Sistem elektronik moden sedang berkembang ke arah pakej kecil, skala besar dan kelajuan tinggi apabila ketumpatan cip menjadi semakin tinggi dalam SLSI (penyepaduan skala sangat besar), yang membawa beberapa masalah yang tidak dapat dielakkan seperti cara menganalisis dan menangani masalah sambungan dan penstakan dalam reka bentuk litar berkelajuan tinggi. Pada masa ini, frekuensi radio produk elektronik mencapai ratusan atau ribuan MHz dan kedua-dua tepi naik dan tepi jatuh menjadi begitu curam sehingga peraturan susun atur PCB dan pemalar dielektrik bahan substrat menjadi amat penting kepada prestasi elektrik sistem dalam proses mereka bentuk produk sedemikian.
Sebagai proses dan langkah penting dalam kebanyakan penyelidikan produk elektronik masa kini,PCB berkelajuan tinggireka bentuk telah melihat isu utama termasuk masalah pemasaan, gangguan hingar dan EMI (gangguan elektromagnet) yang penyelesaiannya berkaitan dengan operasi biasa reka bentuk sistem.
Kini, kaedah reka bentuk tradisional membawa kepada kebolehpercayaan dan kadar kejayaan produk yang rendah, yang memberikan nilai praktikal yang tinggi dan jangkaan pasaran yang luas bagi penyelidikan tentang reka bentuk PCB berkelajuan tinggi dalam sistem aplikasi terbenam.
Rajah 1 menunjukkan rangka fungsi RTU (unit terminal jauh) terbenam.
Daripada Rajah 1, dapat dilihat bahawa sistem ini ialah satu struktur komunikasi menegak yang terdiri daripada lapisan pengumpulan data yang mengandungi unit tenaga elektrik, unit penderia dan unit pengukuran kuantiti analog; lapisan penghantaran data yang mengandungi gerbang (gateway) yang melaraskan data dalam lapisan pengumpulan data melalui arahan daripada pusat jurutera penerima Internet; dan lapisan pemprosesan data yang dilaksanakan oleh perisian pemantauan APP, menyimpan dan menganalisis data secara masa nyata serta menghasilkan lengkung data yang dihadapkan kepada antara muka pengguna supaya fleksibiliti dan kecekapan pengurusan pengumpulan data dipertingkatkan.
Perkakasan sistem RTU IoT terbenam ini terutamanya terdiri daripada USB2.0, pemproses AT91SAM9263, CAN, SDRAM, Nand Flash, Data Flash, pengawal Ethernet, cip jam, antara muka RS232/485, bahagian pengurusan kuasa dan pengumpulan data.
Dikendalikan oleh sistem operasi Linux, reka bentuk ini menampilkan keupayaan yang lebih tinggi dalam pentadbiran memori dan peranti supaya penjadualan masa nyata berbilang misi dapat dilaksanakan, yang mengandungi algoritma dan protokol komunikasi yang kompleks untuk bertanggungjawab ke atas sambungan rangkaian, komunikasi data dan pengumpulan konfigurasi. Rajah 2 ialah papan litar RTU yang direka dalam artikel ini.
Menyokong dwi-tindan IPv6 dan IPv4, sistem ini berupaya melaksanakan kecekapan tindak balas pantas dan keupayaan masa nyata. Dari segi storan data, keperluan storan setempat dapat dipenuhi dalam keadaan gangguan komunikasi. Dari segi antara muka komunikasi, ia menampilkan pelbagai antara muka komunikasi data lapangan termasuk RS485, RS232 dan CAN, menyokong protokol komunikasi Modbus RTU serta memenuhi keperluan antara muka yang berbeza dan kadar komunikasi yang berbeza.
• Reka susunan lapisan PCB sistem
Bilangan lapisan PCB biasanya berada dalam julat 2 hingga 32 berdasarkan tahap kesukaran reka bentuk. PCB 6 lapisan dalam reka bentuk ini ditentukan mengikut ketumpatan pakej komponen, ruang penghalaan susun atur yang kecil dan frekuensi isyarat yang tinggi. IniTaburan lapisan PCBdigambarkan dalam Rajah 3 di bawah.
