一種多傳感器信息融合的多點處理解決方案

大多數(shù)網(wǎng)絡系統(tǒng)的核心是一個用于處理數(shù)字輸入并生成額外輸出的處理器。選擇合適的處理解決方案常常是系統(tǒng)決策的第一步。緊隨處理器選擇之后的是選擇正確的驅(qū)動器與接收器。本文著重介紹選擇這些器件時的考慮因素。多路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在選擇一種處理器時,人們常常關(guān)心的是時鐘速度、存儲器及MIPS。但對于驅(qū)動器與接收器來說,還必須規(guī)定拓撲、信號傳輸速率與距離、以及功耗與互換性。拓撲是指互連的節(jié)點數(shù)量。大多數(shù)基本拓撲都是包括一個驅(qū)動器與一個接收器的點對點(單工)拓撲。由于驅(qū)動器與接收器之間的路徑不復雜,因此單工可提供最高的信號質(zhì)量。設(shè)計者常常用帶單工接口的時鐘分配樹來提高信號完整性。當接口速率高于數(shù)百Mbps時,單工架構(gòu)也是一種較好的選擇。RS-232及LVDS(TIA/EIA-644)即為單工標準。多路及多點為復雜程度更高的驅(qū)動器/接收器拓撲。多路是指一個驅(qū)動器與多個接收器通信。超過一個接收器時需采用主總線分出的抽頭。這些抽頭會產(chǎn)生不連續(xù),從而使信號質(zhì)量下降。LVDS(TIA/EIA-644-A)最近經(jīng)過改進后可支持多路工作。多點架構(gòu)擁有多個與一個(或多個)接收器相連的驅(qū)動器。當總線上有多個節(jié)點需要成為活動發(fā)射器時,即選擇多點架構(gòu)。工控應用可能擁有互連的多個電機、傳感器與處理器,需要共享速度、位置及溫度信息以便處理器發(fā)出正確的扭矩與位置命令。RS-485及M-LVDS即為兩項多點工業(yè)標準。規(guī)定拓撲后,即必須規(guī)定信號傳輸速度。時鐘信號以MHz表示,而數(shù)據(jù)傳輸則以Mbps表示。乘以2即可將以MHz表示的時鐘速度轉(zhuǎn)換成以Mbps表示的數(shù)據(jù)傳輸速率。傳輸距離是另一項重要參數(shù)。很多驅(qū)動器與接收器都專門針對短距離應用而設(shè)計。這些限制源自于所采用的信號傳輸(單端比差分)、電壓電平與接收器的共模電壓范圍。信號傳輸速率與傳輸距離之間存在著倒數(shù)關(guān)系。對于大多數(shù)器件來說,信號傳輸速率會隨距離增加而減小。這種倒數(shù)關(guān)系是由于存在符號間干擾(ISI)。電纜及其腐蝕會濾掉從驅(qū)動器出來的信號的陡峭邊緣,從而導致在線的另一端引起干擾的單獨位脈沖。這種ISI可量化為抖動。抖動幅度隨距離增加而增加。假設(shè)可接受抖動的幅度恒定(以位周期的百分比表示),則很容易了解這種倒數(shù)關(guān)系。其他需考慮的參數(shù)包括功耗與互換性。需要規(guī)定器件在加載條件下所消耗的電流。當有替代解決方案時,通常選擇功耗較低的解決方案?；Q性是指標準器件以及公共占板面積或引腳。標準器件通常優(yōu)于專用解決方案。標準接口允許設(shè)計不同的子系統(tǒng),并能進行平滑集成。標準器件與公共占板面積可確保原有器件與替代器件的互換性。圖像傳輸mss可用驅(qū)動器與接收器的選擇相當困難。但幸運的是,可迅速縮小可行解決方案的范圍。首先采用拓撲,必須了解,單工、多路及多點器件代表著更高的可用性,故可在單工或多路應用中使用多路器件。