Issuu on Google+


содержание

№9/2010 37 Лес Бакстер Шина FireWire без ограничений на расстояние передачи данных

РЫНОК 6 Леонид Чанов Форум «Живая электроника России»

42 Виктор Охрименко Узкополосная PLC-технология: OFDM-модуляция

8 Энди Гроув Как создать рабочие места в Америке

47 Сэм Дэвис Система на кристалле использует технологию связи по сетям электропитания для управления встраиваемым приложением

РАЗРАБОТКА и КОНСТРУИРОВАНИЕ 13 Питер Блит Третья редакция IEC 60601-1. Изменение требований к источникам питания

52 Дэвид Йе Передача сигнала Ethernet по оптическим сетям со скоростями 10, 40 и 100 Гбит/с

СЕТИ и ИНТЕРФЕЙСЫ 16 Виктор Александров Базовые принципы построения IP-сетей для встраиваемых систем

ДИСКРЕТНЫЕ СИЛОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

27 Дрю Гисласон Приложения ZigBee: обмен данными, API и PAN 30 Николай Кандарацков Сенсорные сети на основе программного комплекса ISON для удаленных объектов 33 Дэн Хэрмон USB 3.0: больше, чем просто увеличение скорости

59 Джохан Страйдом Как максимально расширить диапазон рабочих параметров силовых GaN-транзисторов 64 Стивен Голдман Выбор устройств защиты: TVS-диоды против металл-оксидных варисторов 70 Бенджамен Джексон Силовые MOSFET нового поколения для транспортных средств нового поколения

журнал для разработчиков

24 Ян Верхаппен Вопросы безопасности и разработки стандартов для промышленных беспроводных сетей

55 Джордж Но Применение усовершенствованных эквалайзеров и 20-м медных кабелей в линиях связи

Руководитель направления «Разработка электроники» и главный редактор Леонид Чанов; ответственный секретарь Марина Грачёва; редакторы: Елизавета Воронина; Виктор Ежов; Екатерина Самкова; Владимир Фомичёв; Леонид Чанов; редакционная коллегия: Валерий Григорьев; Борис Рудяк; Владимир Фомичёв; Леонид Чанов; реклама: Антон Денисов; Ольга Дорофеева; Елена Живова; распространение и подписка: Марина Панова, Василий Рябишников; вёрстка, дизайн: Александр Житник; Михаил Павлюк; директор издательства: Михаил Симаков Адрес издательства: Москва,115114, ул. Дербеневская, д. 1, п/я 35 тел.: (495) 741-7701; факс: (495) 741-7702; эл. почта: elecom@ecomp.ru, www.elcp.ru ПРЕДСТАВИТЕЛЬСТВА: Мир электроники (Самара): 443080, г. Самара, ул. Революционная, 70, литер 1; тел./факс: (846) 267-3139, 267-3140; е-mail: info@eworld.ru, www.eworld.ru. Радиоэлектроника: 620107, г. Екатеринбург, ул. Гражданская, д. 2, тел./факс: (343) 370-33-84, 370-21-69, 370-19-99; е-mail: info@radioel.ru, www.radioel.ru. ЭЛКОМ (Ижевск): г. Ижевск, ул. Ленина, 38, офис 16, тел./факс: (3412) 78-27-52, е-mail: office@elcom.udmlink.ru, www.elcompany.ru. ЭЛКОТЕЛ (Новосибирск): г. Новосибирск, м/р-н Горский, 61; тел./факс: (3832) 51-56-99, 59-93-31; е-mail: info@elcotel.ru, www.elcotel.ru. Издательство «Электроника инфо» (Минск): 220015, г. Минск, прз. Пушкина, 29 Б; тел./факс: +375 (17) 251-6735; е-mail: electro@bek.open.by, electronica.nsys.by. IMRAD (Киев): 03113, г. Киев, ул. Шутова, д. 9, оф. 211; тел./факс: +380 (44) 495-2113, 495-2110, 495-2109; е-mail: imrad@tex.kiev.ua, www.imrad.kiev.ua Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory». Использование материалов возможно только с согласия редакции. При перепечатке материалов ссылка на журнал «Электронные компоненты» обязательна. Ответственность за достоверность информации в рекламных объявлениях несут рекламодатели. Индекс для России и стран СНГ по каталогу агентства «Роспечать» — 47298, индекс для России и стран СНГ по объединенному каталогу «Пресса России. Российские и зарубежные газеты и журналы» — 39459. Свободная цена. Издание зарегистрировано в Комитете РФ по печати. ПИ №77-17143. Подписано в печать 13.10.2010 г. Учредитель: ООО «ИД Электроника». Тираж 3000 экз. Изготовлено ООО «Группа Море». г. Москва, Хохловский пер., д. 9. Тел.: +7 (495) 917-80-37.

Электронные компоненты

www. elcp.ru


БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

ПЛИС и СБИС

72 Артур Копылов Новинка от Sierra Wireles. GSM-модуль SL6087

85 Константин Макаренко Углубление в нано или Softsilicon? 88 Евгений Котельников Программируемая логика Actel

СВЕТОТЕХНИКА и ОПТОЭЛЕКТРОНИКА

СОДЕРЖАНИЕ

4

75 Ирина Ромадина NUD4700 — электронный шунт для светодиодов от ON Semiconductor

ТЕОРИЯ и ПРАКТИКА 94 Филипп Пичо Основы проектирования с помощью силовых ключей MOSFET

АЦП и ЦАП 78 Реза Могими Расчет шумовых параметров АЦП

ИНЖЕНЕР ИНЖЕНЕРУ 97 Измерение КПД силовых схем

МИКРОСХЕМЫ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ 81 Том Рибарих Проектирование электронного пускорегулирующего устройства для 250-Вт газоразрядной лампы высокой интенсивности

WWW. ELCP.RU

101

НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ НА РОССИЙСКОМ РЫНКЕ


contents # 9 / 2 0 1 0 E LEC TRO N I C COM PO N E NT S # 9 2010 64 Steven Goldman Protection Devices: TVS Diodes vs. Metal-Oxide Varistors

MARKET 6 Leonid Chanov Forum “Real Russian Electronics”

70 Benjamin Jackson Next-Generation Power MOSFETs for Next-Generation Vehicles

8 Andy Grove on US Employment Crisis and How to Create Jobs

13 Peter Blyth How the Third Edition of a Medical Safety Standard Impacts Power-Supply Selection

NETWORKS and INTERFACES

WIRELESS 72 Artur Kopylov New Product of Sierra Wireles — SL6087 GSM Module

LIGHTING and OPTOELECTRONICS 75 Irina Romadina Electronic Shunt NUD4700 for LEDs from ON Semiconductor

16 Victor Alexandrov Basics of IP Networking for Embedded Systems 24 Ian Verhappen Security and Standards Delay Adoption and User Affinity

ADC and DAC 78 Reza Moghimi Seven Steps to Successful Analog-to-Digital Signal Conversion

27 Drew Gislason ZigBee Applications: Sending and Receiving Data 30 Nikolay Kandaratskov Sensor ISON-Based Networks for Remote Objects

POWER IC 81 Tom Ribarich Designing Ballast for 250-Wt High-Intensity GasDischarge Lamps

33 Dan Harmon SuperSpeed USB (USB 3.0): More than Just a Speed Increase 37 Les Baxter How to Use FireWire for Innovative New Designs without Distance Constraints

FPGA and VLSI 85 Konstantin Makarenko Deepening into Nano or Softsilicon?

42 Victor Okhrimenko Narrow-Band PLC Technology: OFDM Modulation 47 Sam Davis SoC Uses Powerline Communications to Control Embedded Applications 52 David Yeh Ethernet Signal Transfer through Optical Networks at 10-, 40- and 100-Gbps Rates 55 George Noh Using Advanced Equalizers and Cable Assemblies in 20 Meter Copper Communication Links

88 Evgeny Kotelnikov Actel Programmable Logic

THEORY and PRACTICE 94 Philippe Pichot Fundamentals of Designing with MOSFET Power Switches

ENGINEER to ENGINEER 97 Measuring Efficiency of Power Circuits 101

NEW COMPONENTS IN THE RUSSIAN MARKET

DISCRETE POWER 59 Johan Strydom How to Get the Most Out of GaN Power Transistors

Электронные компоненты №9 2010

5 СОДЕРЖАНИЕ

DESIGN and DEVELOPMENT


ФОРУМ «ЖИВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА РОССИИ» ЛЕОНИД ЧАНОВ, главный редактор, журнал «Электронные компоненты» 30-го сентября в Москве прошел форум «Живая электроника России», организованный медиагруппой «Электроника».

РЫНОК

6

Третий форум «Живая электроника России» отличался от двух предыдущих событий подобного рода. По-иному были определены номинации и требования к номинантам, изменился состав участников, произошли и другие перемены. В начале форума прозвучали аналитические доклады. Первый из них — «Общеэкономическая ситуация в России. Прогнозы и перспективы», сделанный экспертом-консультантом бизнес-школы МГУ Юрием Волковым, был весьма интересен, хотя некоторые его положения выглядят довольно спорно. Например, по его мнению, значимый рост радиоэлектронной промышленности возможен в следующих направлениях. 1. Обслуживание госзаказа. 2. Госрегулирование. 3. Новые продукты и технологии. 4. Экспорт изделий из России. Пункты 3 и 4 вызывают сомнения. Действительно, среди российских компаний есть такие, в чьем обороте экспортные поставки занимают существенное место, есть и компании, разрабатывающие новые продукты и технологии, но доля таковых невелика, и их значимый рост в ближайшем будущем представляется маловероятным. А вот с первыми двумя позициями трудно не согласиться — госзаказ занимает значительную часть российского рынка электроники (по некоторым оценкам от 50 до 70%). Об отношениях бизнеса и государственной власти говорил в своем выступлении Алексей Тихонов, руководитель комитета по информационным технологиям общероссийской общественной

WWW.ELCP.RU

организации малого и среднего предпринимательства «Опора России». К сожалению, доклад свелся в основном к презентации этой общественной организации, которая играет роль посредника между властью и бизнесом. Местами создавалось впечатление, будто «Опора России» предлагает предпринимателям защиту от власти. Последнее время часто приходится слышать о государственной поддержке российской электроники. Однако иной раз складывается впечатление, что государственные чиновники, которые должны оказывать эту самую поддержку, попросту не видят малый и средний бизнес. Как пример: несмотря на приглашение, никто из представителей власти не пришел на форум. Подтверждением сказанному стало обсуждение обзора российского рынка электроники, который сделала Наталья Иванен, руководитель ЗАО «Компэл» по Северо-западному региону. Цифры, приведенные в докладе, существенно расходились с официальными данными. В частности, в докладе Иванен отмечался гораздо больший рост в некоторых сегментах рынка, нежели в сведениях Госкомстата. Это обстоятельство вызвало возражение у некоторых участников конференции, но большая часть зала, представители частных компаний поддержали Иванен, заметив, что в их компаниях вот уже год отмечается существенный рост производства. Первая часть конференции закончилась докладом Бертрама Йокушиса, руководителя представительства компании Texas Instruments в России,

у которого более чем 10-летний опыт работы на российском рынке. Йокушис перечислил достоинства и недостатки российских производителей электроники. Например, их главный недостаток — плохая организация продаж. Менеджеры, отвечающие за сбыт продукции, не должны сидеть в офисах компаний. По его мнению, 80% времени они должны находиться у заказчиков, а это предполагает хороший уровень профессиональной инженерной подготовки. Он заметил также, что значительная часть статей в специализированных СМИ об электронике принадлежит перу именно менеджеров по продажам. Да и выступления многих из них на наших конференциях говорят о солидной инженерной подготовке: они готовы отвечать на самые сложные вопросы технического характера, касающиеся продукции их компаний. Во второй части конференции прошли выступления номинантов на премию «Живая электроника России». Их достижения оценивал экспертный совет, в состав которого вошли: – Александр Биленко, организатор и руководитель одной из крупнейших выставок электроники в России — ChipExpo. – Евгений Долин, председатель оргкомитета LED-Forum, и.о. президента НП «Производство светодиодов и систем на их основе».


достижение уникальных технических параметров» победил Spirit Telecom — один из лидеров в сфере разработки и лицензирования высокотехнологичных программно-аппаратных продуктов в области спутниковых навигационных приемников ГЛОНАСС и GPS, цифровой радиосвязи и передачи данных. Номинацию «Лучшая бизнес-идея года» завоевала «Л Кард» — высокотехнологичная компания, специализирующаяся в области проектирования и производства электронного оборудования промышленной автоматизации. В номинации «За коммерческий успех» победителем признана казанская компания «Ледел» — производитель широкого ассортимента свето-

диодных светильников. Победителем в номинации «Самый амбициозный проект» стала компания «СветланаОптоэлектроника». Ее планы по строительству заводов для выпуска мощных светодиодов серийностью до 10 млн шт. произвели впечатление. Медиагруппа «Электроника» несколько раз в год проводит конференции, на которых обсуждаются в основном инженерные аспекты тех или иных приложений. Но форум «Живая электроника России» — фактически единственное мероприятие, на котором создается профессиональная среда общения для руководителей компаний, работающих в разных сегментах российского рынка электроники.

НОВОСТИ ПЛИС, СБИС и СНК | АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ НА КОНФЕРЕНЦИИ МЭС-2010 | 4—8 октября 2010 г. в Подмосковье прошла IV Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем — 2010» (МЭС-2010), посвященная проектированию СБИС, СнК, IP-блоков и новой элементной базы микро- и наноэлектроники. Организатор конференции — Институт проблем проектирования в микроэлектронике РАН (ИППМ РАН). Работа конференции была организована в рамках научных направлений (циклов): – «Системы автоматизированного проектирования СБИС», – «Проектирование радиационностойких СБИС и элементной базы для космического применения», – «Проектирование цифровых функциональных блоков СБИС и систем на кристалле», – «Проектирование аналоговых и смешанных функциональных блоков СБИС», – «Проектирование МЭМС и приборов наноэлектроники». Помимо непосредственно сессионной работы, на конференции прошла дискуссия по проблеме «Схемотехническое проектирование радиационностойких ИС и СФ-блоков с нанометровыми проектными нормами». www.russianelectronics.ru

Электронные компоненты №9 2010

7 РЫНОК

– Георгий Келл, создатель крупного информационного ресурса по электронике Eworld, представитель европейского аналитического агентства EuroPartners Consultants. – Николай Комлев, исполнительный директор Ассоциации предприятий компьютерных и информационных технологий (АПКИТ). – Валентин Макаров, президент ассоциации компаний-разработчиков программного обеспечения России НП «Руссофт». – Александр Перебаскин, автор и издатель технической специализированной литературы по электронике. – Леонид Чанов, главный редактор медиагруппы «Электроника», главный редактор журнала «Электронные компоненты». Определялись победители в шести номинациях: – Лучшая бизнес-идея года. – За коммерческий успех. – Глобальный бизнес (выход на зарубежные рынки). – Самый амбициозный проект. – За достижение уникальных технических параметров. – Приз зрительских симпатий. К сожалению, по тем или иным обстоятельствам, часть компанийноминантов, заявивших о своем участии, не смогли приехать в Москву. В итоге на победу претендовали восемь компаний. Очередность их выступлений определил жребий. После завершения докладов экспертный совет удалился на совещание. Остальные участники форума определяли победителя в номинации «Приз зрительских симпатий». Совещание экспертов продолжалось около часа. Зал был более скор на решение, выбрав победителем почти единогласно тульскую компанию «Мотор– Мастер». Компания работает в сегменте автомобильной электроники и производит диагностическую аппаратуру собственной разработки. Эксперты определяли победителей голосованием. В номинации «За


Энди Гроув: «Как создать рабочие места»

Летом этого года в News Week была опубликована статья Энди Гроува (Andy Grove) — бывшего главного исполнительного директора и председателя совета директоров корпорации Intel в 1987—2005 гг., ныне старшего консультанта компании. В этой статье один из основателей империи Intel, автор 40 технических статей и нескольких патентов в области полупроводниковых устройств, ученый и мудрец, которого называют «гуру менеджмента» и «капитаном индустрии», исследует крупнейшую проблему США — безработицу — и предлагает свои методы ее решения. На наш взгляд, эта публикация представляет определенный интерес и для российских инженеров-электронщиков, руководителей многих компаний, поскольку затрагивает во многом схожие вопросы.

