UM-BUS總線傳輸系統的建模與仿真*

王 釗，張偉功

（1.首都師范大學 信息工程學院，北京100048；2.北京市高可靠嵌入式系統技術工程研究中心，北京100048）

UM-BUS總線傳輸系統的建模與仿真*

王 釗1，2，張偉功1，2

（1.首都師范大學 信息工程學院，北京100048；2.北京市高可靠嵌入式系統技術工程研究中心，北京100048）

UM-BUS（動態可重構高速串行總線）是一種基于故障實時檢測和動態重構的新型多通道高速串行總線。UM-BUS總線的傳輸介質為屏蔽雙絞線，傳輸通道采用MLVDS（TIA/EIA-899-2002）信號傳送方式，能夠支持多個節點設備直接連接?；趥鬏斁€理論，采用Hyperlynx建立了UM-BUS總線物理線路的電阻隔離型、電容隔離型、阻容隔離型3種傳輸模型，并對仿真眼圖及實測眼圖進行了分析，確定了UM-BUS總線物理鏈路模型，為進一步研究UM-BUS總線傳輸系統提供了支持。

建模；仿真；眼圖；動態可重構高速串行總線；Hyperlynx

0 引言

動態可重構高速串行總線（UM-BUS）是一種基于故障實時檢測和動態重構的新型多通道高速串行總線。該總線具有線路動態檢錯功能，能夠實時檢測總線系統線路狀況，并能根據線路狀況將通信數據動態均衡地分配到健康的傳輸線路上，實現了通信線路冗余容錯與高速傳輸的有機統一。UM-BUS總線采用多點低電壓差分信號(Multipoint-Low-Voltage Differential Signaling，M-LVDS)傳輸技術[1]，這種傳輸方式可滿足多節點直接連接的需求，提高信號的傳輸速度和信號的抗噪能力。UM-BUS總線采用100 Ω屏蔽雙絞線作為傳輸介質，信息傳輸速率為100 Mb/s。然而UM-BUS總線傳輸系統在傳輸信號時，信號波形易發生畸變，對傳輸質量有很大的影響[2]。因此，應尋找合適的傳輸鏈路模型和參數來提高總線信號傳輸的可靠性。本文在Hyperlynx中對UM-BUS總線的物理層進行建模，搭建3種耦合鏈路模型：電阻型鏈路模型、電容型鏈路模型、電阻電容型鏈路模型，將以上這3種模型進行建模仿真分析與實際測量，確定電阻電容型鏈路模型是傳輸質量最優的鏈路模型，對UM-BUS總線起到全面的故障隔離的作用，波形畸變較小，誤碼

率較低，提高了UM-BUS總線的可靠性。

1 UM-BUS總線概述

UM-BUS總線采用多線路并發冗余的總線型拓撲結構，如圖1所示。UM-BUS采用節點直接互連方式，與通常高速串行總線相比不需要中繼與路由器等。UMBUS總線最多可以連接30個總線節點設備，節點可分為主控節點、從節點和監視節點3種，每個主控節點與從節點都分配一個唯一的5位節點地址。主控節點地址只能為0～7，從節點地址可以是1～30的任意地址，節點地址0和31目前保留，未來可作為廣播消息、中斷消息等擴展。

圖1 UM-BUS總線拓撲結構

UM-BUS使用多通道并發傳送方式，這些并發通道同時又互為冗余備份。UM-BUS支持2～32條通道（lane）初始配置，為保證總線的基本容錯能力，硬件上需要配置至少2條通信通道，為避免總線信號數量增加導致總線尺寸與管理復雜度的過度增加，UM-BUS總線最多支持32通道并發傳輸與動態冗余[3]。正常情況下，通信過程中，總線控制器會將通信數據包按字節順序均勻分配到所有通信通道上，如果某一通道或幾個通道出現故障，總線控制器會實時檢測故障，將通信數據動態均衡地分配到其他健康通道上進行傳送，實現對總線通道故障和節點電路故障的動態容錯。UM-BUS總線通道采用 MLVDS（TIA/EIA-899-2002）信號傳送方式，單通道傳送速率最高為200 Mb/s，總線通道連接方式如圖2所示?？偩€連接電纜采用的是屏蔽雙絞線纜，通道線纜長度最大為40 m。

