CC BY
231использование технологии M-LVDS
для обеспечения подлинной многоточечности шинных интерфейсов и других применений
На протяжении долгого времени для передачи сигналов по объединительным платам применялись разнообразные технологии. По мере того как скорость передачи данных росла вслед за увеличением трафика, все очевиднее становилась ограниченность устаревших методов несимметричной передачи и эмиттерно-связанной логики. Многоточечная технология низковольтной дифференциальной передачи сигналов (М^УРБ) — стандарт интерфейса, аналогичный интерфейсу 1У0Б. этот интерфейс призван обеспечить для имеющихся решений, использующих шины передачи данных, преимущества высокоскоростных энергоэффективных технологий передачи сигнала с низким уровнем электромагнитных помех. Технология подходит для передачи данных, сигналов управления, сигналов синхронизации и тактовых сигналов.
Дэвид МАлкэхи (David MULCAHY)
В современных объединительных платах высокоскоростные сигнальные линии передачи данных обычно представляют собой интерфейсы для топологии «точка-точка» (один драйвер и один приемник). Они соединяют различные микросхемы ядра системы, например, специализированные интегральные схемы (ASIC), устройства FPGA, DSP и т. п. Должным образом терминированные интерфейсы для топологии «точка-точка» обеспечивают наилучшие рабочие характеристики для высокоскоростных сигналов (таблица). Применяемые стандарты передачи сигналов могут соответствовать интерфейсам PECL, CML, VML и LVDS при скорости, достигающей 4 Гбит/с и выше. Интерфейс LVDS, в котором применяется простая схема терминации с использованием единственного терминирующего резисто-
ра, расположенного у приемника, способен также поддерживать многоточечную передачу сигналов. Такая схема подразумевает наличие одного передатчика и нескольких приемников, совместно использующих одну линию дифференциальной передачи сигналов. Интерфейс M-LVDS представляет собой расширение стандарта LVDS, позволяющее нескольким драйверам совместно использовать одну и ту же полудуплексную линию.
LVDS (Т1А/Е1А-644А) — это хорошо известный стандарт интерфейса для двухточечных и многоточечных топологий сети, который можно рассматривать как модернизированный в плане быстродействия стандарт RS-422. Интерфейс M-LVDS (Т1Л/Е1Л-899) позволяет использовать в шинных топологиях передачи данных такие преимущества стандарта LVDS, как высокая скорость, низкое энергопотреб-
ление, низкий уровень электромагнитных помех, простая терминация и промышленная стандартизация. Этот интерфейс можно считать высокоскоростной модернизацией стандарта RS-485 для общих телекоммуникационных решений с передачей сигнала по проводящим дорожкам или кабелям объединительной платы FR-4. Интерфейс M-LVDS обеспечивает устойчивую целостность сигнала, возможность горячей замены и поддержку отказоустойчивости.
Для стандарта LVDS выходной ток драйвера составляет 3,5 мА. Интерфейс M-LVDS поддерживает втрое больший выходной ток — 11,3 мА, а также снижает входной порог напряжения со 100 до 50 мВ, что позволяет лучше обеспечивать целостность сигнала. Для стандартизированных многоточечных топологий с терминирующими резисторами с сопротивлением 100 Ом на обоих концах шины и эффективным сопротивлением 50 Ом размах напряжения сигнала составляет 565 мВ, в отличие от характерного размаха всего 350 мВ для стандарта LVDS. В двухточечных кабельных топологиях сети выходные каскады современных интегральных схем способны через единственный терминатор с сопротивлением 100 Ом обеспечить достаточный ток для создания размаха напряжения от 900 до 1000 мВ. Это превышает уровень ЕУРЕО, в 800мВ.
Таблица. Сравнение уровней драйвера
Параметр RS-485 LVPECL LVDS M-LVDS
Напряжение на входе (высокое), мВ V DIFF > 200 Vdiff > 100 Vdiff > 100 VDIFF > 50
Напряжение на входе (низкое), мВ V DIFF < -200 Vdiff < -100 Vdiff < - 100 VDIFF < -50
Диапазон напряжений на входе, В -7-12 - 0-2,4 -1,4-3,8
Напряжение на выходе (высокое) 1,5 В < Vdiff 800 мВ 350 мВ 550 мВ
Напряжение на выходе (низкое) -1,5 В > Vdiff -800мВ -350 мВ -550 мВ
Синфазный выходной сигнал, В -1 < Vos < 3 1,95 -1,25 < Vos < 1,375 0,3 < Vos < 2,1
Стандартная нагрузка драйвера, Ом 60 50 100 50
Ток нагрузки, мА >25 16 3,5 11
Интегральные схемы M-LVDS используются для распределения тактовых сигналов и сигналов синхронизации с частотой до 125 МГц. Они также применяются для передачи данных и сигналов управления со скоростью до 250 Мбит/с (рис. 1). Интерфейс LVDS для многоточечной топологии сети включает в себя все наиболее распространенные конфигурации интерфейсных линейных схем, упомянутые выше.
Буферы с разветвлением на выходе — специальные варианты топологии «точка-точка». Сигнал от единственного источника копируется на несколько драйверов интегральной схемы (рис. 2).