РЫНОК

8

Недавно один мой знакомый, сидевший за соседним столиком в ресторане, познакомил меня со своими компаньонами — тремя молодыми венчурными инвесторами из Китая. С явным удовольствием они рассказали о том, что объезжают в Кремниевой Долине подающие надежды компании. Я жил там долгое время и всегда немного гордился тем, что это место привлекает инвесторов. Но не в этот раз. Из ресторана я вышел расстроенным. Безработица в Bay Area (регион в Сев. Калифорнии) оказалась выше 9,7%, чем в среднем по США. Огромная инновационная машина Кремниевой Долины в последнее время не создает рабочие места, если не считать Азию, где американские технологические компании, как сумасшедшие, многие годы развивают местную экономику. Дело не столько в низкой стоимости труда в азиатских странах, сколько в нашей неуместной вере в возможности начинающих компаний создать рабочие места в США. Американцам по душе идея изобрести в гараже нечто такое, что изменит весь мир. Томас Фридман (Thomas Friedman), колумнист из New York Times, недавно в заметке «Стартапы, а не финансовая помощь», написал: «Пусть старое товарное производство умрет, если оно слабое. Если правительство действительно хочет создать рабочие места, оно должно обратить внимание на начинающие компании». Фридман неправ. Стартапы — вещь хорошая, но они не в состоянии сами по себе увеличить занятость. Не менее важно и то, что последует за изобретением в гараже, когда от опытного образца потребуется перейти к массовому производству — этапу развития компании, на котором прорабатываются детали проекта, изучаются возможности его реализации, а затем строятся заводы и нанимаются тысячи служащих. ЧТО НЕ ТАК?

Прежде компании Кремниевой Долины имели хорошие возможности

WWW.ELCP.RU

для развития — предприниматели не скупились на инвестиции. Могу привести пример из личного опыта. В 1968 г. два известных технолога и их друзья-инвесторы вложили 3 млн долл. в создание Intel, специализировавшейся на создании микросхем памяти для компьютеров. Следовало понять, как организовать массовое производство этих кристаллов. Нам пришлось заниматься строительством заводов, наймом служащих, устанавливать отношения с поставщиками и миллионом других вещей, прежде чем обороты Intel достигли миллиардов долларов. Через три года мы вышли с IPO на фондовый рынок и стали одной из крупнейших технологических компаний в мире. К 1980 г., через 10 лет после выхода наших акций, Intel в США насчитывала 13 тыс. человек. В Санта-Кларе, неподалеку от штаб-квартиры Intel, работали другие компании. Такие же этапы развития прошли Tandem Computers, затем Sun Microsystems, Cisco, Netscape и многие другие. Прошло время. Зарплаты и стоимость медицинского обслуживания в США выросли. Американские компании обнаружили, что могут разместить в Китае не только производство, но и разработку, что обойдется дешевле. В результате выросла маржа. Руководство и акционеры были вне себя от счастья. Компании продолжали развиваться, прибыль увеличилась. Но механизм создания рабочих мест стал глохнуть. ФАКТОР 1:10

В настоящее время в компьютерной отрасли США работают 166 тыс. человек — меньше, чем во времена, предшествовавшие появлению первого персонального компьютера MITS Altair 2800, т.е. в 1975 г. (см. рис. 1а). При этом в Азии появилось очень эффективное компьютерное производство, насчитывающее около 1,5 млн сотрудников — заводских рабочих, инжене-

ров и управляющих. Крупнейшей из азиатских компаний является Hon Hai Precision Industry, или Foxconn. Эта компания развивалась с поразительной скоростью сначала в Тайване, затем в Китае. Ее доходы в прошлом году составили 62 млрд долл. Этот показатель выше, чем у Apple, Microsoft, Dell или Intel. В Foxconn работает свыше 800 тыс. сотрудников — больше, чем в Apple, Dell, Microsoft, Hewlett-Packard, Intel и Sony вместе взятых (см. рис. 1б). До недавней волны самоубийств среди сотрудников Foxconn, работавших на гигантском комплексе в Шэнь-Чжэне, об этой компании знала лишь горстка американцев. При этом очень многие из нас знакомы с ее продукцией: это компьютеры Dell и HP, мобильные телефоны Nokia, игровые приставки Microsoft Xbox 360, материнские платы Intel и множество других хорошо известных устройств. Около 250 тыс. работников Foxconn производят в южном регионе Китая продукцию Apple. В этой компании в США работают 25 тыс. человек. Это значит, что на каждого работника в Америке приходятся 10 китайских работников, занятых на производстве изделий iMac, iPod и iPhone. Примерно то же соотношение характеризует количество сотрудников Dell, производителя жестких дисков Seagate Technology и других технологических компаний США. Вы можете возразить, как это делают многие, что создание рабочих мест за пределами США не такая уж и страшная вещь, поскольку наиболее ценная работа — и большая прибыль — остаются в Америке. Возможно, это и так. Но что будет с нашим обществом, если в нем останутся только высокооплачиваемые граждане и огромная армия безработных? Возможно, многие из нас не знают о том, что мы тратим все больше средств на создание одного рабочего места. Наблюдающуюся тенденцию можно оценить количественно с помощью


а) б) Рис. 1. В компании Foxconn работает больше сотрудников, чем в Apple, Dell, Microsoft, Hewlett-Packard, Intel и Sony вместе взятых

Рис. 2. Стоимость создания рабочих мест выросла с нескольких тысяч до сотни тысяч долларов за место

начали применяться в жилых домах Америки. В разговоре с представителями нескольких фирм я поинтересовался, откуда они получают фотоэлектрические панели — основной элемент системы. Оказалось, что все панели поставляются из Китая. Компания из Кремниевой Долины продает оборудование для производства светочувствительных пленок, отгружая китайским производителям в 10 раз больше аппаратов, чем производителям США, и этот разрыв увеличивается. Так, соотношение между количеством установок, проданных США и Китаю, в 2005 г. было 1:4, а в 2010 г. — 1:41. Неудивительно, что на американском производстве фотоэлектрических пленок и панелей работает около 10 тыс. человек, что составляет несколько процентов от числа работающих во всем мире. Экспортируются не только рабочие места, но и инновации. Например, так обстоят дела с производством усовершенствованных батарей. Значение батарей в электромобилях так же велико, как роль микропроцессоров в вычислениях. В отличие от производства микропроцессоров, доля США в производстве литиево-ионных батарей весьма невысока (1100 человек против 86500 —

суммарного количества работающих в Корее, Китае и Японии). Это серьезная проблема. Новой отрасли требуется эффективная экосистема, которая позволила бы накапливать и преумножать полученный опыт, а также устанавливать тесные взаимоотношения между поставщиками и заказчиками. США потеряли свою лидирующую роль в производстве батарей 30 лет назад, когда прекратился выпуск устройств для бытовой электроники. Производителям батарей пришлось поставлять свою продукцию на более активный сегмент ноутбуков, а затем — на автомобильный рынок. КЛЮЧ К СОЗДАНИЮ РАБОЧИХ МЕСТ

Развитие компании легко не дается. На этом этапе требуются намного большие инвестиции, чем на этапе изобретения. При этом денежные средства выделены, когда еще неизвестен потенциальный рынок. Приведу еще один пример из опыта своей работы в Intel. Инвестиции в строительство кремниевого производства в 1970-е гг. составляли несколько миллионов долларов. В начале 1990-х гг. стоимость фабрик, на которых можно было изготавливать новые процессоры Pentium, выросла до нескольких миллиардов долларов. Решение о строитель-

Электронные компоненты №9 2010

9 РЫНОК

соотношения между затратами и эффективностью обеспечения занятости. Сложим начальные капиталовложения с инвестициями, полученными от размещения IPO. Поделим эту сумму на количество сотрудников, работающих в компании 10 последних лет. Для Intel этот показатель равен 650 долл., или 3600 долл. с учетом инфляции. National Semiconductor, другой поставщик полупроводников, оказался более эффективной компанией, затратившей 2000 долл. на одно рабочее место. Те же расчеты для ряда компаний Кремниевой Долины показывают рост стоимости создания рабочих мест в США с нескольких тысяч в прежние годы до сотни тысяч долларов в настоящее время (см. рис. 2). Очевидное объяснение этого факта то, что компании стали нанимать меньшее количество сотрудников, передавая работу подрядчикам, как правило, в азиатских странах. Механизм создания рабочих мест сломался не только в компьютерной отрасли. Возьмем, к примеру, альтернативную энергетику — развивающуюся промышленную отрасль, в которой наблюдается множество инноваций. Фотоэлектрическая энергетика — изобретение США. Ее технологии впервые


РЫНОК

10

стве этих фабрик необходимо было принимать за несколько лет до того, как стало известно, что эти кристаллы успешно заработают и ими заинтересуется рынок. Нам помогли уроки, которые мы извлекли из прежних ошибок. Несколькими годами раньше, когда Intel занималась только производством микросхем памяти, мы не знали, стоит ли наращивать производственные мощности, не зная рыночного спроса в ближайшие годы. Наши конкуренты из Японии не сомневались и строили заводы. Когда спрос на микросхемы памяти резко увеличился, японцы стремительно вошли на рынок США, а бизнес Intel как поставщика запоминающих устройств пошел на убыль. Несмотря на полученную закалку, я до сих пор помню, с каким страхом просил директоров Intel разрешить потратить несколько миллиардов долларов на строительство фабрик по производству новых изделий, не говоря уже о рынке, размеры которого невозможно было оценить. К счастью, они давали «добро», даже если сомневались в успехе дела. Но риск оправдался. На мой взгляд, Intel не была безупречной компанией. Она была основана в то время, когда проще было развиваться на внутреннем рынке. Китай тогда не был открыт для бизнеса. К тому же американцы еще помнили о том, что развитие собственных компаний важно для будущего экономики страны. Как об этом можно было забыть? Вполне возможно, что так произошло из-за недооценки роли производства — уверенности в том, что пока высококвалифицированная работа остается в США, не имеет значения, где находятся фабрики. Это убеждение внушили нам не СМИ. Прочтите высказывание Алана Блайндера (Alan Blinder), экономиста Принстонского университета: «Производство телевизоров появилось у нас, и на нем было занято много рабочих. Но по мере того как телевизоры стали «просто товаром», их производство переместилось в регионы с намного меньшей стоимостью труда. Сейчас в Штатах не производится ни один телевизор. Это катастрофа? Нет, успех». Я не согласен. Мы не только потеряли огромное количество рабочих мест, но и нарушили преемственность в передаче опыта, а это немаловажный фактор технологической эволюции. Как и в примере с производством батарей, сегодняшний отказ от производства «просто товара» завтра исключает возможность появления перспективной отрасли. ТРЕБУЕТСЯ ЭКОНОМИКА, ОРИЕНТИРОВАННАЯ НА СОЗДАНИЕ РАБОЧИХ МЕСТ

Наши фундаментальные представления об экономике заключаются в том, что свободный рынок является лучшей из всех возможных экономических

WWW.ELCP.RU

систем. Чем он свободнее, тем лучше. Мое поколение стало свидетелем решительной победы принципов свободного рынка над плановой экономикой. Мы твердо верим в эти принципы, не замечая, что имеется возможность усовершенствовать такую модель. Доказательство тому — бурное развитие нескольких азиатских стран за несколько последних десятилетий. Государство играет стратегическую роль в установлении приоритетов, организации средств производства и людей для достижения поставленной цели. Быстрое развитие азиатских экономик — яркий тому пример. Достаточно ознакомиться с «Золотыми проектами» — рядом инициатив, выдвинутых китайским правительством в конце 1980-х — начале 1990-х гг. Пекин был убежден в важности построения электронных сетей для осуществления банковских операций, связи и координации, что упрощало решение вопроса по увеличению занятости населения, особенно в плохо развитых частях страны. Эти инициативы получили приоритетное финансирование. Со временем они сделали свой важный вклад в быстрое развитие информационной структуры Китая и экономического развития страны. Как разумно использовать опыт этих азиатских стран в США? В течение длительного периода времени нам следует придерживаться той модели экономики, которая ориентирована на увеличение занятости населения страны. Требуется политическое руководство, придерживающееся такой стратегии. Кремниевая Долина является сообществом с устойчивыми традициями, и его инженеры — особое племя. Они стремятся решить все проблемы, с которыми сталкиваются. Если размер прибыли у компании невелик, мы целенаправленно работаем над этим вопросом. Каждая компания, придерживаясь принципа здорового индивидуализма, делает все возможное, чтобы повысить свою эффективность и рентабельность. Однако нацеленность на развитие собственного бизнеса, в резуль��ате которой производство и большая часть разработки перемещаются в другие страны, становится препятствием на пути инновационного развития собственной экономики. В итоге мы не только теряем рабочие места, но и не развиваем передовые технологии. В этой связи хочется рассказать анекдот. Одного осужденного инженера должны были казнить на гильотине. Гильотина не сработала, и по обычаю заключенного следовало отпустить на волю. Однако инженер указал на причину поломки — проржавевший блок, из-за которого лезвие не пришло в движение, и велел палачу смазать механизм маслом. После чего лишился головы.

