Recherche sur la conception de circuits imprimés à grande vitesse dans les systèmes d'application embarqués

Le système électronique moderne se développe dans la tendance des petits boîtiers, à grande échelle et à grande vitesse, car la densité des puces devient de plus en plus importante dans SLSI (intégration à très grande échelle), ce qui entraîne des problèmes inévitables tels que comment analyser et traiter avec les problèmes d'interconnexion et d'empilement dans la conception de circuits à grande vitesse. À l'heure actuelle, la fréquence radio des produits électroniques atteint des centaines ou des milliers de MHz et le front montant et le front descendant deviennent si raides que les règles de disposition des PCB et la constante diélectrique du matériau du substrat sont extrêmement cruciales pour les performances électriques du système dans le processus de conception. ces produits.

En tant que processus et étape importants dans la majorité des recherches actuelles sur les produits électroniques, la conception de circuits imprimés à grande vitesse a rencontré les principaux problèmes, notamment le problème de synchronisation, les interférences de bruit et les EMI (interférences électromagnétiques) dont les solutions sont liées au fonctionnement normal de la conception du système. /P>

Aujourd'hui, les méthodes de conception traditionnelles entraînent une faible fiabilité et un faible taux de réussite des produits, qui offrent une valeur pratique élevée et de larges attentes du marché pour la recherche sur la conception de PCB à grande vitesse dans le système d'application embarqué.

Conception du schéma système

La figure 1 montre le cadre de fonction du RTU intégré (unité terminale à distance).

À partir de la figure 1, on peut voir que ce système est une structure de communication verticale composée d'une couche d'accumulation de données contenant une unité d'énergie électrique, une unité de capteur et une unité de mesure de quantité analogique, une couche de transmission de données contenant une passerelle qui ajuste les données dans la couche d'accumulation de données via le commande du centre d'ingénierie de réception Internet et de la couche de traitement des données qui est mise en œuvre par le logiciel de surveillance APP, stocke et analyse les données en temps réel et crée des courbes de données face à l'interface utilisateur afin d'augmenter la flexibilité et l'efficacité de l'administration de l'accumulation de données.

Cadre matériel du système RTU

Ce matériel de système IoT RTU intégré se compose principalement de USB2.0, processeur AT91SAM9263, CAN, SDRAM, Nand Flash, Flash de données, contrôleur Ethernet, puce d'horloge, interface RS232/485, administration de l'alimentation et pièces d'accumulation de données.

Exploité par le système d'exploitation Linux, cette conception offre des capacités supérieures d'administration de la mémoire et des appareils afin que la planification en temps réel multi-missions soit implémentée contenant un algorithme complexe et un protocole de communication pour être responsable de la connexion réseau, de la communication des données et de l'accumulation de la configuration. La figure 2 est le circuit imprimé RTU conçu dans cet article.

Prenant en charge la double pile IPv6 et IPv4, ce système est capable de mettre en œuvre la rapidité et la capacité en temps réel. En termes de stockage de données, l'exigence de stockage local peut être satisfaite sous condition de bloc de communication. En termes d'interface de communication, il dispose de différentes interfaces de communication de données sur le terrain, notamment RS485, RS232 et CAN, prenant en charge le protocole de communication Modbus RTU et répondant aux exigences de différentes interfaces et de différents taux de communication.

Conception PCB du système RTU

• PCB empilant la conception du système

Le nombre de couches de PCB est généralement compris entre 2 et 32 ​​en fonction de la difficulté de conception. Le circuit imprimé à 6 couches dans cette conception est déterminé en fonction de la densité du boîtier de composants, de l'espace de routage réduit et de la fréquence de signal élevée. Cette distribution de couche PCB est illustrée dans la figure 3 ci-dessous.

La configuration des lignes à bande est reprise pour FLASH et SDRAM dans ce système et le routage est implémenté sur Inner Signal 1 et Inner Signal 2.

• Règles de contrainte PCB dans ce système

Lors de la conception de circuits imprimés à grande vitesse, la continuité d'impédance et les EMI sont fortement influencés par l'espacement, la longueur et la largeur des fils et le traitement adjacent des boucles. La qualité de la disposition et du routage des composants est liée au succès de la conception finale, de sorte que les règles de contrainte du PCB doivent être raisonnablement adoptées.

Hyper Lynx dispose d'une fonctionnalité d'interférence avec l'analyse graphique et le modèle IBIS peut être appliqué pour simuler avec précision la transmission de perte, les signaux différentiels et le modèle de trou traversant qui change avec la fréquence. Le réseau principal est simulé avant le routage par la ligne pour améliorer la structure d'empilement des PCB et l'impédance de routage et les règles de contrainte de routage du réseau PCB à grande vitesse sont conçues avant le résultat de la simulation pour augmenter l'efficacité de la conception.

• Simulation PCB de ce système

Dans le processus de conception de circuits imprimés à grande vitesse, un modèle de ligne de transmission idéal est appliqué pour la simulation du terminal avant avec des lignes de signal limitées simulées une seule fois. Les lignes de transmission au niveau de la borne arrière du PCB, cependant, sont en fait des lignes de routage de PCB avec l'influence du trou traversant et du décalage des plans. Dans ces circonstances, le résultat de simulation obtenu est extrêmement fiable.