圖2 UM-BUS總線通道物理連接模型

2 傳遞函數研究

UM-BUS總線傳輸系統中所采用的傳輸線為雙絞線。對于雙絞線的分析方法通常有兩種[4]：(1)場分析法，即從麥克斯韋爾方程出發，求出滿足邊界條件的波動解，得出傳輸線上電場和磁場的表達式，進而分析傳輸特性；(2)等效電路法，即從傳輸線方程出發，求出滿足邊界條件的電壓、電流波動方程的解,得出沿線等效電壓、電流的表達式，進而分析傳輸特性。前一種方法數學上比較繁瑣，后一種方法實質是在一定的條件下“化場為路”，有足夠的精度，數學上較為簡便，因此被廣泛采用。當傳輸線的長度l與工作頻率所對應的波長λ可相比擬時，也就是說滿足l≥λ/100時，就是所謂的相比擬，而UM-BUS總線傳輸系統的頻率為 100 MHz，電磁場中有線的傳輸速度是接近光速的，λ=c/f=3，滿足相比擬的條件l≥3/100，滿足第二種方法，也就是用“化場為路”的思想來研究傳輸線。這樣，便可建立起傳輸線的電路模型——分布參數模型。

如圖3中分布參數等效電路圖，根據基爾霍夫定律可得：

圖3 均勻傳輸線的分布參數模型

式(1)為電報方程。對于時諧電壓和電流，可用復振幅表示為：

將上式代入式(1)，即可得時諧傳輸線方程：

式中：Z=R+jωL、Y=G+jωC分別稱為傳輸線單位長度的串聯阻抗和單位長并聯導納。

由此，得出UM-BUS總線傳輸系統的傳輸方程為式(5)和(6)，傳輸方程正確與否需要利用 MATLAB進行計算，確定其數值符合MLVDS應用手冊中的規定。雙絞線各項參數如表1所示，ANSI_TPI AWG26[5]是 UM-BUS總線所采用雙絞線型號。其中雙絞線電阻為0.286 Ω/m，根據式(5)和(6)，使用MATLAB得出分布電阻與電壓的關系圖如圖4所示，為當分布電阻為 0.0286 Ω時，它的輸出電壓為 625 mV，根據 MLVDS應用手冊[6]中的規定，MLVDS在工作時標準輸出電壓為 450～650 mV，可見輸

出電壓為625 mV，符合MLVDS工作標準。同理通過計算分析后，確定分布電容和分布電感都符合MLVDS[6]應用手冊的標準，因此將以上數據用于UM-BUS總線的仿真建模和實際系統中，為總線傳輸系統提供理論基礎。

表1ANSI_TPIAWG26雙絞線數值參數

圖4 分布電阻與電壓的關系圖

3 UM-BUS總線系統仿真與實測

3.1 電阻型鏈路模型

通過對UM-BUS總線傳輸系統的傳輸方程進行計算及分析，確定了分布電阻、分布電容、分布電感，基于此對UM-BUS總線傳輸系統的雙絞線進行建模，根據MLVDS應用手冊[6]規定的傳輸模型拓撲結構，在 UMBUS總線傳輸系統的發送端和接收端串聯電阻，將這種模型稱之為電阻型鏈路模型。如圖5所示為 Hyperlynx中搭建的UM-BUS總線電阻型鏈路仿真模型圖，其中UM-BUS總線的傳輸系統的發送端與接收端采用 TIA/ EIA-899(MLVDS)的SN65MLVD201系列的IBIS模型。雙絞線的具體參數如表1所示。

