一種多傳感器信息融合的多點(diǎn)處理解決方案

一種多傳感器信息融合的多點(diǎn)處理解決方案

大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的核心是一個(gè)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(dòng)器與接收器。本文著重介紹選擇這些器件時(shí)的考慮因素。多路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在選擇一種處理器時(shí),人們常常關(guān)心的是時(shí)鐘速度、存儲(chǔ)器及MIPS。但對(duì)于驅(qū)動(dòng)器與接收器來(lái)說(shuō),還必須規(guī)定拓?fù)?、信?hào)傳輸速率與距離、以及功耗與互換性。拓?fù)涫侵富ミB的節(jié)點(diǎn)數(shù)量。大多數(shù)基本拓?fù)涠际前ㄒ粋€(gè)驅(qū)動(dòng)器與一個(gè)接收器的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(單工)拓?fù)?。由于?qū)動(dòng)器與接收器之間的路徑不復(fù)雜,因此單工可提供最高的信號(hào)質(zhì)量。設(shè)計(jì)者常常用帶單工接口的時(shí)鐘分配樹(shù)來(lái)提高信號(hào)完整性。當(dāng)接口速率高于數(shù)百M(fèi)bps時(shí),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(biāo)準(zhǔn)。多路及多點(diǎn)為復(fù)雜程度更高的驅(qū)動(dòng)器/接收器拓?fù)?。多路是指一個(gè)驅(qū)動(dòng)器與多個(gè)接收器通信。超過(guò)一個(gè)接收器時(shí)需采用主總線分出的抽頭。這些抽頭會(huì)產(chǎn)生不連續(xù),從而使信號(hào)質(zhì)量下降。LVDS(TIA/EIA-644-A)最近經(jīng)過(guò)改進(jìn)后可支持多路工作。多點(diǎn)架構(gòu)擁有多個(gè)與一個(gè)(或多個(gè))接收器相連的驅(qū)動(dòng)器。當(dāng)總線上有多個(gè)節(jié)點(diǎn)需要成為活動(dòng)發(fā)射器時(shí),即選擇多點(diǎn)架構(gòu)。工控應(yīng)用可能擁有互連的多個(gè)電機(jī)、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(xiàng)多點(diǎn)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)定拓?fù)浜?即必須規(guī)定信號(hào)傳輸速度。時(shí)鐘信號(hào)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(shí)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(xiàng)重要參數(shù)。很多驅(qū)動(dòng)器與接收器都專門(mén)針對(duì)短距離應(yīng)用而設(shè)計(jì)。這些限制源自于所采用的信號(hào)傳輸(單端比差分)、電壓電平與接收器的共模電壓范圍。信號(hào)傳輸速率與傳輸距離之間存在著倒數(shù)關(guān)系。對(duì)于大多數(shù)器件來(lái)說(shuō),信號(hào)傳輸速率會(huì)隨距離增加而減小。這種倒數(shù)關(guān)系是由于存在符號(hào)間干擾(ISI)。電纜及其腐蝕會(huì)濾掉從驅(qū)動(dòng)器出來(lái)的信號(hào)的陡峭邊緣,從而導(dǎo)致在線的另一端引起干擾的單獨(dú)位脈沖。這種ISI可量化為抖動(dòng)。抖動(dòng)幅度隨距離增加而增加。假設(shè)可接受抖動(dòng)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(dāng)有替代解決方案時(shí),通常選擇功耗較低的解決方案?；Q性是指標(biāo)準(zhǔn)器件以及公共占板面積或引腳。標(biāo)準(zhǔn)器件通常優(yōu)于專用解決方案。標(biāo)準(zhǔn)接口允許設(shè)計(jì)不同的子系統(tǒng),并能進(jìn)行平滑集成。標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)器與接收器的選擇相當(dāng)困難。但幸運(yùn)的是,可迅速縮小可行解決方案的范圍。首先采用拓?fù)?必須了解,單工、多路及多點(diǎn)器件代表著更高的可用性,故可在單工或多路應(yīng)用中使用多路器件。