В нынешней ситуации мы оказались в результате того, что многие из нас целиком заняты лишь вопросами развития собственных компаний. Например, пять лет тому назад один мой друг сотрудничал с крупной фирмой венчурного капитала. Он должен был следить за тем, чтобы все начинающие компании, которые получали инвестиции от этой фирмы, перемещали рабочие места в Китай. Образно говоря, приятель ходил с масленкой и добросовестно смазывал ту самую ржавую гильотину, если она не срабатывала. Пора избавиться от этих масленок. Венчурный капитал должен работать на развитие американской экономики. Первоочередная задача заключается в восстановлении промышленности. Нам следует развивать систему финансовых стимулов: ввести дополнительный налог на продукцию, созданную на оффшорном производстве (если в результате возникнет торговая война, к ней надо относиться как к другим войнам, воюя до победы). Полученные средства можно предоставлять компаниям, которые будут тратить их на развитие американской экономики. Такой подход позволит постоянно напоминать всем участникам рынка о том, что помимо собственных интересов существует также ответственность за сохранение промышленной базы, от состояния которой зависит возможность развития и стабильность нашего общества. Я бежал из социалистической Венгрии молодым человеком в США в 1956 г. Я не понаслышке знаком с последствиями чрезмерного участия государства в экономике и социального расслоения общества. Многие американцы, вероятно, не знают о том, что на Пенсильвания-авеню танки и конница разгоняли безработных в 1932 г. Тысячи безработных ветеранов вышли на демонстрацию у Белого дома. Солдаты с оголенными штыками и заряженными ружьями оттесняли их от резиденции президента США. И это в Америке! Безработица разрушительна. Если то, о чем я говорю, выглядит как протекционизм, пусть это так и будет. Ежедневно в ресторане Пало Алто, в котором я познакомился с венчурными инвесторами из Китая, полно руководящих работников и предпринимателей. Многие из них — мои друзья. Мне известны те технологические трудности, над решением которых они работают, а также то давление, которое они испытывают со стороны директоров и акционеров. Можно ли в таком случае ожидать, что они возьмут на себя ответственность трудиться от имени тех служащих, которых еще предстоит взять на работу? Думать так наивно. Однако это реальное требование, и необходимо сделать простой выбор. Если мы желаем быть ведущей экономикой мира, мы должны изменяться сами, иначе нас изменит жизнь.


СОБЫТИЯ РЫНКА | КЛУБ ЭКСПЕРТОВ INTEL ОБСУЖДАЕТ ИТОГИ IDF 2010 | 21-го сентября 2010 г. корпорация Intel представила участникам Клуба экспертов на очередном заседании в Москве наиболее интересные выступления на форуме для разработчиков IDF 2010, который завершил свою работу в Сан-Франциско. Одним их ключевых событий IDF 2010 стало выступление Пола Отеллини (Paul Otellini), президента и главного исполнительного директора Intel. Он отметил, что сейчас наблюдается трансформация деятельности корпорации Intel: вместо разработки и производства чипов Intel предлагает платформы и решения на базе своих кристаллов и программного обеспечения. Пол Отеллини выделил три ключевые области, которые определяют сегодня развитие вычислительных систем: энергоэффективность, безопасность и возможность подключения к интернету. Второе поколение семейства процессоров Intel Core (кодовое имя Sandy Bridge) представил старший вице-президент и генеральный директор Intel Architecture Group Дэвид Перлмуттер (David Perlmutter). Эти процессоры, которые будут изготавливаться по 32-нм технологии, основаны на «кольцевой» архитектуре. В новых процессорах будет использоваться улучшенная версия технологии Intel Turbo Boost. Она автоматически перераспределяет нагрузку на ядра процессора и графические ресурсы в зависимости от запущенных приложений, при необходимости увеличивая производительность. Набор 256-разрядных команд команд Advanced Vector Extensions (AVX) обеспечит повышенную производительность, а также улучшит управление данными и ускорит работу приложений с интенсивной обработкой данных с плавающей запятой. Дуглас Дэвис (Douglas Davis), вице-президент и генеральный менеджер отделения продуктов для встраиваемых и телекоммуникационных систем Intel, сообщил, что на базе процессора Atom было создано 1200 различных систем. Он объявил о выпуске семейства СнК Atom серии E600 для встраиваемых систем. Процессор Atom E600 изготавливается по нормам 45 нм. В серию E600 будут входить процессоры с рабочей частотой 600 МГц...1,6 ГГц (с потребляемой мощностью 2,7...3,9 Вт, соответственно). Еще один новый продукт компании — СнК Intel Atom CE4200. Она базируется на ядре Atom с частотой 1,2 ГГц и предназначена для использования в интеллектуальном телевидении — системе, объединяющей стандартное телевещание с интернетом, библиотекой контента и мощными функциями поиска. Другая новинка Intel — встраиваемый процессор Stellerton, который представляет собой комбинацию ядра Atom и FPGA Altera. Одной из областей применений кристалла FPGA в Stellerton станут промышленные приложения, в которых требуется обеспечить поддержку таких интерфейсов как Profibus или FieldBus. FPGA Altera может выполнять функции сопроцессора в некоторых вычислениях. Также компания сообщила о старте программ для разработчиков Intel AppUp Developer Programm. В рамках программы планируется создание открытых приложений для нетбуков, в том числе и на базе будущей операционной системы MeeGo. www.russianelectronics.ru | КУДА ДВИЖЕТСЯ РЫНОК ИС? | Одни сегменты рынка интегральных схем показывают уверенный рост, другие — резкий спад. Так, наиболее показательна отрицательная тенденция на рынке проводной связи. Компания PMC-Sierra, производитель коммуникационных ИС и процессоров, понизила прогноз на третий квартал 2010 г. (июль-сентябрь) со 169—177 млн долл. до 161—163 млн долл. Другой производитель телекоммуникационных ИС, компания Exar, также понизила прогноз на аналогичный период с 40—42 млн долл. до 36—36,5 мнл долл. Спад связывают с пересмотром складских запасов и с возможным расторжением договоров. В других сегментах ситуация противоположна. Так, доходы Broadcom и Apple будут расти в соответствии с предварительными прогнозами. В Broadcom отмечают, что рынок показывает положительную динамику, которая сохранится, по крайней мере, до следующего года. Интересно, что в третьем квартале спрос нa Wi-Fi устройства Broadcom был невысок, а ИС combo для смартфонов, телевизионных приставок, навигаторов и карт Ethernet показали стабильный рост продаж. В текущем квартале, согласно оценке Broadcom, спрос на ИС Wi-Fi для ПК и видеосистем будет расти. С одной стороны, это обусловлено сезонными колебаниями, а с другой — истощением запасов конечной продукции. www.russianelectronics.ru

12 РЫНОК

ОТ РЕДАКЦИИ В пятом номере нашего журнала за этот год была опубликована статья Леонида Акиншина «О новизне процессоров Intel Core i3/i.5/i7. Часть 1». В статье упоминалась и продукция компании Freescale Semiconductor. В частности, автор писал следующее: – «... Встраивать в ЦП графическое ядро инженеры Freescale пока не додумались ...»; – «... процессоры марки Freescale ... до сих пор не перешагнули даже 65-нм рубеж». В редакцию пришло письмо г-на Абрамова, генерального директора компании Freescale Semiconductor Russia, в котором он опровергал приведенные выше утверждения. По его словам, Freescale много лет выпускает процессоры семейства i.Mx и PowerPC с встроенными графическими 2D/3D-ускорителями, а с 2008 г. семейство QorIQ выпускается по технологии 45 нм. Леонид Акиншин согласился с замечаниями и, как нам стало известно, принес компании Freescale Semiconductor свои извинения. Леонид Акиншин пояснил, что в статье рассматривал семейство встраиваемых микропроцессоров, ориентированных на решение задач высшей производительности (класс HPEC). Речь шла о процессорах Freescale 8xxx и Intel Core i7. Поэтому он и упустил из виду семейства Freescale i.Mx или QorIQ. Пользуясь случаем, мы просим авторов более внимательно относиться к фактическому материалу. Порой досадные неточности могут испортить впечатление от интересной статьи и спровоцировать ненужные недоразумения.

WWW.ELCP.RU


ТРЕТЬЯ РЕДАКЦИЯ IEC 60601-1. ИЗМЕНЕНИЕ ТРЕБОВАНИЙ К ИСТОЧНИКАМ ПИТАНИЯ ПИТЕР БЛИТ (PETER BLYTH), директор производства медицинского оборудования, XP Power В статье рассмотрены изменения, появившиеся в третьей редакции стандарта безопасности IEC 60601-1. Особое внимание уделено источникам питания (ИП) и минимизации рисков. устройств не требовалось сохранять работоспособность — обеспечивалась лишь отказоустойчивость, а не правильное функционирование. В третьей редакции это ограничение устранено, и теперь оборудование должно полноценно ф��нкционировать при проведении испытаний на стойкость. Стандарт требует наличия двух схем защиты, чтобы при отказе одной срабатывала вторая, оберегая оператора и пациента от поражения электрическим током. На рисунке 1 приведена общая схема электрической изоляции, которая применяется для самых значимых частей схемы медицинского прибора, а также показаны два изоляционных барьера, создаваемые схемами защиты, которые обязательно должны быть предусмотрены в устройствах, непосредственно контактирующих с пациентом. Стандарт предусматривает три варианта защиты, которые можно комбинировать между собой: защитная изоляция, заземление и защитный импеданс. Изменена терминология — базовая (одинарная) защита обозначается 1 МОР (Means of Protection — меры защиты), а двойная — 2 МОР. С самого начала процесса проектирования устройства необходимо определить несколько ключевых факторов, в том числе класс защиты и наличие защитного заземления. В первую очередь это относится к той части прибора, которая приводится в непосредственный контакт с пациентом. Для этих элементов существу-

ет отдельная классификация по уровню защиты от электрического разряда. Второе нововведение касается блоков питания (БП). В последней редакции IEC 60601-1 установлено разграничение мер защиты оператора и пациента на две категории: средства защиты оператора (МООР — Means of Operator Protection) и средства защиты пациентов (MOPP — Means of Patient Protection). Таким образом, требования по безопасности для схем, с которыми имеют контакт операторы и пациенты, могут различаться. Все, что относится к защите оператора, должно соответствовать требованиям IEC/EN 60950, определенным для информационнотехнологического оборудования общего назначения. Блоки, контактирующие с пациентом, должны подчиняться более жестким требованиям, чем было установлено во втором издании IEC 60601-1. Если какие-либо элементы прибора относятся к обеим категориям, т.е. с ними контактирует и оператор, и пациент, то применяется методика анализа риска, чтобы сформулировать ограничения и определить класс защиты. При этом понятие «близость пациента» в третьей редакции смягчено. Если во втором издании установлена дистанция 1,5 м от больного, то в третьем для определения безопасного расстояния и выявления элементов, с которыми может контактировать пациент, требуется производить оценку риска. Если

13 РА З РА Б О Т К А И К О Н С Т Р У И Р О В А Н И Е

Безопасность электронных устройств имеет первостепенное значение, особенно когда речь идет о медицинском оборудовании, для которого могут оказаться критичными даже малые паразитные токи утечки. Впервые международный стандарт безопасности IEC 60601-1 вышел в 1977 г. С тех пор в него было внесено несколько изменений, касающихся, в первую очередь, источников питания медицинского назначения. Последняя версия, третья по счету, была опубликована в декабре 2005 г. Через некоторое время она была принята практически во всем мире. В странах Евросоюза стандарт был принят в 2006 г. и получил название EN 60601-1:2006. Период перехода на новый стандарт закончился в сентябре прошлого года. В большинстве крупных стран этот стандарт принят как национальный. В США действует вариант АNSI/AAMI ES60601-1, а в Канаде — CAN/CSA C22.2 № 601.1. Очевидно, что минимизация рисков является важнейшей частью процесса проектирования любого медицинского оборудования, и именно этот аспект находится в фокусе третьего издания. Стандарт охватывает оборудование, которое подключается к сети переменного тока, и предназначается для диагностики, лечения или наблюдения пациентов. Многие диагностические устройства имеют физический или электрический контакт с больным, либо осуществляют передачу энергии к пациенту или от него. Самое значимое нововведение в третьей редакции стандарта — это обязательное для производителей оборудования требование выполнять формальную процедуру управления рисками, установленную в модели ISO 14971. Фактически это означает, что теперь стандарт распространяется не только собственно на продукт, но и на производственный процесс. Напомним, что во второй редакции упоминались только основные проблемы безопасности, а именно — защита от негативных электрических, механических, радиационных и тепловых воздействий. Однако при этом от

Рис. 1. Схема защиты в соответствии с IEC60601-1

Электронные компоненты №9 2010


анализ показывает, что вероятность контакта незначительна, то теоретически разрешается ослабить требования к схеме защиты до соответствия стандарту IEC/EN 60950. Кроме того, пациенты разделяются на тех, кто находится в сознании и в бессознательном состоянии. Предполагается, что для больного без сознания нужна большая степень защиты, а требования по безопасности пациентов, находящихся в сознании, могут совпадать с требованиями безопасности операторов. ВЫБОР ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ

Главное преимущество использования источника питания стандарта IEC/EN 60950 — это потенциальная возможность снижения издержек. Источники, удовлетворяющие более жестким требованиям IEC/EN 60601-1 МОРР (защита пациента), должны иметь большие безопасные дистанции и большие воздушные зазоры, чем стандартные готовые коммерческие блоки питания. Кроме того, к ним предъявляются повышенные требования по напряжению пробоя. Каждый блок питания, расположенный вблизи пациента, должен соответствовать требованиям IEC/EN 60601-1 по току утечки на землю. Коммерческие ИП, как правило, не соответствуют данным требованиям, поэтому придется уменьшать емкости конденсаторов. При этом ток утечки на землю снизится, но усилится электромагнитное излучение (ЭМИ) источника. В результате измененная схема вряд ли будет отвечать требованиям к ЭМИ, нужно будет применять дополнительную фильтрацию. В любом случае повторные испытания на ЭМИ могут быть дорогостоящими и длительными. Кроме того, могут повлиять и маркетинговые соображения. При использовании стандартных коммерческих источников издержки меньше, но многие производители медицинского оборудования по-прежнему пользуются ИП стандарта IEC/EN 60601-1, поскольку в противном случае могут возникнуть проблемы со сбытом товара. Производитель сталкивается с выбором: сэкономить деньги и купить источники стандарта IEC/EN 60950 для тех устройств, где это разрешено, или взять более дорогой источник, соответствующий требованиям IEC/EN 60601-1. Технология проектирования развилась настолько, что появились ИП, которые одновременно соответствуют стандартам на промышленное, информационное и медицинское оборудование. Увеличение объема производства позволяет снизить цену, поэтому такие источники становятся конкурентоспособными и могут потеснить коммерческие. Так, типичный источник питания 60 Вт для медицинского оборудования стоит около 35 долл. в партиях по несколько сотен штук. Выбирая вместо него стандартный источник IEC/EN 60950, вряд ли удастся сэкономить более 5 долл., а область применения существенно сузится. Ситуация еще больше осложняется, если приходится вносить изменения в коммерческий ИП, чтобы, например, уменьшить ток утечки. В этом случае выгоды не будет. Зато появится РА З РА Б О Т К А И К О Н С Т Р У И Р О В А Н И Е

14

ряд проблем: сокращение рынка, ухудшение репутации бренда и другие неоправданные риски. В результате применение источников IEC/EN 60601-1 МОРР является более предпочтительным вариантом для производителей оборудования. В то время как третье издание дает производителю оборудования больше возможностей выбора ИП, основной вопрос заключается в компромиссе между риском и стоимостью. Можно выбрать более дешевый источник с худшими характеристиками, сэкономив пару долларов, или взять более дорогой и качественный источник, стоимость которого будет выше, однако риск снижается до минимума. К тому же, такая экономия может обернуться несоответствием требованиям, процесс сертификации затянется или возникнут другие проблемы. ЛИТЕРАТУРА 1. Peter Blyth. How the third edition of a medical safety standard impacts power-supply selection.