Dans le processus de conception du circuit central du système, la résistance d'adaptation de borne du signal à borne unique doit être comprise entre 40 et 60 Ω et la valeur de seuil de diaphonie entre les lignes de signal de 165 mV. De plus, afin de rendre les contrôleurs de réseau de DM9000 et DM9161 auto-adaptables pour le taux de vitesse de communication de 100Mbps et l'impédance différentielle doit être dans la catégorie de 100±5Ω. La simulation de PCB est mise en œuvre par le logiciel de simulation Hyper Lynx développé par Mentor Graphic sur SDRAM, lignes différentielles Ethernet, intégrité de l'alimentation et CEM.

un. Conception SDRAM

Dans le processus de conception de la ligne triplaque, la diaphonie et le trou traversant sont les principales causes de retard. Même si le PCB est complété conformément aux règles de routage déterminées par les outils de simulation de ligne, certains problèmes sont inévitables, tels que trop de broches de composant et une dimension de PCB limitée. Par conséquent, il est nécessaire de simuler de manière appropriée plusieurs réseaux via des outils de simulation de carte.

D'après le résultat de la simulation, l'intensité de la diaphonie des réseaux analogiques EBI_D0 et EBI_D2 est supérieure à 165 mV. Les deux réseaux attaquent EBI_D1 et recherchent un lieu de couplage car l'espacement est inadapté entre les lignes en forme de serpent dans la zone de marquage jaune. On peut illustrer que l'augmentation de l'espacement de routage aidera à éliminer ce problème. Cependant, ce qui nous intéresse vraiment, c'est pourquoi le réseau de piratage subit de si fortes interférences. La raison réside peut-être dans le choix d'une résistance inadaptée conduisant à une impédance non adaptée. Jusqu'à présent, la résistance déterminée de la résistance de terminaison est de 43,1Ω. Dans la condition d'excitation de 220MHz, l'onde de simulation d'analyse du réseau EBI_D1 est représentée sur la figure 4 ci-dessous.

Sur la base de la figure 4, une discontinuité d'impédance a lieu sur la ligne de transmission EMI_D1 et une déformation a lieu pour signaler les ondes. Bien qu'une défaillance du système de démarrage ne puisse pas être causée, la stabilité du fonctionnement du produit ne peut guère être garantie. De retour à la simulation de carte, les trous traversants et la simulation endommagée sont appliqués pour changer la résistance terminale de EBI_D0 et EBI_D1 en 46,9 Ω. Par conséquent, le diagramme de simulation de la diaphonie après le changement de résistance est affiché dans la figure 5 ci-dessous.

Sur la base de cette figure, il peut être illustré que le signal du réseau a été amélioré et que l'intensité des interférences suscitées sur EBI_D1 a été évidemment réduite.

b. Conception de bus différentiel Internet

Avec des attributs d'interconnexions haute vitesse et 3GIO, le module de simulation de carte développé par Hyper Lynx applique un chemin de données série ultra rapide et une technologie de synchronisation de source basée sur un bus de signal différentiel, fournissant un schéma de résolution pratique et très efficace pour la conception de PCB à grande vitesse. Les DM9000 et DM9161 de ce système ont deux paires de bus différentiels de signal à grande vitesse :TX+, TX- et RX+, RX- avec une impédance différentielle de 100 Ω. En raison de la théorie de la transmission, l'impédance différentielle peut être calculée selon la formule :.

Dans cette formule, Z fait référence à l'impédance de transmission de chaque ligne de signal, ayant un effet crucial sur la distance de communication et la capacité de résistance au bruit. Ici, DM9000 est capté pour transmettre le différentiel au réseau TP_E_TX+ et TP_E_TX-. Afin de réduire l'effet de réflexion, une résistance de 100Ω est placée parallèlement aux lignes de signal avec des trous traversants appliqués.

c. Conception de l'intégrité de l'alimentation de ce système

La figure 6 est un modèle de base de distribution d'énergie dans lequel le courant est transmis à chaque porteuse via les couches d'alimentation, puis vers la couche de masse.

Dans le processus de conception de circuits imprimés à grande vitesse, la consommation d'énergie de chaque unité doit être calculée dans le système de circuit avec la largeur du réseau électrique correctement distribuée et convenablement amplifiée.

L'intégrité de puissance de 6 couches peut être résumée comme suit :la chute de pression maximale est de 2,1 mV, proche de 0,06 %; la densité maximale de courant est de 16,3 mA/m² ; dans une catégorie appropriée, si la densité de courant dépasse 50 mA/m², la température du PCB augmentera, ce qui influence la puce principale et les lignes de signal en cours de fonctionnement. L'augmentation de la largeur du cuivre est capable de diminuer la densité de courant et l'augmentation de l'épaisseur des fils de signal est utile pour la diminution de la température du PCB.

ré. Analyse de compatibilité électromagnétique du système

Les interférences électromagnétiques sont généralement transmises sous forme de porteuse avec des signaux utiles dans la voie du couplage. Dans cette conception, le logiciel de simulation Hyper Lynx est appliqué pour analyser l'intensité de rayonnement du PCB après la conception préliminaire. La ligne de signal cruciale, D4, est captée entre ARM9 et SDRAM avec des positions de sonde 3m et 10m respectivement. Dans la situation d'une source d'excitation de 220 MHz, les données de simulation des normes internationales FCC et CISPR peuvent être obtenues, illustrées à la figure 7 ci-dessous.

Sur la base du résultat de la simulation, la courte distance au PCB entraîne un rayonnement élevé de la carte de circuit imprimé et le rayonnement change avec le changement des fréquences du signal. Dans le processus de conception de circuits à grande vitesse, l'anti-interférence PCB peut être optimisée tandis que le rayonnement sonore doit être réduit.

Ressources utiles
• Conseils de mise en page à grande vitesse
• Techniques de routage de PCB à grande vitesse pour réduire l'influence des EMI
• Malentendus et stratégies sur la conception de PCB à grande vitesse
• Composants intégrés Technologie de fabrication de circuits imprimés
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