Konfigurasi jalur jalur strip digunakan untuk FLASH dan SDRAM dalam sistem ini dan perutean dilaksanakan pada Isyarat Dalaman 1 dan Isyarat Dalaman 2.
• Peraturan kekangan PCB dalam sistem ini
Semasa reka bentuk PCB berkelajuan tinggi, kesinambungan impedans dan EMI sangat dipengaruhi oleh jarak, panjang dan lebar wayar serta pemprosesan gelung bersebelahan. Kualiti susun atur dan pendawaian komponen berkait rapat dengan kejayaan reka bentuk akhir, jadi peraturan kekangan PCB mesti digubal dengan munasabah.
Hyper Lynx mempunyai fungsi untuk mengganggu analisis carta dan model IBIS boleh digunakan untuk mensimulasikan penghantaran kehilangan, isyarat pembezaan dan model lubang tembus yang berubah mengikut frekuensi dengan tepat. Rangkaian utama disimulasikan sebelum peroutingan oleh Line untuk menambah baik struktur susunan PCB dan impedans peroutingan dan peraturan kekangan peroutingan rangkaian PCB berkelajuan tinggi direka sebelum keputusan simulasi bagi meningkatkan kecekapan reka bentuk.
• Simulasi PCB bagi sistem ini
Dalam proses reka bentuk PCB berkelajuan tinggi, model talian penghantaran ideal digunakan untuk simulasi terminal hadapan dengan bilangan talian isyarat terhad yang disimulasikan pada satu masa. Walau bagaimanapun, talian penghantaran pada terminal belakang PCB sebenarnya ialah laluan penghalaan PCB dengan pengaruh lubang tembus dan anjakan satah. Dalam keadaan ini, keputusan simulasi yang diperoleh adalah amat boleh dipercayai.
Dalam proses reka bentuk litar teras sistem, rintangan pemadanan terminal bagi isyarat satu terminal dikehendaki berada dalam julat 40 hingga 60Ω dan nilai ambang gangguan silang antara talian isyarat ialah 165mV. Selain itu, untuk membolehkan pengawal rangkaian DM9000 dan DM9161 menyesuaikan diri secara automatik dengan kadar kelajuan komunikasi 100Mbps, impedans pembezaan mestilah berada dalam kategori 100±5Ω.Simulasi PCBdilaksanakan oleh perisian simulasi Hyper Lynx yang dibangunkan oleh Mentor Graphic pada SDRAM, talian pembezaan Ethernet, keutuhan kuasa dan EMC.
a. Reka bentuk SDRAM
Dalam proses reka bentuk talian jalur, gangguan silang dan lubang tembus ialah punca utama yang menyebabkan kelewatan masa. Walaupun PCB disiapkan mengikut peraturan pendawaian yang ditentukan oleh alat simulasi talian, beberapa masalah masih tidak dapat dielakkan seperti terlalu banyak pin komponen dan dimensi PCB yang terhad. Oleh itu, adalah perlu untuk mensimulasikan berbilang rangkaian dengan sewajarnya melalui alat simulasi papan.
Berdasarkan keputusan simulasi, keamatan gangguan silang rangkaian analog EBI_D0 dan EBI_D2 melebihi 165mV. Kedua-dua rangkaian ini memberi serangan kepada EBI_D1 dan mencari tempat gandingan kerana jarak antara jejak berbentuk ular dalam kawasan bertanda kuning tidak sesuai. Ini menunjukkan bahawa peningkatan jarak perutean akan membantu menghapuskan masalah tersebut. Namun, apa yang benar-benar kita ambil berat ialah mengapa rangkaian godaman mengalami gangguan yang begitu kuat. Puncanya mungkin terletak pada pemilihan perintang yang tidak sesuai sehingga menyebabkan ketakserasian impedans. Sehingga kini, rintangan yang ditetapkan bagi perintang penamat ialah 43.1Ω. Dalam keadaan rangsangan 220MHz, gelombang simulasi analisis bagi rangkaian EBI_D1 ditunjukkan dalam Rajah 4 di bawah.
