串行通信接口可靠性的研究論文
摘要:針對目前市場上對電子產品的可靠性要求越來越高的趨勢，提出了采用優秀的電路板布局和良好的軟件設計來提高通信接口可靠性的方法.首先介紹了提高串行通信系統可靠性的通用系統設計規則;然后重點介紹了通用串行通信接口的問題和各自的解決方案;最后給出了使用DSP來實現高可靠性串行通信的方案.
關鍵詞:串行通信;噪聲;傳輸線
0引言
由于產品技術性能和結構要求等方面的提高，使得其可靠性問題愈顯突出.如果沒有可靠性保證，高性能指標是沒有任何意義的.國外的電氣公司與各種國際機構(如lEE、IEEE等)對可靠性都很重視.而國內的電子廠商對可靠性的重視則不夠，導致大量產品出現返修，在客戶現場頻頻報錯，MTBF<1年，使企業的服務成本居高不下，占企業銷售額的10%，甚至達到20%.提高產品的可靠性，除了在物料采購和生產維護現場采取措施外，正確合理的設計方法是最重要的.
據統計，降低串行通信接口可靠性的主要原因是電路板布局.串行通信接口主要是邊沿觸發的狀態機，也就是說，每當在時鐘線上出現1個有效的邊沿時，狀態機就被觸發.當在串行接口達到有效電壓時，則認為有效沿產生.對于5 V電源來說，2.5 V為有效電壓;
對于3.3 V電源來說，1.3 V為有效電壓.如果串行時鐘設置為上升沿觸發(在控制寄存器中設置)，當串行時鐘上的電壓由低于有效電壓上升到高于有效電壓時，有效的觸發邊沿產生.如果串行時鐘設置為下降沿觸發，當串行時鐘上的電壓由高于有效電壓下降到低于有效電壓時，有效的觸發邊沿產生.
1串行通信故障類型
1.1串行時鐘上的噪聲有許多的設計問題會導致串行時鐘上的噪聲.該噪聲會在1個時鐘周期內多次越過時鐘上的有效電壓，有時具有大的信號反射，引起串行時鐘在每個時鐘周期內多次越過有效電壓.這樣串行通信上的狀態機就會在1個時鐘周期內2次采樣串行數據線，導致采樣數據錯誤.如果進行了合適的補償，在每個時鐘周期內進行1次數據采樣，則數據正常.下面介紹2種主要的補償措施.
1)解耦VCC和GND管腳.在每個VCC和GND管腳之間放置一0.1 UF電容，這會使串行接口電源免受電源線上干擾的影響.VCC和GND上大的干擾會使處理器程序跳轉到不確定的狀態，導致處理器死機.
這些電容離VCC和GND管腳越近越好.圖1是一種良好的布局，解耦電容離管腳近.
圖1良好的布局
2)硬件結構(PCB和布線).
當串行通信線過長時需要采取一些反射補償措施.
1.2串行數據錯誤
1)收發數據錯誤.首先要確定串行通信器件工作正常.如果是收到錯誤數據，則有可能是與之通信的設備發送的數據是錯誤的.如果這樣，要確認一下產生的信號為無干擾信號，并且達到了時序要求.串行通信結構如圖2所示.
2)數據移位錯誤.當串行接口2接收到串行接口1發送數據的移位版本時，通常是因為信號的同步問題，即發送了未同步的數據或是因為串行時鐘上的噪聲.從串行接口1發送到串行接口2的8位數據移位的實例如表1所示.
表1數據移位
3)串行接口沒有反應.當串行接口沒有使能時，接口信號線為三態中的高阻態.
4)串行端口上無效的電平.當2臺設備都想驅動該串行接口時，就會出現無效電平的情況.當1臺設備設定端口為高電平而另外1臺設備設定端口為低電平時，端口上的電壓將會是VCC和GND之間一不確定的值.同時這樣也會損害某一設備.
5)端口線上的噪聲.
2故障解決辦法
DSP的串行接口對系統外的噪聲非常敏感.噪聲包括信號線上的反射噪聲、長傳輸線的信號質量下降和信號干擾.任何通信接口上的超過3～4英寸的傳輸線在高頻情況下都被看做傳輸線，必須采取措施降低噪聲，否則將導致接口發送或接收到錯誤的數據.因此，對于故障的解決，除了良好的電路板布局和設計規則外，應在信號傳輸線上增加一串聯電阻，并盡量靠近信號的發生端.電阻典型值為20～100Ω，具體值由信號線的長度和信號線的特性阻抗決定.
如果信號線上總的電氣延時大于6倍的信號源上升或下降時間，則該信號需要重新設計.信號線網絡的延時粗略計算為0.180 ns/inch和2 pf/inch.
例1某一信號源驅動6個負載，每個負載8pF，負載為星型連接，最長的傳輸路徑為15英寸.驅動器的輸出阻抗為10Ω，信號源的上升和下降時間最大為2 ns.
總的信號延時為
0.180×15=2.7 ns總的RC負載延時為(8 pF×6+15×2 pF)×10Ω=0.780 ns信號延時與上升時間的比值為3.48 ns/2 ns=1.74.比值小于6，信號正常.
例2某一信號源驅動6個負載，每個負載8 pF，負載為星型連接，最長的傳輸路徑為30英寸.驅動器的輸出阻抗為15Ω，信號源的上升和下降時間最大為1 ns.
則總的信號延時為
0.180×30=5.4 ns的RC負載延時為(8 pF×6+30×2 pF)×15Ω=1.62 ns信號延時與上升時間的比值為(5.4+1.62)ns/1 ns=7.02.比值大于6，信號會引起反射問題，必須重新設計.
對于串聯電阻，電阻值應該是PWB特性阻抗減去驅動器的輸出阻抗.比如PWB為50Ω，驅動器為10Ω，則靠近驅動器的串聯電阻應該是40Ω.
3實現方案
采用TI公司的DSP TMS320LF2407A來實現串行接口的通信.該DSP包含一高速同步串行IO口，允許長度可編程的串行位流，以可編程的位傳輸速度移入或移出器件.
采用有延時的上升沿時鐘方案，串行接口在上升沿之前的半個周期發送數據，在信號上升沿接收數據，工作于從動模式(通過控制寄存器配置).數據從SO-MI引腳移出并且由SIMO引腳輸入;CLK作為串行移位時鐘的輸入.當主控制器的CLK信號為合適的邊沿時，寫入到發送寄存器的數據將被傳送到網絡.為了接收數據，串行接口需等待主控制器送出的CLK信號，然后將SIMO引腳上的數據移入到接收寄存器.如果從控制器也發送數據，則必須在CLK信號開始之前把數據寫到發送寄存器中.以下是串行通信接口的初始化代碼:MCRB=MCRB|SET2|SET3|SET4|SET5;//SPI功能IO4結束語串行通信是目前非常通用的通信方式，它占用較少的IO口線，成本低.介紹了串行通信常見的一些降低可靠性的設計方法和改進措施.采用所介紹的增加可靠性的措施并且使用了所給出的代碼來實現串行通信方案，系統可靠，能使產品的可靠性參數提高到MT-BF=3年.
參考文獻
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