是一个233 数据类型,2 指的是2 位,比如设置为256,则为10101110, 映射到发送的数据为0111 0101,即为0x75,最高位为奇偶校验位,在发送过程中自动产生。 3) 设置完成后,点击run,停止发送的话点击stop。 通过超级终端读出接收到的数据与发送的数据一致,测试正确。 2.2.2 通过串口调试工具进行422 测试 422 的发送端口和接收端口通过232 连到PC 机上,PC机通过串口调试工具发送一串数据,经过232 转422 接收这些数据,接收到的数据在超级终端中打印,检测接收是否正确,类似的,调用驱动422 发送一串数据,通过232 到PC 机通过串口调试工具看到发送出来的数据,检测发送的数据是否正确。调试过程中比较关键的一点就是发送和接收端口波特率要设置一致。

    时间:2020-08-05 关键词: 协议 FPGA 硬件 总线

  • 无人配送CAN-bus总线解决方案

    无人配送CAN-bus总线解决方案

    一、无人配送行业动态 受国内疫情影响以及“新基建”政策的推进,无人配送行业发展迅速。在之前的武汉防疫战中,许多知名企业更是将无人配送小车投入使用,实现了“无接触”快递物流配送及防护物资的运输。 无人配送是指物品流通环节中没有或是少量人工参与,简单来说,就是简单版的自动驾驶,以人工智能AI为核心,结合高精度地图以及各类传感器等技术,实现用机器替代人工或者人机协作的配送方式,达到提高效率、减少成本的目的。如图 1所示是,无人配送小车示意图。 图 1 无人配送小车示意图 二、CAN接口扩展方案 目前无人配送部分执行部件与行走电机均采用CAN-bus现场总线通讯,而高端AI的IC和工控机都缺乏CAN接口的设计,例如ZLG的M1808。可以利用AI工控机上面多余的接口来扩展多路的CAN接口,从而实现小车各RCU单元的通信。如图 2所示,基于此需求,介绍以下几种接口扩展的方案: 图 2 CAN接口扩展方案 如上图所示,MiniPCIe接口CAN卡、PCIe接口CAN卡、以太网转CAN模块等系列产品是ZLG基于不同形式的接口开发的高性能CAN接口卡,配合AI工控机可实现多达8路电磁隔离3500VDC的CAN口扩展。另外,这些CAN卡支持任意系统的驱动,可在windows、Linux等系统下实现二次开发,接收报文能力高达14000帧/秒,属于工业级产品设计。 三、如何实现远程监控无人配送小车? 随着无人配送行业进程不断推进,总线数据记录和实时定位需求显然尤为重要。同时,试验车和路试都需要不断进行路径和算法的优化。为了能够实时的获取小车CAN-bus的数据,了解无人配送小车的运行状态,如图 3所示,ZLG针对此行业痛点,为行业用户提供“CANDTU系列产品+ZWS-CAN智慧云”方案。 图 3 远程监控无人配送小车方案 CANDTU系列产品,又称“汽车黑匣子”,支持长时间记录、条件记录、预触发记录、定时记录,拥有IP57防护、抗震动。如图 4所示,该产品可以本地记录CAN数据或者通过4G上云传输数据,实现数据的实时监控或者数据下载,另外,带有GPS/北斗定位功能,实时定位小车位置。只需要利用CANDTU配置工具就可以实现上述功能的配置,并可以将记录的文件转换为多种分析软件支持的格式。 图 4 CANDTU系列产品示意图 四、无人配送小车故障排查 无人配送小车电机与各执行机构之间是通过CAN-bus总线通信的,当遇到故障时,如何快速的定位问题进行排查?如图 5所示,为此ZLG提供CANScope分析仪产品和便携式PA2000mini功率分析仪。针对底层线控故障问题,CANScope分析仪可从物理层、链路层和应用层快速定位故障,以便优化线控设计。基于电机效率和整机功耗控制需求,便携式PA2000mini功率分析仪可轻松进行上车测试。 图 5 无人配送小车故障排查方案 如图 6所示,CANScope总线综合分析仪是一款集示波器、网络分析仪、协议分析仪以及可靠性测试工具于一身的CAN总线终极利器,通过数据波形同步查看、眼图等各类分析软件插件,可以从物理层、数据链路层多层次分析定位故障,轻松找到故障原因,一站式解决CAN的所有问题。 图 6 CANScope分析仪示意图 如图 7所示,PA2000mini是一款能进行移动便携测量的功率分析仪,在体积和重量得到进一步优化的同时,功率测量精度还能保证在0.05%,具有120G的超大容量存储,可以同步采集所有相。另外,PA2000mini功率分析仪体积小,带电池,可以持续工作3~4个小时,非常方便在无人配送小车测试现场进行电机效率等测试, 图 7 PA2000mini产品示意图

    时间:2020-07-30 关键词: can-bus 无人配送 总线

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