反之未必正確,雖然也可用多點器件來解決單工、多路及多點問題,但此時須考慮最大信號傳輸速率。試圖實現(xiàn)一種Gbps的多路系統(tǒng)將很可能失敗。多路與多點設(shè)計通常會限制在數(shù)百Mbps數(shù)據(jù)速率上。在多種替代器件間進行選擇時,必須同時最佳地考慮信號傳輸速率與傳輸距離。圖1顯示不同器件的信號傳輸速率與傳輸距離。如圖1所示,信號傳輸速率隨距離增加而減小。從左下角開始,通用、單端邏輯(BTL、GTL及GTLP)可以高達50Mbps的速率提供小于1米的覆蓋距離。當傳輸距離較長時,則需要使用更為穩(wěn)健的驅(qū)動器。對于速率小于100Kbps及距離長達20米的數(shù)據(jù)傳輸,可采用RS-232器件。RS-232器件為單端輸入并采用大電壓擺幅,因而可獲得更高的傳輸功率。當設(shè)計要求傳輸距離大于1米及傳輸速率高于100Kbps時,需采用差分信號。要想使單端信號速率大于100Kbps,則需要有很陡的驅(qū)動器斜率。差分信號具有內(nèi)在的噪聲抑制(由于接收器共模噪聲抑制),因此允許有更小的電壓擺幅。RS-422(多路)及RS-485(多點)可以50Mbps的速率工作,并能在更低的速率上達到大于1公里的傳輸距離。如果要求有更高的傳輸速率,可使LVDS器件在數(shù)Gbps速率上工作。LVDS采用小差分信號,這種信號允許進行更快的開關(guān),但將傳輸距離限制在數(shù)十米以內(nèi)。LVDS的變體—M-LVDS,可提供高達500Mbps的數(shù)據(jù)速率,并將LVDS的適用范圍擴展至多點及重負載背板。隨著傳輸速率超過2Gbps,可用解決方案包括PECL及CML器件。這些器件繼續(xù)確立了高速信號傳輸?shù)臉藴?但要求有更高的負載電流。最后請注意圖1中的幾點。首先,可使用速度較高及傳輸距離較遠的器件來解決低速率及短距離問題?？蓪VDS解決方案用于在背板4英寸范圍內(nèi)分配1MHz的時鐘—正如RS-422或RS-485一樣。LVDS解決方案較低的電磁輻射常使其成為解決這種問題的首選方案。在考慮器件信號傳輸速率時,重要的是須注意,最大信號傳輸速率可能需要根據(jù)最小可接受參數(shù)質(zhì)量(如輸出電壓、過渡時間及抖動等)來確定。標準雖未給出這些參數(shù)間的關(guān)系,但可運用經(jīng)驗。為保證最佳工作,當用隨機數(shù)來測試時,過渡時間應限制為小于位時間的50%,器件抖動則應限制為位時間的10-20%。這些經(jīng)驗有助于在系統(tǒng)級保證有充分的信號電壓與時序余量。圖2為遵循這些建議的SN65LVDS100(2GbpsLVDS轉(zhuǎn)發(fā)器)器件眼圖,其中輸入為2Gbps隨機數(shù),輸出抖動為55ps(源抖動為25ps),而過渡時間則為160ps。驅(qū)動器功耗與信號電壓有關(guān)。RS-485擁有+/-2V的擺幅,而M-LVDS則擁有+/-0.6V的擺幅。例如,在一個要求以10Mbps速度及10米距離進行多點傳輸?shù)脑O(shè)計中,采用M-LVDS及RS-485均可。對于單通道工作,較好的選擇是SN65MLVD201及SN65HVD20。這兩種器件可提供同樣的占板面積、遵循標準并滿足指標要求。在使用SN65HVD20時,所需功率為使用SN65MLVD201時功率的四倍。SN65HVD20中的額外功率用來產(chǎn)生一個電壓更高的信號。盡管這種應用可能不需要這么大的功率,但當傳輸距離超過10米時會很有用。事實上,SN65HVD20允許以