圖5 UM-BUS總線電阻型鏈路的傳輸模型

對UM-BUS總線電阻型鏈路模型的傳輸系統進行仿真和分析，得到該仿真傳輸模型的眼圖。如圖6所示為UM-BUS總線電阻型鏈路仿真模型的眼圖，可見眼圖的睜開度良好，眼寬和眼高符合標準眼圖的規定，失真很??；如圖7所示為UM-BUS總線電阻型鏈路傳輸系統實測的眼圖，同理可以看出它的眼睛張開度很大，眼高眼寬均在正常范圍，產生的畸變很小，抖動不大，浴盆曲線中所反映的誤碼率達到了 10-12。由此可見電阻型鏈路模型的傳輸質量良好。然而若采用這種傳輸模型，一旦發生短路，就會引起芯片的燒毀，甚至蔓延整個電路。產生這種問題的主要原因是由于該模型中的保護電阻雖然起到了一定的故障隔離作用，但是為保證UM-BUS總線傳輸網絡的正常運行，通過大量實驗證明，隔離電阻不能選用超過50 Ω以上的電阻，同時也確定了保護電阻在33 Ω時傳輸質量最好，如表1所示。然而這個阻值不大的保護電阻在大電流的作用下很難保護芯片，極其容易發生短路，嚴重的包括對地、電源發生的短路，這種情況極易引起整個電路的燒毀。

圖6 UM-BUS總線電阻型鏈路仿真模型的眼圖

圖7 UM-BUS總線電阻型鏈路傳輸系統的眼圖

3.2 電容型鏈路模型

基于上節UM-BUS總線的電阻電容型鏈路傳輸模型的討論，可以發現信號在該模型中的傳輸質量很好，但它的故障隔離的功能很弱。為提高傳輸模型故障隔離的能力，提出新的方案：將上述電阻模型的端接電阻換為保護電容，將這種模型稱之為電容鏈路模型，如圖8所示為UM-BUS總線傳輸系統電容型鏈路仿真模型，該模型中的保護電容會彌補電阻型鏈路模型的不足，若是發生短路，電容會立刻斷開，保護芯片和電路不會被燒毀。在電容型鏈路模型中，該模型的保護電容為10 nF。

圖8 UM-BUS總線電容型鏈路的傳輸模型

對UM-BUS總線電容型鏈路模型的傳輸系統進行建模仿真和分析，得出該仿真傳輸模型的眼圖。如圖9所示為UM-BUS總線電容型鏈路仿真模型的眼圖，眼圖

張開度較好，波形衰減??；而且電容型鏈路模型可以起到故障隔離的功能，在發生故障時，防止這種故障蔓延。然而在本方案中將電容代替了電阻，沒有按照MLVDS應用手冊[6]規定的拓撲結構來搭建傳輸系統。因此即使電容型鏈路模型具有故障隔離的功能，但傳輸波形質量不好。如圖10 UM-BUS總線電容型鏈路傳輸系統的眼圖所示，在電容型鏈路傳輸系統中很容易發生波形畸變，產生信號完整性問題，例如反射、串擾等問題，這些問題極容易造成波形的畸變，影響系統的傳輸質量。

圖9 UM-BUS總線電容型鏈路仿真模型的眼圖

圖10 UM-BUS總線電容型鏈路傳輸系統的眼圖

3.3 電阻電容型鏈路模型

綜合以上兩種方案，結合電阻型鏈路模型和電容型鏈路模型的優勢，提出一種既能保證傳輸波形的質量又具有故障隔離功能的傳輸模型：在MLVDS的收發兩端串聯保護電容和保護電阻，稱之為電阻電容型鏈路模型，如圖11所示為UM-BUS總線電阻電容型鏈路的仿真模型，保護電阻為200 Ω，保護電容為100 nF。

