UM-BUS总线传输系统的建模与仿真*

王 钊，张伟功

（1.首都师范大学 信息工程学院，北京100048；2.北京市高可靠嵌入式系统技术工程研究中心，北京100048）

UM-BUS总线传输系统的建模与仿真*

王 钊1，2，张伟功1，2

（1.首都师范大学 信息工程学院，北京100048；2.北京市高可靠嵌入式系统技术工程研究中心，北京100048）

UM-BUS（动态可重构高速串行总线）是一种基于故障实时检测和动态重构的新型多通道高速串行总线。UM-BUS总线的传输介质为屏蔽双绞线，传输通道采用MLVDS（TIA/EIA-899-2002）信号传送方式，能够支持多个节点设备直接连接。基于传输线理论，采用Hyperlynx建立了UM-BUS总线物理线路的电阻隔离型、电容隔离型、阻容隔离型3种传输模型，并对仿真眼图及实测眼图进行了分析，确定了UM-BUS总线物理链路模型，为进一步研究UM-BUS总线传输系统提供了支持。

建模；仿真；眼图；动态可重构高速串行总线；Hyperlynx

0 引言

动态可重构高速串行总线（UM-BUS）是一种基于故障实时检测和动态重构的新型多通道高速串行总线。该总线具有线路动态检错功能，能够实时检测总线系统线路状况，并能根据线路状况将通信数据动态均衡地分配到健康的传输线路上，实现了通信线路冗余容错与高速传输的有机统一。UM-BUS总线采用多点低电压差分信号(Multipoint-Low-Voltage Differential Signaling，M-LVDS)传输技术[1]，这种传输方式可满足多节点直接连接的需求，提高信号的传输速度和信号的抗噪能力。UM-BUS总线采用100 Ω屏蔽双绞线作为传输介质，信息传输速率为100 Mb/s。然而UM-BUS总线传输系统在传输信号时，信号波形易发生畸变，对传输质量有很大的影响[2]。因此，应寻找合适的传输链路模型和参数来提高总线信号传输的可靠性。本文在Hyperlynx中对UM-BUS总线的物理层进行建模，搭建3种耦合链路模型：电阻型链路模型、电容型链路模型、电阻电容型链路模型，将以上这3种模型进行建模仿真分析与实际测量，确定电阻电容型链路模型是传输质量最优的链路模型，对UM-BUS总线起到全面的故障隔离的作用，波形畸变较小，误码

率较低，提高了UM-BUS总线的可靠性。

1 UM-BUS总线概述

UM-BUS总线采用多线路并发冗余的总线型拓扑结构，如图1所示。UM-BUS采用节点直接互连方式，与通常高速串行总线相比不需要中继与路由器等。UMBUS总线最多可以连接30个总线节点设备，节点可分为主控节点、从节点和监视节点3种，每个主控节点与从节点都分配一个唯一的5位节点地址。主控节点地址只能为0～7，从节点地址可以是1～30的任意地址，节点地址0和31目前保留，未来可作为广播消息、中断消息等扩展。

图1 UM-BUS总线拓扑结构

UM-BUS使用多通道并发传送方式，这些并发通道同时又互为冗余备份。UM-BUS支持2～32条通道（lane）初始配置，为保证总线的基本容错能力，硬件上需要配置至少2条通信通道，为避免总线信号数量增加导致总线尺寸与管理复杂度的过度增加，UM-BUS总线最多支持32通道并发传输与动态冗余[3]。正常情况下，通信过程中，总线控制器会将通信数据包按字节顺序均匀分配到所有通信通道上，如果某一通道或几个通道出现故障，总线控制器会实时检测故障，将通信数据动态均衡地分配到其他健康通道上进行传送，实现对总线通道故障和节点电路故障的动态容错。UM-BUS总线通道采用 MLVDS（TIA/EIA-899-2002）信号传送方式，单通道传送速率最高为200 Mb/s，总线通道连接方式如图2所示。总线连接电缆采用的是屏蔽双绞线缆，通道线缆长度最大为40 m。