反之未必正確,雖然也可用多點(diǎn)器件來(lái)解決單工、多路及多點(diǎn)問(wèn)題,但此時(shí)須考慮最大信號(hào)傳輸速率。試圖實(shí)現(xiàn)一種Gbps的多路系統(tǒng)將很可能失敗。多路與多點(diǎn)設(shè)計(jì)通常會(huì)限制在數(shù)百M(fèi)bps數(shù)據(jù)速率上。在多種替代器件間進(jìn)行選擇時(shí),必須同時(shí)最佳地考慮信號(hào)傳輸速率與傳輸距離。圖1顯示不同器件的信號(hào)傳輸速率與傳輸距離。如圖1所示,信號(hào)傳輸速率隨距離增加而減小。從左下角開(kāi)始,通用、單端邏輯(BTL、GTL及GTLP)可以高達(dá)50Mbps的速率提供小于1米的覆蓋距離。當(dāng)傳輸距離較長(zhǎng)時(shí),則需要使用更為穩(wěn)健的驅(qū)動(dòng)器。對(duì)于速率小于100Kbps及距離長(zhǎng)達(dá)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(dāng)設(shè)計(jì)要求傳輸距離大于1米及傳輸速率高于100Kbps時(shí),需采用差分信號(hào)。要想使單端信號(hào)速率大于100Kbps,則需要有很陡的驅(qū)動(dòng)器斜率。差分信號(hào)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(diǎn))可以50Mbps的速率工作,并能在更低的速率上達(dá)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(hào),這種信號(hào)允許進(jìn)行更快的開(kāi)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(dá)500Mbps的數(shù)據(jù)速率,并將LVDS的適用范圍擴(kuò)展至多點(diǎn)及重負(fù)載背板。隨著傳輸速率超過(guò)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(hào)傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn),但要求有更高的負(fù)載電流。最后請(qǐng)注意圖1中的幾點(diǎn)。首先,可使用速度較高及傳輸距離較遠(yuǎn)的器件來(lái)解決低速率及短距離問(wèn)題。可將LVDS解決方案用于在背板4英寸范圍內(nèi)分配1MHz的時(shí)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(wèn)題的首選方案。在考慮器件信號(hào)傳輸速率時(shí),重要的是須注意,最大信號(hào)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(guò)渡時(shí)間及抖動(dòng)等)來(lái)確定。標(biāo)準(zhǔn)雖未給出這些參數(shù)間的關(guān)系,但可運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)。為保證最佳工作,當(dāng)用隨機(jī)數(shù)來(lái)測(cè)試時(shí),過(guò)渡時(shí)間應(yīng)限制為小于位時(shí)間的50%,器件抖動(dòng)則應(yīng)限制為位時(shí)間的10-20%。這些經(jīng)驗(yàn)有助于在系統(tǒng)級(jí)保證有充分的信號(hào)電壓與時(shí)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(jī)數(shù),輸出抖動(dòng)為55ps(源抖動(dòng)為25ps),而過(guò)渡時(shí)間則為160ps。驅(qū)動(dòng)器功耗與信號(hào)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(gè)要求以10Mbps速度及10米距離進(jìn)行多點(diǎn)傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)中,采用M-LVDS及RS-485均可。對(duì)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(biāo)準(zhǔn)并滿足指標(biāo)要求。在使用SN65HVD20時(shí),所需功率為使用SN65MLVD201時(shí)功率的四倍。SN65HVD20中的額外功率用來(lái)產(chǎn)生一個(gè)電壓更高的信號(hào)。盡管這種應(yīng)用可能不需要這么大的功率,但當(dāng)傳輸距離超過(guò)10米時(shí)會(huì)很有用。事實(shí)上,SN65HVD20允許以