НОВОСТИ СЕТЕЙ И ИНТЕРФЕЙСОВ | ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕСПРОВОДНАЯ СЕТЬ. ПОСТУЛАТ 1 | Выбирайте единицу измерения. Мощность ВЧ-сигнала измеряется в мВт или по логарифмической шкале в дБ или в дБ на единицу мощности, дБм. Поскольку мощность ослабляется по логарифмическому закону, наиболее удобной единицей является дБм. Эти величины между собой соотносятся следующим образом: 1 мВт = 0 дБм; 2 мВт = 3 дБм; 3 мВт = 6 дБм; 10 мВт = 10 дБм; 100 мВт = 20 дБм; 1 Вт = 30 дБм. Увеличение мощности в два раза соответствует усилению сигнала на 3 дБ; увеличение мощности в 10 раз соответствует усилению сигнала на 10 дБ; увеличение мощности в 100 раз соответствует усилению сигнала на 20 дБ. www.russianelectronics.ru

WWW.ELCP.RU


БАЗОВЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ IP-СЕТЕЙ ДЛЯ ВСТРАИВАЕМЫХ СИСТЕМ ВИКТОР АЛЕКСАНДРОВ, технический консультант ИД «Электроника» В статье приведены сведения об основных сетевых технологиях, применяемых для построения локальных и глобальных сетей, и показана доминирующая роль IP-технологии для встраиваемых систем. Рассмотрен стек протоколов TCP/IP и взаимодействие протоколов на каждом уровне модели OSI. Описаны особенности реализации каждого уровня модели OSI при построении сети для встраиваемых систем. Известно множество вариантов построения сети. Сетевые платформы могут быть реализованы как с помощью беспроводных технологий (Bluetooth, ZigBee, мобильная связь 3G, Wi-Fi и т.д.), так и с помощью проводных технологий (TCP/IP over Ethernet, CAN, Modbus, Profinet и др.). Однако сетевой технологией, которая полностью изменила современные возможности коммуникации, является Internet Protocol (IP). СЕТЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Основой системы коммуникаций, которой мы пользуемся каждый день, является коммутируемая телефонная сеть общего пользования (Public Switched Telephone Network — PSTN) — глобальный массив взаимосвязанных телефонных сетей общего пользования. Эта сеть с коммутацией каналов раньше была телефонной системой с фиксированными ана-

логовыми линиями. Сегодня аналоговые каналы постепенно уступают место цифровым, а в сети кроме фиксированных телефонов появились и мобильные устройства. Сетевые ресурсы PSTN предназначены для того, чтобы обеспечить продолжительность сервиса, обычно равного длительности телефонного разговора. Это справедливо для всех сервисов реального времени. В них передача данных является критичной ко времени выполнения. На представленных рисунках 1 и 2 элементы, образующие сеть между двумя соединяемыми устройствами, показаны в виде «облаков». На рисунке 1 изображена сеть с коммутацией каналов, подобная PTSN. Элементы, представленные телефонными коммутаторами, образуют сетевые каналы между источником и приемником в обоих направлениях (дуплексная

СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

16 Рис. 1. Коммутируемая телефонная сеть общего пользования (PSTN)

Рис. 2. Cеть с пакетной коммутацией

WWW.ELCP.RU

связь) для обеспечения продолжительности сервиса. При сетевой передаче данных они разбиваются на небольшие фрагменты, называемые пакетами. Сетевые ресурсы используются только, когда пакеты передаются между источником и приемником. Это обеспечивает рациональную работу оборудования, т.к. одно и то же устройство может использоваться для передачи пакетов между различными источниками и приемниками. Постоянное соединение не требуется, т.к. передача пакетов не критична ко времени. Если мы получим электронную почту на долю секунды позже, никто не будет жаловаться. На рисунке 2 показана сеть с пакетной коммутацией, в которой терминальные устройства являются крайними точками сетевого соединения и называются либо хостами (host), либо устройствами. Элементы сети, пересылающие пакеты от источника к приемнику называются узлами. Пакеты пересылаются от узла к узлу, а сетевой сегмент (хоп) представляет собой сегмент пути между двумя узлами. Каждый пакет обрабатывается каждым узлом на маршруте между источником и приемником. В IP-сети узлы называют маршрутизаторами. В IP-сетях используются не только ПК и большие ЭВМ. Все чаще сети формируются из устройств промышленной автоматики, бытового и офисного оборудования. Нетрудно представить, что в недалеком будущем ваш холодильник, стиральная машина, сушильный аппарат или тостер будут иметь выход в интернет. На рисунке 2 пакеты перемещаются в одном направлении, от рабочей станции на базе ПК к встраиваемой системе. При дуплексном обмене используются два канала (маршрута) и обработка пакетов осуществляется в обоих направлениях. Аналогичная обработка требуется для пакетов, передающихся от встраиваемой системы к ПК. Важным аспектом технологии пакетной коммутации является то, что пакеты могут проходить разными маршрутами от источника к


приемнику. В данном примере пакет 2 может появиться раньше пакета 1 во встраиваемой системе. В сети с пакетной коммутацией узлы весьма загружены, т.к. требуется одинаковая обработка для каждого пакета, передаваемого от источника к приемнику. Однако узлы не осведомлены о соединении, об этом знают только терминальные точки (хосты и устройства). В современных сетях широко используется технология пакетной коммутации. Основные особенности сети с пакетной коммутацией: – сетевая передача пакетов с промежуточным хранением; – пакеты имеют максимальную длину; – длинные сообщения разбиваются на несколько пакетов (процесс фрагментации); – в каждом пакете содержатся адреса источника и приемника. Технология пакетной коммутации использует коммутаторы пакетов (компьютеры) и цифровые линии передачи. В ней не используются соединения по запросу. Сетевые ресурсы используются совместно всей коммуникационной системой. Здесь также применяется механизм передачи с промежуточным хранением, который в IP-технологии называется маршрутизацией. Передача пакетов с промежуточным хранением означает: – хранение каждого поступающего пакета; – считывание адреса приемника в пакете; – обращение к таблице маршрутизации для определения следующего сетевого сегмента; – пересылку пакета. В конце 1990-х гг. полоса пропускания сервиса передачи данных впервые

СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

18

Рис. 3. 7-уровневая модель OSI

WWW.ELCP.RU

начала превышать полосу пропускания сервиса услуг в режиме реального времени. Эта тенденция озадачила телекоммуникационных операторов: направлять ли капитальные вложения на замену оборудования PSTN для того, чтобы обеспечить как сервис реального времени, так и сервис передачи данных, когда последний начнет доминировать в трафике? В противном случае, как следует перераспределить свои инвестиции в пользу сервиса передачи данных? Сегодня большая часть капитальных затрат в сетевой инфраструктуре тратится на оборудование поддержки сервиса передачи данных. Две технологии, которые получили большую часть инвестиций — это Ethernet и Internet Protocol (IP). Эти инвестиции гарантируют, что в ближайшем будущем наши телефонные службы будут работать исключительно с помощью технологии Voice over IP (VoIP), а телевидение — с помощью IP-сетей (IPTV). Звук, видео и все сервисы реального времени, имеющие дело с критичными по срокам данными, будут зависеть от IP-технологии. Internet Protocol быстро становится распространенной сетевой технологией. Набором протоколов, которые связаны с этой технологией и используются множеством устройств, является стек протоколов TCP/IP. ЧТО ТАКОЕ СТЕК ПРОТОКОЛОВ TCP/IP?

Пакет протоколов Internet Protocol (называемый также пакетом сетевых протоколов) — это набор коммуникационных протоколов, на базе которых работает интернет и большинство коммерческих сетей. Его также называют стеком протоколов TCP/IP по названию

двух наиболее важных протоколов, которые в него входят: Transmission Control Protocol (TCP) и Internet Protocol (IP).Будучи главными сетевыми протоколами, они не являются единственными в этом наборе. 7-УРОВНЕВАЯ МОДЕЛЬ OSI

Набор сетевых протоколов можно представить в виде набора уровней. Каждый уровень решает набор задач, в том числе передачу данных, и обеспечивает четко определенные услуги для протоколов более высокого уровня. Протоколы более высокого уровня логически ближе к пользователю и имеют дело с абстрактными данными, в то время как протоколы более низкого уровня преобразуют данные в форму, которая может быть передана физически. Каждый уровень действует как «черный ящик», содержащий предопределенные входы, выходы и встроенные процессы. Уровень — группа связанных коммуникационных функций: – каждый уровень обеспечивает сервис для вышестоящего уровня; – уровни обеспечивают модульность и упрощают разработку и модификацию. Протокол — правила, устанавливающие, каким образом объекты уровня взаимодействуют между собой для реализации желаемых услуг: – в каждом уровне может быть несколько протоколов. Приложение — то, что вызывается конечным пользователем для выполнения функции. Уровень приложения находится на самом верху стека протоколов. Международная организация по стандартизации (ISO) в 1977 г. разработала 7-уровневую модель взаимодействия открытых систем (Open Systems Interconnection — OSI). На рисунке 3 представлена эталонная модель OSI, состоящая из двух главных компонентов: абстрактной сетевой модели и набора специальных протоколов. Хосты представляют собой отдельные устройства, подсоединенные к одной той же или другой сети где-либо в мире. Следует иметь в виду, что на этой диаграмме нет понятия «расстояния». Информация передается вертикально в каждом хосте снизу вверх для передающего хоста и сверху вниз для принимающего хоста. Модель OSI предусматривает фиксированный набор из семи уровней. По существу, два объекта на одном уровне соединены горизонтальным протоколом данного уровня. Например, уровень, который обеспечивает сохранность данных, поддерживает механизм, необходимый для приложения более


СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

20

высокого уровня. В то же время он вызывает следующий более низкий уровень для пересылки или приема пакетов, что обеспечивает связь. Это отражено на диаграмме с помощью пунктирной линии «Протоколы сквозной передачи». В IP-технологии последние три уровня (сеансовый уровень, уровень представления и уровень приложения) объединяют в отдельный уровень, который называют уровнем приложения. Этот уровень предоставляет различным программным средствам возможность взаимодействия в сети на более низких уровнях, упрощая обмен данными. Сеансовый уровень управляет диалогами (сеансами) между компьютерами, а также устанавливает, контролирует и прерывает соединения между локальным и удаленным приложениями. Раньше сеансы имели большое значение в больших ЭВМ и миникомпьютерах. Однако с появлением IP-сетей этот протокол был заменен новым механизмом соединений между приложением и стеком TCP/IP. Уровень представления организует обработку данных, включая трансляцию, кодирование и сжатие, а также обеспечивает функции форматирования данных. Сегодня передача наборов символов производится в коде ASCII, а также в таких новых и широко распространенных стандартах кодировки, как HTML или XML, что существенно упростило уровень представления. Этот уровень является главным интерфейсом пользователя для взаимодействия, в первую очередь, с приложением, а в конечном итоге с сетью. Строго говоря, хотя сеансовый уровень и уровень представления существуют в стеке TCP/IP, они используются не очень часто, исключение составляют только более старые протоколы. Например, на уровне представления работают следующие протоколы: – многоцелевые протоколы расширения электронной почты интернет (Multipurpose Internet Mail Extensions — MIME) для кодирования электронной почты; – стандарт внешнего представления данных (eXternal Data Representation — XDR); – протокол защищенных сокетов (Secure Socket Layer — SSL); – протокол безопасного соединения на транспортном уровне (Transport Layer Secure — TLS); На сеансовом уровне представлены такие протоколы как: – именованные каналы; – сетевая базовая система вводавывода (Network Basic Input/Output System — (NetBIOS); 1

– протокол объявления сеанса (Session Announcement Protocol — SAP). Примерами протоколов уровня приложения являются Telnet, File Transfer Protocol (FTP), Simple Mail Transfer Protocol (SMTP) и Hypertext Transfer Protocol (HTTP). ПРИМЕНЕНИЕ МОДЕЛИ OSI К TCP/IP

При работе с TCP/IP модель OSI упрощается до четырех уровней плюс добавляется физический уровень. Используя технологию пакетной коммутации, данные, сгенерированные приложением, передаются на транспортный уровень и инкапсулируются с добавлением заголовка к данным приложения. При инкапсуляции данные передаются из одного уровня на следующий. Поскольку данные передаются вверх и вниз по стеку, они инкапсулируются и деинкапсулируются в различные структуры (путем добавления или удаления соответствующих заголовков). Эти структуры называют пакетами (TCP-пакетом, IP-пакетом или Ethernet-пакетом). Механизм упаковывания пакета, описанный выше, широко используется IP-протоколами. Каждый уровень добавляет свой заголовок и в некоторых случаях — концевик. В результате добавления служебной информации (заголовков) создаются новые типы данных (датаграммы, сегменты, пакеты, кадры). Спецификации стека протоколов TCP/IP определяются рабочей группой по стандартам для сети Интернет (Internet Engineering Task Force — IETF). IETF описывает методы, режимы, исследования и новые решения для пакета протоколов TCP/IP и Internet Protocol в документах, которые называются запросами на комментарии и предложения (Request for Comments — RFC1). Полный список документов RFC доступен на сайте www.faqs.org/rfcs/. После разработки набора IP-протоколов было сделано важное техническое допущение. Дело в том, что в конце 1970-х гг. передача сигналов, как правило, была чувствительна к электромагнитным помехам, а оптоволоконные линии работали только в условиях исследовательских лабораторий. Поэтому протоколы уровня 2 были чрезвычайно сложными, и предусматривали выполнение ряда алгоритмов проверки и коррекции ошибок. Допущение, принятое IP-специалистами, состояло в том, что сеть передачи, на базе которой действует IP-протокол, обеспечивает достаточную надежность связи. Это стало действительно справедливым, когда были внедрены оптоволоконные линии коммуникации. В результате сегодня протоколы уровня 2 стали менее сложными.

В наборе IP-протоколов за обнаружение и коррекцию ошибок данных, кроме простого контроля с использованием циклического избыточного кода (Cyclic Redundancy Check – CRC), отвечают протоколы выше второго уровня, в частности протоколы уровня 4. Однако в настоящее время в связи с быстрым проникновением на рынок новых беспроводных технологий допущение о надежности уровня 2 больше не является корректным. Системы беспроводной передачи данных являются весьма чувствительными к помехам, в результате чего увеличивается частота битовых ошибок. В IP-протоколах, в особенности в протоколах уровня 2, должны быть предусмотрены меры, которые помогают устранению этой проблемы. Есть ряд рекомендаций и улучшений к стандартному стеку TCP/IP. Например, документ RFC 2018 описывает улучшения характеристик выборочного подтверждения приема при потере нескольких пакетов из одной области данных. КАК РАБОТАЕТ СТЕК ПРОТОКОЛОВ TCP/IP?