Такая компоновка — классический способ централизованного распределения тактовых сигналов. В настоящее время уже поставляются специализированные буферы с разветвленными выходами M-LVDS. Это очень популярные конструктивные решения для беспроводной инфраструктуры, в которых тактовые сигналы от находящейся в центре платы управления расходятся радиально по объединительной плате к целевым интегральным схемам на других подключенных платах.
Многоточечная топология шины особенно эффективна для тактовых и управляющих сигналов. Децентрализованные решения для синхронизации, когда главным источником генерации тактовых импульсов способен служить любой из одноранговых узлов сети, могут использовать многоточечную конфигурацию шины. Для этих целей существуют специализированные полудуплексные приемопередающие устройства. Интерфейс M-LVDS настолько хорошо подходит для управления синхронизацией на телекоммуникационных объединительных платах, что он используется в системах АТСА и тксоТСА.
В системах АТСА интерфейс M-LVDS применяется для импульсов синхронизации с частотой 8 кГц, для распределения тактовых сигналов с частотой 19,44 МГц и для третьего (определенного пользователем) сигнала с частотой до 100 МГц. Три этих сигнала дублируются на резервных линиях. Для таких решений можно использовать специализированные драйверы и приемники.
Во всех случаях, когда как минимум два драйвера работают на общей шине, необ-
ходимы меры предосторожности, чтобы избежать повреждений электронных компонентов из-за одновременной активности двух или более передатчиков. Стандартом M-LVDS предусмотрены следующие меры обеспечения конкурентного доступа:
1. Интегральные схемы должны ограничивать напряжение шины в диапазоне от 0 до 2,4 В.
2. Драйверы имеют ограничение тока короткого замыкания до 43 мА.
3. Драйверы испытаны с 32 узлами, осуществляющими конкурентный доступ.
Это подходит для большинства стандартных решений на объединительных платах. Благодаря интегральной схеме стандарта M-LVDS у разработчика нет необходимости обеспечивать такие меры предосторожности с помощью связующей логики и дополнительных внешних компонентов.
Возможность «горячей» замены, то есть установки без отключения питания, предусмотренная интегральными схемами интерфейса, очень важна для решений на объединитель-
ных платах. Провайдерам необходимо заменять платы для ремонта или текущего технического обслуживания без перебоев в работе конечных пользователей. Возможность извлекать и заменять дочерние платы и при этом поддерживать нормальное функционирование системы имеет крайне большое значение. Интегральные схемы и другие компоненты не должны подвергаться повреждениям во время установки на работающую шину при включенном питании. Кроме того, важно избегать создания помех для текущих операций шины во время замены плат.
Интегральные схемы M-LVDS обеспечивают поддержку «горячей» замены благодаря трем основным функциональным особенностям:
1. Драйверы не создают кратковременных помех.
2. Приемники характеризуются высоким полным сопротивлением (импедансом). Эти приемники не потребляют ток, пока не будут надлежащим образом нагружены и готовы к работе с шиной.
3. Защита от электростатического разряда до 8 кВ.
Поддержка отказоустойчивости в контексте интерфейсных интегральных схем означает способность определять нежелательные условия, возникающие на дифференциальном приемнике. Такими условиями могут быть разомкнутая цепь, короткое замыкание и отсутствие сигнала. На обычных дифференциальных приемниках подобные условия могут не препятствовать обработке приемником случайного шума на входе в качестве реального полезного сигнала. Это может привести к сдвигу обычного стандартного дифференциального уровня переключения
► и \
—— • )) т
ш У И (( и т-т г
Т
Рис. 2. Стандартные конфигурации интерфейса:
а) «точка-точка»; б) много приемников; в) много источников; г) буфер тактовых сигналов с разветвлением на выходе
от значения 0 В и получению неправильных результатов на выходе. В течение некоторого времени конечный пользователь не будет подозревать об ошибочности этих выходных результатов, и такая задержка приведет к нарушениям в работе конечного оборудования, а также перебоям в обслуживании.
В приемниках M-LVDS типа 2 предусмотрено смещение 100 мВ, в результате которого любые входные сигналы, возникающие при возврате в безопасное состояние при отказе (например, при отключенном кабеле), приводят к известному логическому состоянию на выходе. Наличие непрерывного выходного сигнала с одним постоянным логическим уровнем позволяет провайдерам
диагностировать проблемы на линии передачи и уведомлять о них инженерно-технический персонал. Приемники M-LVDS типа 1 поддерживают стандартный уровень 0 В и, таким образом, обеспечивают более быструю и симметричную коммутацию, что важно, например, для поддержания заданного рабочего цикла тактового генератора.
Интерфейс M-LVDS восполняет пробел между стандартами интерфейсов LVDS, LVPECL и RS-485. Технические характеристики стандарта ТІА/ЕІА-899 (M-LVDS) сочетают низкое энергопотребление, поддержку большого размаха напряжения и удобство разработки решений с шинами передачи данных с такими параметрами эксплуатационной на-
дежности, как отказоустойчивость, конкурентный доступ и поддержка «горячей» замены. Этот стандарт отлично подходит как для распределения тактовых сигналов на объединительных платах, так и для двухточечной передачи данных по кабелям. Интерфейс M-LVDS, изначально разработанный для многоточечных шин, в настоящее время представляет собой комплексный промышленный стандарт, пригодный для множества применений. ■
Литература
1. www.ti.com/mlvdsvideo
2. www.ti.com/mlvds
3. www.ti.com/interface
