基于HyperLynx的断路器状态监测无线节点PCB设计

第 34 卷 第 5 期 2011 年 10 月 电 子 器 件 Chinese Journal of Electron Devices Vol． 34 No． 5 Oct． 2011 收稿日期:2011－05－07 修改日期:2011－05－17 Based on HyperLynx the Circuit Breaker Condition Monitoring Wireless Nodes PCB Design XU Yunfei，WU Mingzan* ，LI Zhu (School of Automation，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China) Abstract:Circuit breaker condition monitoring wireless nodes PCB encounters in the design of high-speed signals and high frequency speed signals generated signal integrity problem is becoming more and more serious． This paper uses IBIS model and simulation software Hyperlynx simulated the nodes PCB board of wiring design，and the simula- tion results show that after manual adjusting post PCB signal transmission produces proximal crosstalk about 400 mV，and automatically generating PCB wiring design produces proximal crosstalk about 1 000 mV，can’t satisfy the high-speed PCB design requirements． Thus manually adjusting PCB wiring is superior to automatically generating PCB wiring design． Key words:IBIS model;HyperLynx;PCB EEACC:6140 doi:10． 3969 / j． issn． 1005－9490． 2011． 05． 012 基于 HyperLynx的断路器状态监测无线节点 PCB 许运飞，吴明赞* ，李 竹 (南京理工大学自动化学院，南京 210094) 摘 要:断路器状态监测无线节点 PCB设计中遇到的高频高速信号产生的信号完整性问题越来越突出。使用 IBIS 模型和 Hyperlynx仿真软件对该节点 PCB板布线进行仿真，仿真结果表明经过手工调整布线后 PCB板的信号传输产生的近端串扰约 为 400 mV，而自动生成 PCB布线设计产生的近端串扰约为 1 000 mV，满足不了高速 PCB设计要求。由此可见手动调整后的 PCB布线优于自动生成的 PCB布线设计。 关键词:IBIS模型;HyperLynx;PCB;印刷电路板 中图分类号:TN941 文献标识码:A 文章编号:1005－9490(2011)05－0529－04 随着 GPRS 等多种无线通信技术的普遍使用， 断路器的无线状态监测比以往有线方式的状态监测 具有成本低、可靠性高、灵活性强等优点。无线监测 节点设计中 PCB板设计问题成为主要的难点，主要 是由于 ARM 芯片核心频率的提高，以及高频无线 通信技术的使用，PCB 板设计的信号完整性和干扰 问题越来越严重［1］。本文将高速 PCB 设计理论方 案应用于断路器的状态监测无线节点 PCB 设计中， 以 ARM芯片组成的 PCB设计为主要研究对象。 1 无线监测节点原理介绍 本文设计的断路器状态监测无线节点主要是由 ARM和 GPRS模块组成的，实现断路器状态无线监测 的功能，断路器状态监测无线节点原理框图如图1。 图 1 断路器状态监测无线节点原理框图 ARM芯片选用的是三星的 S3C2440 芯片，自带 的 AD转换接口 AIN0 接收传感器模拟信号(断路器 状态监测信息) ，将该信息存储于 SDRAM中，并通过 串行接口将数据发送给GPRS模块，然后通过 Internet 电 子 器 件 第 34 卷 网络发送至远程监控中心。GPRS模块选用的是西门 子 MC55 模块，它提供了一个串行通信口，作为与 ARM微控制器的通信接口。ARM 微控制器主要通 过串行口发送 AT指令来控制 GPRS模块，同时 GPRS 模块通过该接口向 ARM 微控制器发送数据。采用 ARM微控制器的一个 I /O引脚 GPB0，通过软件延时 方式产生低电平信号进行启动和控制 GPRS模块。 2 自动生成 PCB布线的仿真 本文将自动生成的由 ARM芯片组成的核心 PCB 板在 HyperLynx软件中进行 Boardsim仿真［2］，如图 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 中数据信号 PDATA［24］引脚为例进行仿真，得到仿 真波形图如图 3所示，性能参数仿真结果如表 1。 