Обычно в литературе по TCP/ IP-программированию освещение порядка работы стека протоколов и взаимодействия уровней начинается с уровня приложения или пользовательских данных и заканчивается физическим уровнем. Взгляд программиста на стек протоколов — сверху-вниз, т.е. от приложения к сетевому интерфейсу — всегда предполагает, что аппаратная часть известна и находится в неизменном состоянии. Однако для инженера по встраиваемым системам самая первая задача заключается в том, чтобы заставить работать систему на физическом уровне. При реализации стека TCP/IP специалист по встраиваемым системам начинает с физического уровня, т.к. в большинстве случаев, аппаратная часть является вновь разработанной. Во-первых, разработчик должен определить технологию локальной сети, которую предполагается использовать. Затем следует реализовать и протестировать драйвер платы сетевого интерфейса (Network Interface Card — NIC) или контроллера канала связи (Data Link Controller — DLC). Только когда кадры начинают корректно передаваться и приниматься встраиваемым устройством, инженер может двигаться выше по стеку протоколов и, наконец, приступить к тестированию того, как данные передаются и принимаются приложением. УРОВЕНЬ 1: ФИЗИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ

Физический уровень обеспечивает передачу битов по физическим цепям.

RFC — cерия документов, начатая в 1969 г., которая содержит описания набора интернет-протоколов.

WWW.ELCP.RU


УРОВЕНЬ 2: КАНАЛЬНЫЙ УРОВЕНЬ

Канальный уровень отвечает за компоновку битов в кадры и их передачу или получение через физические цепи. Именно на этом уровне выполняется большая часть работы по обнаружению и коррекции ошибок. Канальный уровень поддерживает различные протоколы передачи, в том числе: – Asynchronous Transfer Mode (ATM); – Frame Relay; – Ethernet; – Token Ring. Первой задачей специалиста по встраиваемым системам является разработка и тестирование программного обеспечения, которое управляет сетевой платой (драйвер сети), используемой на канальном уровне. Хотя на этом

уровне существует несколько сетевых технологий, Ethernet, как протокол уровня 2, затмевает собой все остальные. Согласно исследованиям компании Infonetics Research, более 95% всего трафика данных создается и завершается в портах Ethernet. Редко, когда технология оказывается столь простой, гибкой, эффективной и распространенной. Для встраиваемых систем Ethernet также является наиболее предпочтительной технологией уровня 2. ETHERNET

Учитывая повсеместное доминирование технологии Ethernet, IP и Ethernet связаны очень тесно. Успех технологии Ethernet объясняют следующие факторы: – простая и в то же время надежная технология; – открытый и универсальный стандарт; – эффективная по затратам технология; – широко распространенная технология; – широкий диапазон скоростей передачи: 10, 100, 1000 Мбит/с, 24 Гбит/с и более; – работа с медными, коаксиальными, оптоволоконными кабелями и беспроводными линиями. В сети Ethernet сетевая интерфейсная плата соединяет хост с локальной сетью. Каждая сетевая плата Ethernet имеет уникальный адрес из линейного адресного пространства. Учитывая, что локальная сеть обычно занимает сравнительно небольшое пространство, в ней используется более высокая скорость передачи данных, чем в глобальной сети. Ethernet и другие протоколы уровня 2 позволяют разработчикам создавать локальные сети. Кадры с данными передаются в среду физического уровня (медный, коаксиальный, оптоволоконный и радиочастотный интерфейсы). Сетевые карты прослушивают эту физическую среду с передаваемыми кадрами, имеющими уникальные адреса локальной сети, которые называются адресами управления доступом к среде передачи (Media Access Control — MAC). Хотя структура данных, с которыми работает сетевая карта Ethernet, называется кадром, Ethernet является технологией с пакетной коммутацией. Преобладающей физической средой, которая используется в локальной сети Ethernet, является медный провод. Возможность построения с его помощью топологии сети «звезда» и низкая стоимость обеспечили успех Ethernet, как преобладающей технологии для локальной сети. В последние несколько лет Ethernet проявил себя и как конкурентоспособная альтернатива для глобальных сетей из-за быстрого внедрения дуплексной оптоволоконной техноло-

гии Gigabit Ethernet. Успех стандарта 802.11 (Wi-Fi) также выдвинул Ethernet в качестве преобладающей технологии для беспроводных сетей, т.к. в этих сетях используется Ethernet-интерфейс между уровнями 3 и 2. Технология Ethernet определена в стандарте IEEE 802.3. Ethernet на витой паре используется в локальных сетях, а оптоволоконный Ethernet, в основном, используется в глобальных сетях, что, таким образом, делает его наиболее распространенной технологией для проводных сетей. С конца 1980-х гг. Ethernet вытеснил такие конкурирующие стандарты локальных сетей, как Token Ring, Fiber Distributed Data Interface (FDDI) и Attached Resource Computer NETwork (ARCNET). В последнее время технология Wi-Fi стала преобладающей в домашних сетях и в небольших офисах и еще больше расширила присутствие Ethernet. Технология WiMAX (IEEE 802.16) также будет способствовать дальнейшему господству Ethernet. Эта технология используется в беспроводных сетях аналогично Wi-Fi, но способна обеспечить широкополосный доступ на расстояние до 50 км для фиксированных станций и до 5…15 км для мобильных станций. УРОВЕНЬ 3: СЕТЕВОЙ УРОВЕНЬ

Чтобы обеспечить возможность связи с хостами, необходимы протоколы межсетевого обмена, которые обеспечивают связь между компьютерами, подсоединенными к разным локальным сетям. Примером этого может служить глобальная сеть интернет, т.е. сеть сетей. Когда необходимо соединить вместе несколько локальных сетей, используют протоколы уровня 3 и соответствующее оборудование (маршрутизаторы), как показано на рисунке 4. Две локальные сети соединены вместе с помощью «облака», в котором находятся узлы уровня 3 (маршрутизаторы), используемые для пересылки кадров между локальными сетями. Устройство уровня 2 (Ethernetкоммутатор) подсоединено к маршрутизатору уровня 3 для того, чтобы получить доступ к более крупной сети. Сетевой уровень упаковывает кадры в пакеты и передает их от одного устройства к другому. Он перемещает пакеты по множеству каналов и/или множеству сетей. На рисунке 4 не показаны сетевые связи между узлами в облаке. Узлы совместно выполняют алгоритмы маршрутизации для определения пути через сеть. Уровень 3 — это уровень объединения различных технологий уровня 2. Даже если все хосты используют для доступа в эти сети различные технологии уровня 2, все они имеют общий протокол. В IP-сети это обеспечивается на уровне IP-пакета и известного IP-адреса, который используется в алгоритме маршрутизации.

Электронные компоненты №9 2010

21 СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

Лучше всего он описывается на основе физических параметров и включает следующие элементы: – кабель; – соединители; – разъемы; – контакты. На физическом уровне используются следующие технологии обработки битов: – метод подачи сигналов; – метод уровней напряжения; – измерение времени передачи бита. Физический уровень определяет метод, необходимый для активации, сопровождения и деактивации канала. Можно выделить следующие технологии, которые используют среду передачи и определяют метод тактирования, синхронизации и кодирования битов: – сеть Ethernet: кабель с витыми парами категории 5, коаксиальный кабель или оптоволоконный кабель (в соответствии со спецификацией IEEE 802); – беспроводная сеть: частота, модуляция (Bluetooth радио, Wi-Fi IEEE 802.11 и др.); – цифровой абонентский шлейф (Digital Subscriber Loop — DSL), который предоставляется оператором телефонной линии для передачи высокоскоростного интернет-трафика по телефонной линии между АТС и клиентом. Это нестандартное оборудование; – коаксиальный кабель (кабельный модем), который предоставляется оператором кабельной связи для передачи высокоскоростного интернет-трафика по коаксиальному кабелю между головным офисом кабельной сети и клиентом. Физический уровень представляет собой устройство, которое можно держать в руках — сетевая интерфейсная плата или контроллер канала связи на плате. Все, что лежит выше этого уровня, является программным средством.


Рис. 5. Сетевой уровень взаимодействия

Рис. 4. Взаимодействие локальных сетей

Мы уже знаем, что такое устройство, как встраиваемая система, требует MAC-адрес для доступа в локальную сеть. Теперь мы видим также, что в сети, состоящей из сетей, использующих IP-технологию, каждому устройству также нужен IP-адрес. Более подробная информация о требованиях к конфигурации IP-адреса изложена в [1]. Каналы, показанные на рисунке 5, отражают тот факт, что данные, передаваемые между двумя хостами в сети, сформированы в структуры, которые относятся только к определенным уровням стека TCP/IP. Информация, которая содержится в пакетах, инкапсулированных в кадрах, обрабатывается сетевым уровнем. При передаче пакетов сетевой уровень захватывает данные, полученные от вышестоящего уровня, и формирует пакет, содержащий информацию уровня 3 (IP-адрес и другие данные, образующие заголовок уровня 3). Сетевой уровень после приема пакета должен проверить его содержимое и решить, что делать с ним дальше. Наиболее вероятным действием является передача его на вышестоящий уровень. СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

22

УРОВЕНЬ 4: ТРАНСПОРТНЫЙ УРОВЕНЬ

Транспортный уровень обеспечивает надежность двухточечного обмена данными. Он передает данные напрямую между процессом в одном устройстве и процессом в другом устройстве. В IP-технологии имеются два протокола на данном уровне. 1. Протокол управления передачей (Transmission Control Protocol — TCP) — обеспечивает надежную передачу потоков и выполняет: – восстановление после сбоя; – управление потоками; – планирование передачи пакетов.

WWW.ELCP.RU

2. Протокол датаграмм пользователя (User Datagram Protocol — UDP) — обеспечивает быструю одноблочную передачу. На этой стадии реализации проекта инженер по встраиваемым системам должен проверить, какой из двух протоколов (или оба протокола) потребуется для данного типа встраиваемого приложения. Протоколы транспортного уровня более подробно описаны в [1]. На рисунке 6 показано, что на сетевом уровне пакеты могут пройти через различные узлы между источником и приемником. Информация, которая содержится в пакете, может представлять собой TCP-сегмент или UDP-датаграмму. Информация, которая содержится в этих сегментах или датаграммах, относится только к транспортному уровню. УРОВНИ 5-6-7: УРОВНИ ПРИЛОЖЕНИЯ

Именно на уровне приложения специалист по встраиваемым системам реализует основные функции системы. Приложение — это программные средства, которые взаимодействуют со стеком TCP/IP и содержат либо базовый сетевой сервис, такой как передача файлов и электронная почта, либо клиентское приложение. Более подробное описание приложения и сервисов, которые могут быть использованы как модули расширения к стеку TCP/IP, содержится в [1]. Для разработки клиентского приложения инженер по встраиваемым системам должен знать интерфейс

Рис. 6. Уровни 3 и 4

между приложением и стеком TCP/IP, который называют интерфейсом сокета. Этот интерфейс позволяет разработчику открывать сокет, пересылать данные, используя сокет, принимать данные в сокет и т.д. Использование и программирование сокетов подробно описано в [1]. Интерфейс между уровнем приложения и транспортным уровнем часто является точкой разграничения стека TCP/ IP. Переходом между уровнем приложения (уровни 5-6-7) и уровнем 4 является интерфейс сокета. Приложением может быть как стандартное приложение, такое как FTP или HTTP и/или специализированное для встраиваемой системы приложение, которое следует разработать. Как было сказано выше, пользовательские данные, передаваемые от хоста источника к хосту приемника, должны проходить через много уровней и по одному или многим сетевым каналам. Из принципов, изложенных выше, видно, что для специалистов по встраиваемым системам основной проблемой является разработка драйвера для канального уровня при условии, что в проекте используется коммерчески доступный стек TCP/IP. Фактически, требуется драйвер, подходящий к имеющимся аппаратным средствам канального уровня. Если инженеру повезет, то поставщик стека TCP/IP уже предлагает драйвер для таких аппаратных средств. В противном случае драйвер необходимо разработать и протестировать. Это может стать проблемой в зависимости от сложности аппаратных средств и уровня интеграции, который требуется обеспечить для стека TCP/IP. Второй проблемой является само приложение. В этом случае разработчик должен уметь программировать сокеты и иметь достаточные знания для тестирования приложения для всех возможных условий. ЛИТЕРАТУРА 1. Christian Legare. μC/TCP-IP: The Embedded Protocol Stack//MicriumPress, 2010. 2. Michael Barr. TCP/IP and UDP/IP for Embedded Systems//www.netrino.com. 3. TCP/IP Networking Basics//Netgear, Inc. September, 2005.


ВОПРОСЫ БЕЗОПАСНОСТИ И РАЗРАБОТКИ СТАНДАРТОВ ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ ЯН ВЕРХАППЕН (IAN VERHAPPEN), Industrial Automation Networks В статье рассмотрены способы повышения надежности промышленных беспроводных сетей, а также методы и инструменты обеспечения безопасности, предусмотренные в перспективных протоколах промышленных беспроводных сетей, — WirelessHART, WIA-PA и ISA-100. Затронуты вопросы разработки основных стандартов промышленных беспроводных сетей. Статья представляет собой перевод [1]. Промышленные беспроводные сети являются перспективным направлением развития систем промышленной автоматики. Однако темпы их внедрения пока отстают от количества заказов на поставку оборудования, благодаря которым компании-разработчики технологии намерены возвратить свои инвестиции, по крайней мере, в ближайшей перспективе. Опыт показал, что любая новая технология в промышленности следует традиционной модели развития новой технологии на рынке. Это справедливо для компаний, впервые ее применивших, и для большинства компаний, которые вводят в действие опытные мелкосерийные производства или испытательные комплексы для изучения особенностей конкретной технологии. Результаты испытаний в условиях мелкосерийного производства закладывают в основу корпоративных стандартов и методик для крупносерийного производства и внедрения новой технологии. Последнее исследование компании ON World (www. ControlDesign.com/onworld)

СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

24

Рис. 1. Уровни модели OSI и передача сообщений

WWW.ELCP.RU

подтверждает, что эта тенденция характерна и для промышленных беспроводных сетей, поэтому маловероятно, что их широкое внедрение произойдет до середины нынешнего десятилетия. Если проблемы безопасности и стандартизации в области промышленных беспроводных сетей не будут решены, то их распространение отодвинется на неопределенный срок. Все промышленные протоколы в качестве базы для проектирования используют 7-уровневую модель OSI, а радиомодули стандарта 802.15.4, на которых основаны протоколы промышленных беспроводных сетей, используют два нижних уровня модели — физический и канальный (см. рис. 1). Для различных протоколов это позволяет использовать один и тот же базовый радиомодуль, несмотря на то, что каждый из них имеет свою специфику, которая определяет механизмы работы в сети в соответствии с требованиями конкретного приложения. БЕЗОПАСНОСТЬ

К счастью, инженеры, которые разрабатывают коммуникационные протоколы для промышленных сетей, знают о проблемах безопасности и разрабатываемых в этой области нормативных документах, в частности, о стандартах Североамериканского совета по электрической надежности NERC/CIP (www. ControlDesign.com/nerccip). Эти стандарты регламентируют вопросы безопасности электросети, в том числе кибербезопасности. Фактически, в круг обязанностей комиссии по стандарту ISA100 входит совместная работа по этой проблеме с комиссией стандарта ISA-99, а также сотрудничество с комиссией стандарта ISA-84 в части вопросов безопасности. Разработчики стандартов для промышленных беспроводных сетей включают в протоколы разнообразные функции защиты. Распространенным инструментом сохранения целостности данных и предотвращения преднамеренного или случайного перехвата данных между двумя узлами в сети является кодиро-


ТЕХНОЛОГИЯ WIRELESSHART

Такие методы как расширение спектра сигнала с применением кода прямой последовательности (разнообразие кодировки) и регулируемая мощность передачи (разнесение по мощности) используются и в технологии WirelessHART для того, чтобы обеспечить надежную связь даже в зоне действия других беспроводных сетей. Кроме того, WirelessHART использует синхронизированную во времени связь (разнесение во времени) для того, чтобы минимизировать вероятность возникновения коллизий путем блокирования каналов, используемых другими устройствами и сетями. В технологии WirelessHART все прямые соединения между устройствами выполняются в заранее заданном интервале времени, что обеспечивает обмен сообщениями без возникновения коллизий. Кроме того, каждое сообщение имеет определенный приоритет, чтобы гарантировать приемлемое качество сервиса (quality-of-Service — QoS) доставки. Интервалы фиксированного времени также позволяют администратору сети управлять ею без вмешательства пользователя.