圖11 UM-BUS總線電阻電容型鏈路的傳輸模型

對UM-BUS總線電阻電容型鏈路模型的傳輸系統進行建模仿真和分析，得出該仿真傳輸模型的眼圖。如圖12 UM-BUS總線電阻電容型鏈路仿真模型眼圖，該眼圖眼睛的張開度良好，發生的畸變較小，噪聲可以忽略。如圖13 UM-BUS總線電阻電容型鏈路傳輸模型眼圖所示，可見仿真測得的眼圖與實測測得的眼圖一致。結合了以上兩種方案的優點，電阻電容型鏈路模型有保護電阻的保護，可以保證總線的傳輸質量；其次有保護電容的保護，若是發生短路，保護電容對電路起到了故障隔離作用，防止電路和芯片被燒毀，防止故障的蔓延。由此可見，該模型既滿足了傳輸質量高的要求，也發揮故障隔離的功能，保護好電路和芯片不被燒毀。

圖12 UM-BUS總線電阻電容型鏈路仿真模型眼圖

圖13 UM-BUS總線電阻電容型鏈路傳輸模型眼圖

4 結束語

本文根據對傳輸線理論的研究，采用雙絞線的分布參數模型，對UM-BUS總線傳輸系統的雙絞線進行分析計算，得到傳遞方程，進而對雙絞線進行建模，在此基礎上對3種故障隔離電路進行了建模仿真。通過仿真發現，首先電阻型鏈路模型雖然傳輸質量良好，但是缺乏故障隔離功能；其次電容型鏈路模型雖然能起到故障隔離的作用，但卻不能保證UM-BUS總線的傳輸質量；最終選擇了電阻電容模型作為UM-BUS總線的傳輸模型，該模型綜合了以上兩種傳輸模型的優點，既能保證有良好的傳輸質量，又可以起到故障隔離的作用。UM-BUS總線仿真模型與實際測量傳輸質量均良好。本文研究為進一步研究UM-BUS總線傳輸系統提供支持，其可靠性大大提升。

[1]TI.Introduction to M-LVDS(TIA/EIA-899)[R].Application Report SLLA108-February 2002.

[2]杜瑞，張偉功，鄧哲.一種新型總線中并行 CRC算法的設計與實現[J].計算機工程與設計，2013，34(1)：131-135.

[3]鄧哲，張偉功，杜瑞.動態可重構總線數據傳輸管理方法設計與實現[J].計算機工程，2013，39(1)：264-269.

[4]李瀚蓀.簡明電路分析基礎[M].北京：高等教育出版社，2002.

[5]宋娟，王立德，嚴翔，等.列車控制網絡專用雙絞線傳輸特性的研究[J].鐵道學報，2012(3)：61-67.

[6]TI.AN-1926 an introduction to M-LVDS(TIA/EIA-899) clock and data distribution applications[R].Application Report SNLA113B-November 2008-Revised April 2013.

Modeling and simulation of UM-BUS transmission system

Wang Zhao1，2，Zhang Weigong1，2
（1.College of Information Engineering,Capital Normal University,Beijing 100048，China；2.Beijing Engineering Research Center of High Reliable Embedded System,Beijing 100048，China）

UM-BUS(dynamic reconfigurable high-speed serial bus)is a real-time fault detection and dynamic reconfiguration based on a new type of multi-channel high-speed serial bus.UM-BUS uses shielded twisted pair as transmission medium,transmission channel uses MLVDS(TIA/EIA-899-2002)signal transmission method,supporting a direct connection of a plurality of node devices.Based on transmission line theory,Hyperlynx is used to establish three transmission models of UM-BUS bus isolated physical line，which are resistance,capacitance isolated and RC isolated.And simulation of the eye and the eye diagram measurement are analyzed to determine the UM-BUS bus physical link model.This work provides support for further study of UM-BUS bus transport system.

modeling；simulation；eye diagram；dynamic reconfigurable high-speed serial bus；Hyperlynx

TN914

A

0258-7998(2015)04-0032-04

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.04.005

2014-11-21)

王釗(1989-)，女，碩士研究生，主要研究方向：高可靠嵌入式系統設計。

國家自然科學基金項目（61170009）；北京市自然科學基金項目（4132016）；北京市屬高等學校創新團隊建設與教師職業發展計劃項目(京教人[2012]14)

張偉功(1967-)，通信作者，男，博士，研究員，主要研究方向：高可靠嵌入式系統設計，E-mail：zwg771@cnu.edu.cn。