图 2 自动生成的 PCB布线仿真文件图 图 3 自动生成的 PCB布线仿真波形图 表 1 自动生成的 PCB布线仿真结果 性能参数 自动生成的 PCB布线仿真结果 延迟时间 t 约 0． 3 ns 近端串扰现象 约 1 000 mV 远端串扰现象 约 600 mV 振铃现象 约 450 mV 3 手动布线 PCB的仿真分析 手动调整 PCB布线参数主要通过使用 Linesim 针对高速 PCB 中一些基本参数进行仿真分析后调 整，如 PCB 布线的厚度、宽度、板层介质的介电常 数，以及传输线阻抗匹配端接。这些参数调整可以 使用层叠编辑器来改变制板材料的 Er、层间距离、 布线层厚度，实现手动调整 PCB布线的设计。 3． 1 手动调整 PCB板参数 使用 Linesim进行串扰仿真分析得到可调整的 PCB布线参数主要有耦合区域宽度、线宽、线距、与 参考层的距离。通过调整这些参数，可以将 PCB 布 线产生的串扰现象和信号完整性问题得到解决或者 抑制［4］。 利用 S3C2440 芯片的 IBIS 模型，在 Linesim 中 建立一组基本的待测串扰的传输线模型，如图 4 所 示，得到的仿真波形如图 5(a)所示。 图 4 耦合区域长度为 1 in的传输线串扰仿真模型图 显然，由图 5(a)可以看出串扰现象明显，产生 了明显的抖动，经过手动调整参数后再仿真得到仿 真波形图如图 5(b)所示，串扰现象和传输延迟现象 有明显改善。手动调整参数结果如表 2 所示。 表 2 手动调整 PCB布线参数结果 参数 未调整前 PCB 布线参数值 调整后 PCB 布线参数值 耦合区域长度 1 inch 0． 2 inch 线宽 6 mil 4 mil 线距 8 mil 14 mil 与参考层的距离 10 mil 6 mil 传输延迟时间 t 195 ps 80 ps 串扰现象 明显有，振幅为 531 mV 基本没有 035 第 5 期 许运飞，吴明赞等:基于 HyperLynx的断路器状态监测无线节点 PCB设计 图 5 由表 2 得到调整 PCB后的参数结果如下:线宽 为 4 mil，线距为 14 mil，信号层与参考层之间的距离 为 6 mil，信号层与信号层之间的距离为 14 mil，这样 尽可能避免了串扰的发生，并且使布线间距参数满 足 3 W［5］。 图 6 手动布线 PCB仿真文件图 3． 2 手动布线调整后 PCB板仿真分析 进行上述各项参数以及布线路径调整后，对该 PCB板再进行 Boardsim仿真，同样以其中数据信号 PDATA［24］引脚为例进行仿真，得到仿真结果如图 7 所示，仿真参数结果如表 3。 图 7 手动布线 PCB仿真波形图 表 3 手动布线 PCB仿真结果 性能参数 手动布线 PCB仿真结果 延迟时间 t 约 0． 4 ns 近端串扰现象 约 400 mV 远端串扰现象 约 100 mV 振铃现象 约为 200 mV 4 两种布线方式比较分析 如表 4 所示，通过对两种方式布线仿真结果比 较可以得出，自动生成 PCB布线的传输信号延迟性 比手动布线的延迟性稍好，但传输线阻抗匹配问题 比较严重;自动生成 PCB布线产生的振铃现象很明 显，而手动布线产生的振铃现象得到控制;自动布线 产生的近端串扰振幅达到 1 000 mV，而手动布线产 生的振幅约为 400 mV，远小于 1 000 mV，远端串扰 也得到改善，满足了要求。可见，手动调整后的 PCB 布线优于自动生成的 PCB布线设计。 表 4 两种布线仿真结果比较 性能参数 自动生成的 PCB 布线仿真结果 手动布线 PCB 仿真结果 延迟时间 t 约 0． 3 ns 约 0． 4 ns 近端串扰现象 约 1 000 mV 约 400 mV 远端串扰现象 约 600 mV 约 100 mV 振铃现象 约 450 mV 约 200 mV 最后分别对芯片的每个引脚仿真，通过修改调 试后得到手动调整后的 PCB布线图，如图 8 所示。 135 电 子 器 件 第 34 卷 图 8 手动调整后的 PCB布线图 5 结束语 本文主要介绍了 Hyperlynx 软件在断路器状态 监测无线节点 PCB设计方面的应用，通过自动生成 PCB布线和手动调整布线比较分析来完成 PCB 的 布线设计，进一步优化了 PCB 板的布局布线，最终 得到优化后 PCB板图，体现了高速 PCB设计方式不 同于传统低速 PCB设计。 本文的不足之处在于分析设计中并未将串扰和 信号延迟等信号完整性问题完全解决，只是将其限 制在不干扰 PCB电路板的正常运行，有待于进一步 完善和改进。 参考文献: ［1］ 李成，程晓宇，毕笃彦，等．基于 HyperLynx 的高速 DSP 系统信 号完整性仿真研究［J］．电子器件，2009，(2) :445－451． ［2］ 李广辉，庄奕琪，曾志斌． 基于信号完整性分析的一种视频处 理系统设计［J］．电子器件，2007，(4) :1325－1328． ［3］ 曹燕丽，孟利民．高速电路中传输耦合的反射和串扰仿真［J］． 杭州电子科技大学学报，2009，(5) :96－100． ［4］ 梁龙．基于信号完整性分析的高速 PCB 设计［J］．单片机与嵌 入式系统应用，2010，(10) :12－15． ［5］ 张东，李琼，秦前清． 基于 IBIS 模型的仿真分析在 SDRAM 印 刷电路板设计中的应用［J］．武汉大学学报，2011，(1) :83－87． 许运飞(1986－) ，男，硕士研究生，主要 研究方向为无线传感器网络节点设计 以及高速 PCB设计。 235