Automation-Process Automation — WIA-PA) на базе стандарта IEEE 802.15.4. Сеть WIA-PA поддерживает иерархическую топологию, которая является гибридом топологии типа «звезда» и «сетка». Первый уровень сети представляет собой топологию «сетка», в которой используются устройства маршрутизации и шлюзы. Второй уровень использует топологию типа «звезда», в которой соединены устройства маршрутизации и полевые/портативные устройства. Как и другие протоколы, стек протоколов WIA-PA основан на 7-уровневой эталонной модели ISO/OSI и определяет только канальный подуровень (DLSL), сетевой уровень (NL) и уровень приложения (AL). Сетевые межсоединения устанавливаются с помощью шлюзов WIA-PA, которые кроме соединения с устройствами WIA-PA NM и SM способны обеспечивать соединение с другими устройствами WIA-PA для обмена информацией между ними. Шлюз WIA-PA также способен подсоединяться к другим сетям, таким как проводная промышленная сеть Fieldbus. Стандарт WIA-PA определяет пять типов устройств, в том числе хост-компьютер, шлюз, устройство маршрутизации, полевое устройство и переносное устройство, которое обеспечивает две функции — конфигурирование сети и мониторинг характеристик сети. Подобно другим сетевым устройствам переносное устройство WIA-PA подсоединено к сети WIA-PA через шлюз и устройство маршрутизации. СТАНДАРТЫ

Поскольку мы работаем в глобальной среде, а производители хотят, чтобы их оборудование можно было использовать повсюду, важно, чтобы и коммуникационную платформу на базе радиосвязи можно было использовать в любой стране. Исходя из того, что единственную практическую возможность связи в глобальном масштабе обеспечивает частота 2,4 ГГц, для всех трех разработанных протоколов используется диапазон ISM (Industrial, Scientific, Medical). К сожалению, многие другие устройства, включая сотовые телефоны, беспроводные домашние телефоны и даже автомобили и игрушки с дистанционным управлением, также используют частоту 2,4 ГГц. Журнал Fortune недавно опубликовал прогноз, в соответствии с которым ожидается экспоненциальный рост количества смартфонов, в результате чего ежемесячный объем передаваемых ими данных будет измеряться экзабайтами (1 экзабайт — это 1018 байт или 1 миллиард гигабайт). Такой рост трафика осложнит проблему потери сигнала и станет фактором, который разработчики стандарта будут учитывать в следующей версии протокола. В стандарте ISA100 уже сделан первый шаг в этом направлении — введена возможность повторной проверки доступности канала для его использования. Ряд беспроводных протоколов, использующих диапазон ISM, и соответствующие приложения учитывают, что со временем потребность в этих частотных диапазонах будет возрастать. Это, в свою очередь, вызовет потребность в том, чтобы промышленная сеть обеспечивала необходимое обновление дан-

25 СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

вание сообщений. В беспроводных протоколах для систем автоматизации технологических процессов предусмотрено 128разрядное AES-кодирование, ставшее стандартным в отрасли, и, кроме того, используются уникальные ключи шифрования для каждого сообщения и ключи шифрования с циклическим изменением для точек доступа при выполнении обработки запросов устройств на подключение к сети. Другими функциями, включенными в стандарты промышленных беспроводных сетей, являются проверка целостности данных (искажены ли данные?) и аутентификация устройства (действительно ли это то устройство, за которое оно себя выдает?). Это два из трех важнейших принципов кибербезопасности. Третий принцип — это права устройства, т.е. имеет ли устройство достаточно полномочий при выполнении запрашиваемой коррекции какого-либо параметра. Для устройства, которое не является частью сети, функция переключения каналов (channel hopping) осложняет возможность определения частоты, на которой будет происходить следующая передача, т.е. у этого устройства нет доступа к ключу переключения. Другой важной функцией является множество уровней ключей защиты для доступа разных лиц с разными полномочиями. Это позволяет еще больше усилить принцип наделения правами, который, как уже отмечалось, является третьим основным принципом обеспечения безопасности. Регулируемые уровни мощности передачи позволяют пользователю управлять возможностью выхода сигнала за пределы границ предприятия. Если радиосигналы не выходят за границу объекта, становится намного сложнее овладеть информацией или перехватить достаточное количество пакетов для того, чтобы иметь возможность расшифровывать формат пакета данных. Беспроводные сети имеют защитные серверы, подобные серверам RADIUS для условий офиса, и администратор сети записывает каждую попытку подсоединения к сети. Сохранение записей этих попыток позволяет поддерживать сложную таблицу маршрутизации, что обеспечивает реализацию сети на базе более простой электроники и требует использования памяти меньшего размера. Спецификация ISA-100.11a допускает использование программируемых уровней мощности для выходных радиомодулей. Такой подход можно использовать совместно с индикатором мощности принятого сигнала для оптимизации мощности радиопередачи в сети. Эта функция также может привести к нарушению безопасности сети, т.к. дальность распространения радиочастотного сигнала зависит от мощности передачи.

ТЕХНОЛОГИЯ WIA-PA

Шеньянским институтом автоматизации Китайской академии наук была предложена технология беспроводной сети для промышленной автоматики (Wireless Network for Industrial

Электронные компоненты №9 2010


Рис. 2. Расширение диапазона ISM

ных в процессах реального времени (см. рис. 2). Три организации, которые разрабатывают стандарты для промышленных беспроводных сетей, предусматривают в своих протоколах индикацию количества попыток сбоя доступа, что позволяет определить интенсивность посторонних попыток подсоединения к сети. ISA-100

СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

26

Протокол ISA-100.11a учитывает две важные характеристики, которые помогают обеспечить сосуществование сетей. С помощью медленного переключения (slow hopping) радиомодули могут переходить с одного канала на другой в поисках канала, где помехи отсутствуют. В отличие от других протоколов, в ISA100.11a можно вернуться к предыдущему занятому каналу, чтобы проверить, доступен ли он теперь. В других методах используется «черный список», в соответствии с которым канал объявляется запрещенным или недоступным, и его никогда заново не просматривают. Однако в ISA-100.11a используется «белый список», в котором зафиксированы каналы, пригодные для нужд сети. В стандарте ISA-100 модифицирован канальный уровень 802.15.4 с целью улучшения надежности приема сигнала в промышленной среде. Любой протокол, соответствующий полной спецификации IEEE 802.15.4, должен уступить место стандарту IEEE 802.11 в соответствии с требованием совместимости со стандартом. Стандарт ISA100.11a не является полностью совместимым с IEEE 802.15.4. В сети ISA100 используются радиомодули IEEE 802.15.4, т.к. они недороги и доступны, однако был реализован другой протокол управления доступом к среде (MAC) для улучшения надежности и смягчения проблемы сосуществования сетей, связанной с семейством 802-х стандартов. Профили в ISA-100.11a позволяют пользователям выбрать желаемый уровень защиты. Важнейшей функцией ISA100.11a является возможность распре-

WWW.ELCP.RU

деления ключей. Стандарт ISA-100.11a допускает перераспределение ключей в режиме реального времени, так что кража устройства не дает возможности получения доступа к ключу, который может быть неизменным всегда. Такое распределение выполняется по радиосвязи, поэтому персоналу обслуживания пользователей нет необходимости осуществлять доступ к каждому устройству для ввода нового ключа. Другие протоколы, присутствующие на рынке, используют ключи, введенные во время производства, поэтому их нельзя изменить. Или же их можно изменить только с помощью внеполосного сигнала от переносного устройства, которое должно иметь возможность соединения с каждым узлом в сети. Конечные пользователи, работающие в комиссии по ISA-100, согласились на кратковременный риск беспроводной передачи ключей, как на наилучший компромисс, доступный в этой ситуации. Стандарт ISA-100.11a использует три различных подхода для оптимизации потребления электроэнергии. Протокол ячеистых сетей с синхронизацией по времени (Time Synchronized Mesh Protocol — TSMP) компании Dust Network в рамках соглашения о стандартном доступе предусматривает активизацию узлов в сети только, когда имеются сообщения, которые нужно передать. Другие протоколы ячеистых сетей требуют, чтобы питание промежуточных узлов осуществлялось без перерыва. Спецификация ISA-100.11a допускает, чтобы конечные узлы были совершенно немаршрутизируемыми. Это позволяет использовать беспроводные датчики peel-and-stick для некоторых простых систем. Поскольку эти узлы немаршрутизируемы, их не нужно активизировать для передачи сообщений по ячейкам сети. Кроме того, не планируется их принятие Международной электротехнической комиссией (IEC). Каждый из трех стандартов находится на разной стадии рассмотрения и утверждения.

WirelessHART. Международная электротехническая комиссия приняла коммуникационный стандарт WirelessHART (HART 7.1) как общедоступную спецификацию в 2008 г. (IEC/PAS 62591, Ed. 1). В настоящее время национальные комитеты 29 стран принимают участие в обсуждении проекта стандарта, и, следовательно, он находится на самой ранней стадии среди трех стандартов промышленных беспроводных сетей, которые планируются к рассмотрению IEC. WIA-PA. Рабочая группа по рассмотрению этого стандарта начала работу в 2006 г. на основе информации, представленной более чем 20 компаниями, институтами и университетами Китая. 31 октября 2008 г. WIA-PA прошел процедуру голосования в подкомитете IEC/SC65C, был опубликован в качестве спецификации IEC/PAS 62601 и прошел стадию проекта стандарта, рассматриваемого техническим комитетом, 5 марта 2010 г. Параллельно с этим стандарт был представлен в Управление по стандартизации Китая (Standardization Administration of China — SAC), и после его утверждения он станет национальным стандартом Китая. ISA-100. ISA-100.11a-2009 — это стандарт, опубликованный ISA и одобренный Советом ISA по стандартам и правилам (ISA Standards & Practices Board) 8 сентября 2009 г. В ходе дальнейшего рассмотрения принятого документа было выявлено, что в ISA-100.11a-2009 необходимо внести некоторые коррективы. В настоящее время не имеет смысла представлять спецификацию ISA-100.11a-2009 на утверждение в ANSI, т.к. он требует доработки. После внесения корректив ISA представит новую версию спецификации (ISA-100.11a-2010 или -2011) на утверждение в ANSI в качестве Американского национального стандарта. До сего момента ISA-100.11a-2009 является стандартом, одобренным ISA, и он будет действовать до завершения работы над новой версией. До тех пор пока стандарт ISA-100 не будет принят в качестве стандарта ANSI, он не будет представлен на одобрение в IEC. Подобно любой новой технологии внедрение беспроводных промышленных сетей не может не вызывать определенных проблем. Однако многие волнующие специалистов вопросы снимаются в процессе разработки тех стандартов, на базе которых на рынок выпускаются новые продукты. Беспроводные промышленные сети пока не готовы для массового применения, но, несомненно, их развитие идет именно в этом направлении. ЛИТЕРАТУРА 1. Ian Verhappen. Security and Standards Delay Adoption and User Affinity. Industrial Wireless Worries//Industrial Networking, 2, 2010.


ПРИЛОЖЕНИЯ ZIGBEE: ОБМЕН ДАННЫМИ, API И PAN ДРЮ ГИСЛАСОН (DREW GISLASON), президент San Juan Software В статье [1] рассмотрены типы передачи данных по сети ZigBee, реализация протоколов API на различных платформах и принцип организации персональной сети на основе ZigBee. Печатается в сокращении. пакета. Обычно принимается, что для передачи пакета требуется по 10 мс на каждый промежуток между абонентами. Сложности возникают, когда требуется повторная посылка или вычисление маршрута. Для выбора маршрута производится широковещательная рассылка, а устройство, начавшее передачу, должно ждать. Повторные посылки делятся на пошаговые — MAC и между конечными устройствами — APS. Если один узел инициирует передачу другому, находящемуся на расстоянии четырех скачков (см. рис. 2), то в среднем пакет будет принят через 40 мс, а подтверждение придет через 80 мс. При индивидуальной передаче с подтверждением может быть произведено до трех повторных передач с интервалом 1,5 с, т.е. в худшем случае задержка может составить около 5 с. Размер пакета не влияет на задержку, если канал относительно свободен, поскольку время ожидания выбирается случайным образом, уменьшая время передачи. Но если канал загружен, то вероятность повторной посылки экспоненциально возрастает с увеличением длины пакета. В связи с этим рекомендуется пересылать короткие пакеты, чтобы сократить задержку и уменьшить занимаемую полосу, освобождая ресурс для других приложений. Передача в больших пакетах целесообразна только в случае, если данные имеют очень большой объем.