图2 UM-BUS总线通道物理连接模型

2 传递函数研究

UM-BUS总线传输系统中所采用的传输线为双绞线。对于双绞线的分析方法通常有两种[4]：(1)场分析法，即从麦克斯韦尔方程出发，求出满足边界条件的波动解，得出传输线上电场和磁场的表达式，进而分析传输特性；(2)等效电路法，即从传输线方程出发，求出满足边界条件的电压、电流波动方程的解,得出沿线等效电压、电流的表达式，进而分析传输特性。前一种方法数学上比较繁琐，后一种方法实质是在一定的条件下“化场为路”，有足够的精度，数学上较为简便，因此被广泛采用。当传输线的长度l与工作频率所对应的波长λ可相比拟时，也就是说满足l≥λ/100时，就是所谓的相比拟，而UM-BUS总线传输系统的频率为 100 MHz，电磁场中有线的传输速度是接近光速的，λ=c/f=3，满足相比拟的条件l≥3/100，满足第二种方法，也就是用“化场为路”的思想来研究传输线。这样，便可建立起传输线的电路模型——分布参数模型。

如图3中分布参数等效电路图，根据基尔霍夫定律可得：

图3 均匀传输线的分布参数模型

式(1)为电报方程。对于时谐电压和电流，可用复振幅表示为：

将上式代入式(1)，即可得时谐传输线方程：

式中：Z=R+jωL、Y=G+jωC分别称为传输线单位长度的串联阻抗和单位长并联导纳。

由此，得出UM-BUS总线传输系统的传输方程为式(5)和(6)，传输方程正确与否需要利用 MATLAB进行计算，确定其数值符合MLVDS应用手册中的规定。双绞线各项参数如表1所示，ANSI_TPI AWG26[5]是 UM-BUS总线所采用双绞线型号。其中双绞线电阻为0.286 Ω/m，根据式(5)和(6)，使用MATLAB得出分布电阻与电压的关系图如图4所示，为当分布电阻为 0.0286 Ω时，它的输出电压为 625 mV，根据 MLVDS应用手册[6]中的规定，MLVDS在工作时标准输出电压为 450～650 mV，可见输

出电压为625 mV，符合MLVDS工作标准。同理通过计算分析后，确定分布电容和分布电感都符合MLVDS[6]应用手册的标准，因此将以上数据用于UM-BUS总线的仿真建模和实际系统中，为总线传输系统提供理论基础。

表1ANSI_TPIAWG26双绞线数值参数

图4 分布电阻与电压的关系图

3 UM-BUS总线系统仿真与实测

3.1 电阻型链路模型

通过对UM-BUS总线传输系统的传输方程进行计算及分析，确定了分布电阻、分布电容、分布电感，基于此对UM-BUS总线传输系统的双绞线进行建模，根据MLVDS应用手册[6]规定的传输模型拓扑结构，在 UMBUS总线传输系统的发送端和接收端串联电阻，将这种模型称之为电阻型链路模型。如图5所示为 Hyperlynx中搭建的UM-BUS总线电阻型链路仿真模型图，其中UM-BUS总线的传输系统的发送端与接收端采用 TIA/ EIA-899(MLVDS)的SN65MLVD201系列的IBIS模型。双绞线的具体参数如表1所示。

图5 UM-BUS总线电阻型链路的传输模型

对UM-BUS总线电阻型链路模型的传输系统进行仿真和分析，得到该仿真传输模型的眼图。如图6所示为UM-BUS总线电阻型链路仿真模型的眼图，可见眼图的睁开度良好，眼宽和眼高符合标准眼图的规定，失真很小；如图7所示为UM-BUS总线电阻型链路传输系统实测的眼图，同理可以看出它的眼睛张开度很大，眼高眼宽均在正常范围，产生的畸变很小，抖动不大，浴盆曲线中所反映的误码率达到了 10-12。由此可见电阻型链路模型的传输质量良好。然而若采用这种传输模型，一旦发生短路，就会引起芯片的烧毁，甚至蔓延整个电路。产生这种问题的主要原因是由于该模型中的保护电阻虽然起到了一定的故障隔离作用，但是为保证UM-BUS总线传输网络的正常运行，通过大量实验证明，隔离电阻不能选用超过50 Ω以上的电阻，同时也确定了保护电阻在33 Ω时传输质量最好，如表1所示。然而这个阻值不大的保护电阻在大电流的作用下很难保护芯片，极其容易发生短路，严重的包括对地、电源发生的短路，这种情况极易引起整个电路的烧毁。

图6 UM-BUS总线电阻型链路仿真模型的眼图

图7 UM-BUS总线电阻型链路传输系统的眼图

3.2 电容型链路模型

基于上节UM-BUS总线的电阻电容型链路传输模型的讨论，可以发现信号在该模型中的传输质量很好，但它的故障隔离的功能很弱。为提高传输模型故障隔离的能力，提出新的方案：将上述电阻模型的端接电阻换为保护电容，将这种模型称之为电容链路模型，如图8所示为UM-BUS总线传输系统电容型链路仿真模型，该模型中的保护电容会弥补电阻型链路模型的不足，若是发生短路，电容会立刻断开，保护芯片和电路不会被烧毁。在电容型链路模型中，该模型的保护电容为10 nF。