Berdasarkan Rajah 4, ketakselanjaran impedans berlaku pada talian penghantaran EMI_D1 dan herotan berlaku pada gelombang isyarat. Walaupun ia tidak akan menyebabkan kegagalan sistem untuk memulakan, kestabilan operasi produk hampir tidak dapat dijamin. Kembali kepada simulasi papan, lubang tembus dan simulasi kerosakan digunakan untuk menukar rintangan terminal EBI_D0 dan EBI_D1 kepada 46.9Ω. Oleh itu, rajah simulasi gangguan silang selepas perubahan rintangan dipaparkan dalam Rajah 5 di bawah.
Berdasarkan rajah ini, dapat ditunjukkan bahawa isyarat rangkaian telah bertambah baik dan keamatan gangguan yang timbul pada EBI_D1 telah berkurangan dengan ketara.
b. Reka bentuk bas pembezaan Internet
Dengan atribut sambungan berkelajuan tinggi dan 3GIO, modul simulasi papan yang dibangunkan oleh Hyper Lynx menggunakan laluan data bersiri super pantas dan teknologi penyegerakan sumber berasaskan bas isyarat pembezaan, menyediakan skim penyelesaian yang mudah dan sangat berkesan untuk reka bentuk PCB berkelajuan tinggi. Kedua-dua DM9000 dan DM9161 dalam sistem ini mempunyai dua pasangan bas isyarat pembezaan berkelajuan tinggi: TX+, TX- dan RX+, RX- dengan impedans pembezaan sebanyak 100Ω. Menurut teori penghantaran, impedans pembezaan boleh dikira berdasarkan formula:
.
Dalam formula ini, Z merujuk kepada impedans penghantaran bagi setiap talian isyarat, yang mempunyai kesan penting ke atas jarak komunikasi dan keupayaan menahan hingar. Di sini DM9000 dipilih untuk menghantar isyarat berbeza ke rangkaian TP_E_TX+ dan TP_E_TX-. Untuk mengurangkan kesan pantulan, satu perintang 100Ω diletakkan secara selari pada talian isyarat dengan penggunaan lubang tembus.
c. Reka bentuk keutuhan kuasa bagi sistem ini
Rajah 6 ialah model pengagihan kuasa asas di mana arus dihantar ke setiap pembawa melalui lapisan kuasa dan kemudian ke lapisan bumi.
Dalam proses reka bentuk PCB berkelajuan tinggi, penggunaan tenaga dalam setiap unit perlu dikira dalam sistem litar dengan lebar rangkaian kuasa yang diagihkan dengan betul dan diperbesarkan dengan sewajarnya.
Integriti kuasa bagi 6 lapisan boleh diringkaskan seperti berikut: penurunan voltan maksimum ialah 2.1mV, hampir kepada 0.06%; ketumpatan arus maksimum ialah 16.3mA/m²; dalam julat yang sesuai, jika ketumpatan arus melebihi 50 mA/m², suhu PCB akan meningkat, yang mempengaruhi cip utama dan talian isyarat dalam proses operasi. Peningkatan lebar kuprum mampu mengurangkan ketumpatan arus dan peningkatan ketebalan jejak isyarat membantu mengurangkan suhu PCB.
d. Analisis keserasian elektromagnet sistem
Gangguan elektromagnet biasanya dihantar sebagai pembawa bersama isyarat berguna melalui cara gandingan. Dalam reka bentuk ini, perisian simulasi Hyper Lynx digunakan untuk menganalisis keamatan radiasi PCB selepas reka bentuk awal. Talian isyarat penting, D4, dipilih antara ARM9 dan SDRAM dengan kedudukan probe masing-masing pada 3m dan 10m. Di bawah keadaan sumber rangsangan 220MHz, kedua-dua data simulasi piawaian antarabangsa FCC dan CISPR boleh diperoleh, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 7 di bawah.
Berdasarkan keputusan simulasi, jarak yang pendek ke PCB menyebabkan pancaran tinggi daripada papan litar dan pancaran tersebut berubah mengikut perubahan frekuensi isyarat. Dalam proses reka bentuk litar berkelajuan tinggi, anti-gangguan PCB boleh dioptimumkan manakala pancaran hingar perlu dikurangkan.