передачи данных APSDE-DATA.request на оборудовании Freescale вызывается инструкцией AF_DataRequest(), а на платформе Ember — инструкцией emberSendDatagram(). Хотя обе функции называются по-разному и имеют неодинаковый набор аргументов, они производят одно и то же действие — передачу октета. К сожалению, сеть ZigBee не может сама определить тип оборудования того или иного узла, разработчику приходится догадываться об этом по косвенным признакам и особенностям поведения устройства. Заметим, что оборудование с меткой ZigBeecertified является полностью совместимым, вне зависимости от производителя. Рассмотрим реализацию протоколов API четверкой крупных производителей: Texas Instruments, Ember, Integration Associates и Freescale. TEXAS INSTRUMENTS

В 2006 г. компания TI купила Chipcon, небольшую норвежскую фирму, занимающуюся производством РЧ-устройств и оборудования ZigBee. Бренд Chipcon до сих пор используется (например, CC2430). Решение Z-Stack можно свободно загрузить с официального сайта TI. В Z-Stack прописаны функции, по структуре очень похожие на команды ZigBee. Так, функция передачи данных AF_DataRequest() выгля-

27

ПРОГРАММНЫЙ ИНТЕРФЕЙС ZIGBEE

Для интерфейса ZigBee нет единого для всех платформ прикладного протокола API. Сделано это намеренно, чтобы предоставить совершенствование протоколов API производителю платформы. Для разработчика это означает, что при переходе на другую платформу необходимо вносить поправки в программное обеспечение. Чтобы упростить эту задачу, рекомендуется выполнять часть кода, отвечающую за обмен со стеком, на отдельном МК. В стандарте прописаны только функции ZigBee. Команды, вызывающие ту или иную функцию, имеют разную структуру в зависимости от используемой платформы. Например, команда

Рис. 1. Виды запросов

Рис. 2. Задержка при передаче пакета

Электронные компоненты №9 2010

СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

ОБМЕН ДАННЫМИ

Основное назначение беспроводной сети — обеспечение качественной передачи данных между узлами. В стандарте ZigBee наиболее надежный маршрут доставки пакетов выбирается автоматически. Для посылки данных нужна только одна команда, например, AF_DataRequest (&addrInfo, iDataSize, pPtrToData, NULL). В сети ZigBee используются стандартные термины, определенные организацией IEEE: – Data Request — запрос на передачу; – Data Confirm — сигнал, подтверждающий получение данных; – Data Indication — сигнал о наличии данных в канале. Как пок��зано на рисунке 1, эти запросы посылаются приложением. Каждому запросу данных в ответ генерируется только один сигнал подтверждения, указывающий на успешный прием или неудачу. Сигнал наличия данных может быть послан в любое время. Передача бывает нескольких видов: – точка-точка (Unicast) со сквозным подтверждением; – точка-точка (Unicast) без подтверждения; – широковещательная передача (Broadcast); – групповая передача (Groupcast/ Multicast). При индивидуальной рассылке сначала между узлами автоматически выбирается маршрут. После подтверждения пакет посылается повторно до трех раз. Иногда маршрут передачи изменяется, если промежуточный узел выходит из строя. Широковещательные данные передаются всем узлам сети, находящимся в пределах досягаемости. Групповая передача осуществляется в пределах определенной группы узлов. ZigBee — асинхронный протокол, поэтому каждый узел может инициировать передачу в любой момент времени. Например, когда пользователь включает свет, данные посылаются мгновенно, независимо от быстродействия выключателя. Недостаток ZigBee заключается в том, что нельзя предсказать задержку


дит следующим образом: afStatus_t AF_DataRequest(afAddrType_t *dstAddr, endPointDesc_t *srcEP, uint16 cID, uint16 len, uint8 *buf, uint8 *transID, uint8 options, uint8 radius). Адреса конечной точки и соответствующего узла (или группы) содержатся в структуре afAddrType_t. Устройствоисточник и идентификатор (ID) кластера — прямые параметры. Параметры len и buf характеризуют нагрузку приложения и содержат указатель на идентификатор транзакции, с помощью которой приложение контролирует, какой ID будет закреплен за прикладным уровнем APS. Идентификатор автоматически инкрементируется командой AF_DataRequest(), если сообщение буферировано. Компания TI предлагает два интерфейса Z-Stack: полную (см. выше) и упрощенную версию — Simple API. В стеке Simple API содержится меньше команд и опций, однако приложение становится значительно проще для программиста. Например, в упрощенном варианте запрос данных выглядит следующим образом: void zb_SendDataRequest (uint16 destination, uint16 commandId, uint8 len, uint8 *pData, uint8 handle, uint8 ack, uint8 radius). Среди аргументов нет адресов конечных устройств, идентификаторов кластера и профиля. Все они принимают значения, зарезервированные в индивидуальном профиле Simple API. Сигнал Data Indication в Simple API высылается командой void zb_ReceiveDataIndication (uint16 source, uint16 command, uint8 len, uint8 *pData). EMBER API

СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

28

Ember — небольшая американская компания, образованная несколькими инвесторами, в т.ч. Бобом Меткалфом (Bob Metcalf), основателем технологии Ethernet. Подход Ember отличается от рассмотренного выше. Компания использует транспортный уровень и расширяет набор функций, определенный в стандарте ZigBee: – emberSendDatagram(); – emberSendSequenced(); – emberSendMulticast(); – emberSendLimitedMulticast(); – emberSendUnicast() посылает индивидуальные сообщения APS; – emberSendBroadcast () посылает широковещательные сообщения APS. Пример использования команды emberSendDatagram():

Рис. 3. Используемая полоса частот ZigBee

WWW.ELCP.RU

EmberStatus AppSendDatagram (int8u clusterId, int8u *contents, int8u length) { EmberMessageBuffer message = EMBER_NULL_MESSAGE_BUFFER; EmberStatus status; if (length ! = 0) { message = emberFillLinkedBuffers (contents, length); if (message = EMBER_NULL_MESSAGE_ BUFFER) return EMBER_NO_BUFFERS; } status = emberSendDatagram (0, clusterId, message); if (message ! = EMBER_NULL_ MESSAGE_BUFFER) emberReleaseMessageBuffer (message); return status; } Еще одна особенность подхода Ember — использование связанных буферов по 32 байт, которые образуют один большой буфер для хранения сообщений, полученных по беспроводному каналу. Протоколы EmberZNet имеют и другие интересные свойства, например, удаленное обновление программного стека по беспроводной сети или Ethernet. Возможность обновления по беспроводному каналу позволяет расширять функционал или корректировать ошибки, однако в то же время представляет собой потенциальную лазейку для несанкционированного доступа. В отличие от TI или Freescale, для подключения платы ZigBee к ПК компания Ember использует интерфейс Ethernet, а не USB. Достоинство этого подхода заключается в том, что доступ к устройствам ZigBee осуществляется с помощью любого компьютера в сети. Однако при этом стоимость решения возрастает. INTEGRATION ASSOCIATES API

Компания Integration Associates предлагает решение EZLink. Его особенность заключается в том, что МАСуровень ZigBee реализован аппаратно. Это открывает доступ к определенным функциям, например шифрации и дешифрации. Решение может быть выполнено на отдельном модуле IA-OEM DAMD1 2400 или в виде USBфлэшки, на которой уже установлена

удобная программная среда для мониторинга сети и управления ею. FREESCALE API

Компания Freescale предлагает инструмент BeeKit для конфигурации стека через ПК. В набор BeeStack входят не только протоколы обмена, но и управления устройствами. Например, стек протоколов EC-Net разработан для удаленного управления телевизором. ПЕРСОНАЛЬНЫЕ СЕТИ ZIGBEE

Узлы ZigBee могут только посылать запросы данных друг другу. Такая сеть получила название персональной (PAN — Personal Area Network). В сети ZigBee определены три типа логических устройств: координатор (ZC — ZigBee Coordinator), маршрутизатор (ZigBee Router) и оконечное устройство (ZED — ZigBee End Device). Из них только координатор может формировать сеть, остальные — только подключаться к ней. Тип устройства определяется разработчиком. КАНАЛЫ

Сети ZigBee работают на полосе 2,4 ГГц на каналах 11—26, разделенных интервалом 5 МГц (см. рис. 3). В устройствах Freescale каналы имеют номера 0—15, поэтому их надо транслировать в каналы 11—26. В сетях ZigBee используется уплотнение спектра (DSSS — Direct Sequence Spread Spectrum). Передача производится в полудуплексном режиме. В каждый момент времени доступен только один канал. Обычно в протоколах ZigBee не используется переключение канала. Высокое качество работы даже в условиях сильной зашумленности обеспечивается модуляцией O-QPSK и уплотнением DSSS. Выбор канала производится пользователем. Устройство при подключении к сети сканирует все каналы. При формировании сети сканирование проводится дважды: в пассивном и активном режимах. Разработчику предоставляется возможность использовать два режима работы сети: с «маяком» (beaconenabled) и без него (beacon-disabled). Режим beacon-enabled обеспечивает строго структурированную по времени передачу данных в рамках суперциклов, что позволяет определить время задержки на отсылку пакета. Маяком в сети является координатор, который рассылает сообщения синхронизации. Пассивное сканирование позволяет выбрать наиболее свободный канал, а при активном сканировании координатор рассылает найденные в сети запросы маяка (beacon request), чтобы определить занятые идентификаторы PAN. По умолчанию сеть ZigBee выбирает канал с наименьшим количеством сетей и с самым низким уровнем шума. При подключении устройства к сети прово-


ИДЕНТИФИКАТОРЫ PAN

Идентификаторы (PAN ID) используются для логического отделения узлов одной сети ZigBee от узлов другой, если сети расположены на одной и той же территории либо работают в одном канале. Благодаря разным ID несколько сетей могут существовать в непосредственной близости друг от друга без интерференции. Идентификатор ZigBee представляет собой 16-разрядное число от 0x0000 до 0x3fff. Заметим, что в стандарте 802.15.4 идентификаторы имеют значения в диапазоне 0x0000—0xfffe. В версии ZigBee 2006 идентификаторы имеют уникальное значение на данном канале, т.е. в разных каналах могут работать устройства с одинаковым ID. В ZigBee 2007 это запрещено из-за применения функции

Таблица 1. Длительность сканирования Значение 0 1 2 3 4 5 6 7

Длительность, мс 31 46 77 138 261 507 998 1 981

быстрой подстройки частоты (frequency agility), которая разрешает сети переключать каналы для поиска лучшего. При формировании сети PAN ID принимает значение 0xffff, которое говорит о том, что приложение запрашивает у стека случайный идентификатор, не конфликтующий с ID других, работающих поблизости, сетей. При подключении к сети ID = 0xffff означает, что узел хочет подключиться к любой сети. Идентификатор выбирается пользователем. РАСШИРЕННЫЙ ИДЕНТИФИКАТОР PAN

Расширенные идентификаторы (EPID — Extended PAN ID) представляют собой 64-разрядные числа, которые уникальным образом идентифицируют персональную сеть. Обмен данными производится с использованием 16-разрядного идентификатора, кроме одного случая. Ответный кадр, посланный на запрос

Значение 8 9 10 11 12 13 14

Длительность, мс 3 948 7 880 15 744 31 473 62 930 125 844 251 674

маяка, содержит расширенный идентификатор сети, чтобы узел, который хочет подключиться к сети, выбрал нужный ID. Когда узел ZigBee хочет подключиться к сети, он всегда высылает запрос маяка. Затем он анализирует все полученные ответные маяки и выбирает подходящий. Расширенные идентификаторы не устанавливаются ни одним комитетом стандартов. Для старших 24 разрядов EPID рекомендуется использовать OUI — уникальный номер, присвоенный сетевому устройству производителем. Интересно, что расширенные ID абсолютно не связаны с 16-разрядными идентификаторами и МАС-адресами и используются исключительно для нахождения узлом нужной сети. ЛИТЕРАТУРА 1. Gislason Drew. Networking.

Zigbee

Wireless

29 СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

дится только активное сканирование. Если сеть уже сформирована и подключаемое устройство получило ответный кадр маяка (beacon response), то канал считается достаточно тихим. Длительность сканирования обозначена в стандарте 802.15.4 целым числом от 0 до 14 (см. табл. 1). В платформе Freescale выбор канала и длительности сканирования производится программно с помощью команд mDefaultValueOfChannel_c в файле ApplicationConf.h и gScanDuration_c в ��айле BeeStackConfiguration.h.

Электронные компоненты №9 2010


СЕНСОРНЫЕ СЕТИ НА ОСНОВЕ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ISON ДЛЯ УДАЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ НИКОЛАЙ КАНДАРАЦКОВ, технический директор, ООО «Цифровой Дракон»

В статье рассказывается о разработанной компанией «Цифровой Дракон» программе ISON — интеллектуальной самоорганизующейся беспроводной сети, все узлы которой имеют автономное питание.

СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

30

Беспроводные технологии передачи данных широко применяются как в пользовательских (Wi-Fi), так и в промышленных (Zigbee и т. д.) целях. Эти технологии используются для решения разных задач. Если Wi-Fi оптимизирован для высокой пропускной способности, обеспечивающей просмотр видео в режиме онлайн, то от Zigbee и других индустриально ориентированных стандартов обычно требуется передача небольшого количества информации с повышенной надежностью. Передача данных в промышленности используется для снятия телеметрии с некоторых датчиков, а также для управления исполнительными устройствами (клапанами, двигателями и т.д.). Под термином «промышленное использование» подразумевается применение не только в масштабе промышленных предприятий, но и в области автоматизации жилых объектов, например, охранно-пожарных комплексов, «умных» домов и т.д. ZigBee был разработан как отраслевой беспроводной стандарт для использования преимущественно в жилых зонах. И хотя этот стандарт имеет высокий статус проработки, при его использовании наблюдаются некоторые трудности. В первую очередь — неоправданная сложность программного кода. Сам стандарт занимает несколько сот страниц текста, реализовать который могут позволить себе только очень крупные компании. Есть вопросы к этому стандарту и с точки зрения технологии. В первую очередь имеется в виду необходимость сетевого питания для так называемых маршрутизаторов, которые осуществляют пересылку данных с конечных устройств к устройствам накопления данных. Во многих случаях это непозволительная роскошь, т.к. часто (особенно в промышленных зонах) необходимо обеспечить установку датчиков на

WWW.ELCP.RU

большой и топографически сложной территории. Эту проблему можно решить посредством установки конечных устройств с повышенной мощностью выходного радиосигнала, что, однако, негативно сказывается на их потреблении. Другая проблема — необходимость специального устройства, которое координирует работу всей сети. Таким образом, сеть ZigBee является достаточно централизованной, нуждается в постоянном питании маршрутизаторов и имеет большое количество ограничений на среду передачи данных (только радио) и частоту (868, 915, 2.4). Существует несколько разработок, более-менее свободных от этих недостатков. Самая известная архитектура, где предприняты попытки решить некоторые проблемы беспроводных сенсорных сетей — операционная система TinyOS. Это открытая архитектура, оптимизированная для использования на небольших микроконтроллерах и предназначенная для реализации различных видов беспроводных сенсорных сетей. Многие коммерческие разработки используют TinyOS как стартовую площадку. Требования к сети без недостатков реализации ZigBee выглядят следующим образом: – полностью автономное питание. Все устройства должны иметь возможность работы только от батарей достаточно продолжительное время (годы); – децентрализация. Необходимо по возможности исключить из сети «особые» устройства, необходимые для ее жизнеспособности; – поддержка других сред передач данных (RS-232/485, Ethernet и т.д.); – простота инсталляции. В идеале в устройство необходимо только вставить батареи, после чего оно должно само зарегистрироваться и «доложить» о своих способностях (датчики, актуаторы).