图8 UM-BUS总线电容型链路的传输模型

对UM-BUS总线电容型链路模型的传输系统进行建模仿真和分析，得出该仿真传输模型的眼图。如图9所示为UM-BUS总线电容型链路仿真模型的眼图，眼图

张开度较好，波形衰减小；而且电容型链路模型可以起到故障隔离的功能，在发生故障时，防止这种故障蔓延。然而在本方案中将电容代替了电阻，没有按照MLVDS应用手册[6]规定的拓扑结构来搭建传输系统。因此即使电容型链路模型具有故障隔离的功能，但传输波形质量不好。如图10 UM-BUS总线电容型链路传输系统的眼图所示，在电容型链路传输系统中很容易发生波形畸变，产生信号完整性问题，例如反射、串扰等问题，这些问题极容易造成波形的畸变，影响系统的传输质量。

图9 UM-BUS总线电容型链路仿真模型的眼图

图10 UM-BUS总线电容型链路传输系统的眼图

3.3 电阻电容型链路模型

综合以上两种方案，结合电阻型链路模型和电容型链路模型的优势，提出一种既能保证传输波形的质量又具有故障隔离功能的传输模型：在MLVDS的收发两端串联保护电容和保护电阻，称之为电阻电容型链路模型，如图11所示为UM-BUS总线电阻电容型链路的仿真模型，保护电阻为200 Ω，保护电容为100 nF。

图11 UM-BUS总线电阻电容型链路的传输模型

对UM-BUS总线电阻电容型链路模型的传输系统进行建模仿真和分析，得出该仿真传输模型的眼图。如图12 UM-BUS总线电阻电容型链路仿真模型眼图，该眼图眼睛的张开度良好，发生的畸变较小，噪声可以忽略。如图13 UM-BUS总线电阻电容型链路传输模型眼图所示，可见仿真测得的眼图与实测测得的眼图一致。结合了以上两种方案的优点，电阻电容型链路模型有保护电阻的保护，可以保证总线的传输质量；其次有保护电容的保护，若是发生短路，保护电容对电路起到了故障隔离作用，防止电路和芯片被烧毁，防止故障的蔓延。由此可见，该模型既满足了传输质量高的要求，也发挥故障隔离的功能，保护好电路和芯片不被烧毁。

图12 UM-BUS总线电阻电容型链路仿真模型眼图

图13 UM-BUS总线电阻电容型链路传输模型眼图

4 结束语

本文根据对传输线理论的研究，采用双绞线的分布参数模型，对UM-BUS总线传输系统的双绞线进行分析计算，得到传递方程，进而对双绞线进行建模，在此基础上对3种故障隔离电路进行了建模仿真。通过仿真发现，首先电阻型链路模型虽然传输质量良好，但是缺乏故障隔离功能；其次电容型链路模型虽然能起到故障隔离的作用，但却不能保证UM-BUS总线的传输质量；最终选择了电阻电容模型作为UM-BUS总线的传输模型，该模型综合了以上两种传输模型的优点，既能保证有良好的传输质量，又可以起到故障隔离的作用。UM-BUS总线仿真模型与实际测量传输质量均良好。本文研究为进一步研究UM-BUS总线传输系统提供支持，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，张伟功，邓哲.一种新型总线中并行 CRC算法的设计与实现[J].计算机工程与设计，2013，34(1)：131-135.

[3]邓哲，张伟功，杜瑞.动态可重构总线数据传输管理方法设计与实现[J].计算机工程，2013，39(1)：264-269.

[4]李瀚荪.简明电路分析基础[M].北京：高等教育出版社，2002.

[5]宋娟，王立德，严翔，等.列车控制网络专用双绞线传输特性的研究[J].铁道学报，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)

王钊(1989-)，女，硕士研究生，主要研究方向：高可靠嵌入式系统设计。

国家自然科学基金项目（61170009）；北京市自然科学基金项目（4132016）；北京市属高等学校创新团队建设与教师职业发展计划项目(京教人[2012]14)

张伟功(1967-)，通信作者，男，博士，研究员，主要研究方向：高可靠嵌入式系统设计，E-mail：zwg771@cnu.edu.cn。