В свете этих требований компания «Цифровой Дракон» разработала систему ISON. Ее основные отличия и преимущества как раз и заключаются в полной автономности по питанию и поддержке различных сред передачи данных. Топология сети ISON представлена на рисунке 1. На данный момент система работает в частотном диапазоне 433 МГц, что позволяет увеличить дальность радиопередачи на большой территории. Впрочем, не представляет большой сложности перевести систему на любой другой частотный диапазон. Кроме того, она поддерживает несколько сетевых интерфейсов, что в ряде случаев обеспечивает возможность использования в качестве канала связи провода (232, 485, Ethernet). Это важное преимущество, т.к. протокол прокладки маршрутов (модифицированный AOMDV) используется по всем интерфейсам. В результате не нужно задумываться о радиодоступности того или иного сегмента сети, т.к. в крайнем случае всегда можно проложить проводную связь к недоступному сегменту без необходимости каких бы то ни было настроек или модификаций. К настоящему времени реализованы интерфейсы через RS-232, RS-485 и Ethernet. Один из неприятных моментов, связанный с реализацией ISON, — малый объем оперативной памяти современных малопотребляющих микроконтроллеров, т.к. в сложной системе в условиях повышенного трафика одному устройству необходимо сохранять большое количество непересекающихся маршрутов, для чего и необходим большой объем памяти. Система предполагает большую децентрализацию. Образно говоря, можно связать некий датчик физической величины с неким актуатором, находящимся в другом сегменте сети. Связь при этом будет выполнена напрямую, минуя центральный узел. Это повышает устойчивость сети, т.к.


Рис. 1. Топология сети ISON

Рис. 2. Агрегация данных в сети ISON

мени (несколько секунд), а операция восстановления позволяет обойти эту проблему. Датчики физических величин (сенсоры) описываются с помощью жестких структур, разделенных на структуры конфигурации сенсора и статистики (текущих данных). Все сенсоры имеют абстрактный интерфейс, позволяющий применять стандартные команды типа «включить», «выключить», «изменить конфигурацию» и т.д. Встроенная система сбора данных опрашивает сенсоры через заданный интервал времени, сохраняя статистику, и передает данные на узлы сбора телеметрии. Для этого она использует систему агрегации данных на ближайшем соседе, который выбирается методом голосования, исходя из возможности узла (емкость батарей, загруженность). Кроме этого, есть возможность связать сенсор с актуатором на другом или том же узле для управления неким физическим устройством. Для управления системой ISON существует программное обеспечение ISON Studio, которое позволяет производить основные настройки (конфигурацию сенсоров, связь сенсоров и актуаторов, сбор телеметрии). ПО было разработано с учетом

повышенной надежности. Несколько экземпляров работающего ПО на разных компьютерах, включенных в одну сеть, автоматически синхронизируются между собой. ПО позволяет представлять систему в виде объектов с неограниченной вложенностью, с возможностью графического вывода одних и тех же сенсоров в разные объекты. Например, датчик температуры между 2 и 3 этажами может присутствовать в плане и второго, и третьего этажей. Датчики считаются удаленными из системы, когда на них больше нет ссылок из объектов. ПО также позволяет визуализировать набранную телеметрию в виде графиков и накапливать информацию во внешней базе данных. ПО разработано с помощью кросс-платформенной библиотеки QT, что позволяет использовать его под различными операционными системами (Windows, Linux, Mac OS). Для добавления нового типа сенсора (допустим, сенсора атмосферного давления) — необходимо описать его и с помощью языка javascript через документированный интерфейс ПО. Описание с помощью скриптового языка позволяет оставаться в платформенно независимой среде. Описывается как графическое представление сенсора (иконки и их поведение), так и контекстное меню и поля для сохранения в базе данных. Данная система была применена в разработанной нами пожарной сигнализации АПС-1Н для удаленных объектов. Пожарная сигнализация установлена на объектах большой площади, многие из которых не имеют постоянных источников электроснабжения (см. рис. 3). Применение проводной сигнализации для таких типов объектов оказалось неэффективным как с позиции стоимо-

Электронные компоненты №9 2010

31 СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

при выходе из строя центрального узла или при невозможности передать данные на центральный узел — связь между устройствами останется живой. Как такового центрального узла не существует. Обычно необходимо передавать данные (телеметрию) на какойлибо узел для последующей обработки человеком или компьютером. Для оптимизации этой задачи есть несколько решений. Первое из них — агрегация данных (см. рис. 2). Промежуточные узлы сети накапливают данные (насколько это возможно при свободных ресурсах и ограничениях) и передают их одним большим пакетом, куда входит телеметрия от нескольких устройств и, возможно, за несколько периодов времени. Второе решение — децентрализация центральных узлов. Создается некий виртуальный центральный узел, маршруты до которого якобы знают устройства, имеющие физическую связь с компьютером или компьютерами. Данные передаются на этот виртуальный узел по разным маршрутам. В результате при выходе из строя одного или нескольких реальных маршру��ов доставки телеметрии находятся другие маршруты, которые передают информацию системе сбора данных. Модули маршрутизации также имеют несколько вариантов реализации — AOMDV и жесткие маршруты на основе таблиц, редактируемые пользователем. В качестве протокола выбора маршрутов используется модифицированный AOMDV. Буква «M» говорит о дополнительной возможности построения избыточных маршрутов к стандартному протоколу AODV, который используется в ZigBee. При сбое одного из маршрутов от точки А до точки Б сразу же начинает использоваться резервный маршрут. Обычно при большом количестве устройств на объекте существует сразу несколько маршрутов между двумя заданными точками. Часть этих дополнительных маршрутов прокладывается в момент поиска (реактивного) маршрута. Существует несколько алгоритмов выбора текущего маршрута для доставки данных, исходя из требований пониженного потребления, скорости доставки или состояния радиосреды. При невозможности связи с соседом для передачи данных — маршрут переводится в состояние восстановления, что позволяет возобновить маршрутизацию через узел, не запуская дорогостоящую операцию поиска новых маршрутов. В радиосреде часто бывает, что сосед недоступен для связи небольшое количество вре-


В настоящий момент АПС-1Н дополнена прибором управления (ППУ), позволяющим производить, в том числе и в автономном режиме, запуск автоматических порошковых установок пожаротушения типа Bizon. При этом используется несколько преимуществ системы ISON: – связь между несколькими модулями ППУ и некоторыми датчиками происходит по проводам для обеспечения ее надежности, и это нисколько не влияет на возможность прокладки автоматических маршрутов; – запуск ППУ (для тушения пожара) происходит в автоматическом режиме, без промежуточных управляющих модулей; – малое энергопотребление кода ISON, позволяющее проработать модулю ППУ на автономном питании до 12 лет с выполнением всех необходимых требований (диагностика целостности линий электропитания и связи АУП, пожарных оповещателей, выдача сигнала о срабатывании и т. д.).

Рис. 3. Типовая охраняемая территория для АПС-1Н

ВЫВОДЫ

Рис. 4. Элементы автоматической пожарной сигнализации АПС-1Н

СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

32

сти, так и с позиции обслуживания. Использование стандартной системы ZigBee тоже оказалось невозможно, т.к. на некоторых объектах отсутствовали постоянные источники электропитания, необходимые для маршрутизаторов. С учетом периметра охраняемой территории (до 12 км) без маршрутизаторов обойтись невозможно. Дополнительная особенность охраняемых объектов — необходимость довести сигнал тревоги до нескольких (обычно 2) мест, разделенных географически. Мы разработали систему, состоя-

WWW.ELCP.RU

щую из датчиков пламени, дыма, движения и ручных извещателей, способных проработать от литиевых источников питания более 5 лет (см. рис. 4). Конструктивно были выделены маршру тизаторы, которые кроме антенны и корпуса ничем программно не отличаются. Каждый датчик способен не только генерировать информацию, но и участвовать в маршрутизации сообщения от других источников системы. Эта сигнализация установлена и успешно эксплуатируется на нескольких десятках предприятий.

1. Разработанный компанией «Циф ровой Дракон» программный продукт ISON — интеллектуальная самоорганизующаяся беспроводная сеть — не требует специальных устройств, ограничивающих область его применения. Все объектовые элементы питаются от автономных источников питания (батареек), срок службы которых превышает 10 лет, а температурный диапазон эксплуатации варьируется в пределах: –50…85°С. Это техническое решение позволяет потребителю отказаться от прокладки не только проводных информационных сетей, но и силовых сетей электропитания. 2. ISON реализован в виде беспроводной пожарной сигнализации АПС-1Н для специальных применений и в настоящий момент эксплуатируется на нескольких десятках объектов. 3. Дальнейшее развитие ISON видится в практическом развитии беспроводных телеметрических сетей с автономными источниками питания.


USB 3.0: БОЛЬШЕ, ЧЕМ ПРОСТО УВЕЛИЧЕНИЕ СКОРОСТИ ДЭН ХЭРМОН (DAN HARMON), менеджер по маркетингу продукции, Texas Instruments

Интерфейс USB 3.0 привлекает к себе большое внимание, т.к. на рынке стали доступны продукты на его базе. Кроме очевидного преимущества этой спецификации — 10-кратного увеличения скорости относительно USB 2.0, имеется ряд других существенных улучшений предыдущей версии стандарта. В статье рассмотрены особенности протокола USB 3.0, позволяющие повысить эффективность использования шины и снизить общее энергопотребление системы, а также вопросы совместимости новой и старой версий стандарта. Статья представляет собой перевод [1].

МЕНЬШЕ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ПЕРЕСЫЛКИ ТОГО ЖЕ ОБЪЕМА ДАННЫХ

Первым ключевым аспектом разработки новой спецификации стало повышение энергоэффективности. Это необходимо для увеличения срока службы батарей портативных приборов. В новой спецификации использовано несколько подходов, которые позволили добиться снижения общего энергопотребления USB-устройств, а также: – исключения опроса устройств; – исключения широковещательных пакетов; – введения промежуточных состояний шины с малым энергопотреблением; – увеличения скорости передачи в 10 раз. В спецификации USB 2.0 хостконтроллер непрерывно опрашивает каждое устройство сетевого дерева для проверки, имеют ли они данные, которые нужно переслать в хостсистему. Опрос устройств означает, что все устройства должны быть полностью исправны и способны передавать данные в любой момент времени. Это означает также, что каждое устройство всегда потребляет мощность при передаче отрицательного ответа (NAK) на запрос хост-системы в случае отсутствия дан-

ных, которые необходимо переслать. Кроме того, хост-система рассеивает мощность, когда опрашивает устройства для того, чтобы выяснить, есть ли у них какие-либо данные для пересылки. Еще одно изменение протокола USB связано с типом передачи пакета данных: вместо широковещательной передачи введена направленная передача. Когда хост USB 2.0 имеет данные для пересылки устройству, он осуществляет широковещательную рассылку данных на каждый из своих портов. Каждый концентратор в сетевом дереве должен также ретранслировать пакеты на каждый из своих выходных портов. Кроме того, каждое устройство, подключенное к шине, должно осуществлять обработку данных (потребляя энергию) с тем, чтобы определить, для них ли предназначены передаваемые данные. В стандарте SuperSpeed USB протокол был изменен таким образом, чтобы направлять пакеты только тому устройству, которому они предназначены. Это потребовало введения дополнительных интеллектуальных функций для хоста. Хост должен точно знать, где в сети находится каждое устройство, в том числе, из какого порта концентратора (или портов, в том случае, когда имеется несколько концентраторов между ним и хостом) передаются данные. Это позволило снизить общее энергопотребление, т.к. только определенный хост и порты концентратора, к которым подсоединено устройство, должны передавать данные, и только целевое устройство должно заниматься их обработкой. Третье новшество, направленное на улучшение энергоэффективности, состоит в введении двух промежуточных состояний холостого хода шины. В USB 2.0 имеются два состояния шины: активное (active) и состояние ожидания (suspend). В SuperSpeed USB, кроме этих двух состояний — (active — U0) и

(suspend — U3), есть еще два: состояние холостого хода с быстрым выходом (fast exit idle — U1) и состояние холостого хода с медленным выходом (slow exit idle — U2). Эти режимы позволяют устройствам снизить потребление мощности, когда они не передают или не принимают данные. В режиме U1 канал находится в состоянии ожидания, но тактирование устройства продолжается. В режиме U2 как канал, так и тактирование выключены, что требует более длительного времени на подготовку канала к повторной передаче данных. Режимы active и suspend в USB 2.0 и USB 3.0 одинаковы. 10-кратное увеличение скорости передачи также позволяет снизить общее энергопотребление. Речь не идет о том, что 5-Гбит/с трансивер рассеивает меньшую мощность, чем 480-Мбит/с трансивер. 5-Гбит/с трансивер потребляет пиковый ток, который в 2—5 раз превышает ток, потребляемый трансивером для USB 2.0. В данном случае имеется в виду снижение общего энергопотребления, а не пикового тока, который потребляется в короткие промежутки времени, когда передатчик находится в активном состоянии. Если принять во внимание приблизительно 10-кратное уменьшение периода активного состояния передатчика, то общая величина мощности, требуемой для передачи фиксированного массива данных (например, для пересылки данных из ПК во флэшпамять) составляет от 20% (двукратный пиковый ток и 1/10 часть времени) до 50% (пятикратный пиковый ток и 1/10 часть времени) от общей величины мощности, необходимой для передачи того же массива данных по USB 2.0. В результате сочетания высокой эффективности использования шины (отсутствие широковещательных пакетов и исключение опроса устройств), усовершенствованных режимов пита-

Электронные компоненты №9 2010

33 СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

Спецификация SuperSpeed USB или USB 3.0 — это последняя версия универсальной последовательной шины (USB). Основным отличием USB 3.0 от USB 2.0 является увеличение скорости передачи данных — 5 Гбит/с против 480 Мбит/с. Группа компаний USB 3.0 Promoter Group, продвигающая новую версию стандарта, уделила большое внимание и улучшению других параметров этой спецификации — энергоэффективности шины, совместимости с предыдущими версиями и эффективности пересылки данных.


Рис. 1. Розетка и штекер SuperSpeed USB типа A

Рис. 2. Штекер и розетка SuperSpeed USB типа B

Рис. 3. Розетка и штекер SuperSpeed USB типа Micro-B

ния в состоянии ожидания и более низкой средней мощности передачи, SuperSpeed USB потребляет не более одной трети мощности, требуемой для USB 2.0! СОВМЕСТИМОСТЬ С ПРЕДЫДУЩЕЙ ВЕРСИЕЙ ИНТЕРФЕЙСА

СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

34

Важной проблемой была поддержка совместимости с предыдущей версией интерфейса USB, который многие называют наиболее успешным компьютерным интерфейсом за всю историю. В процессе разработки было обнаружено, что кабель и разъем существующей версии интерфейса USB больше не отвечают требованиям по надежности при передаче данных на скорости 5 Гбит/с. Разработчики установили, что передачу сигналов необходимо осуществлять по раздельным проводникам, а не так, как было принято в версии USB 2.0. Они остановились на методе дуплексной дифференциальной передачи сигнала на базе электрических характеристик PCI Express. Вместе с тем решено было не вводить никаких изменений в принятый в USB 2.0 метод передачи сигналов. Это потребовало бы введения, по крайней мере, двух дополнительных дифференциальных пар к существующим в USB 2.0 одной дифференциальной паре, одной шине питания VBUS и одной шине земли GND. Если учесть еще заземленную экранировку для двух новых высокоскоростных дифференциальных пар,

WWW.ELCP.RU

то общее количество проводников в кабеле и контактов в разъеме для USB 3.0 возросло бы до девяти. Так что же на самом деле означает требование совместимости с предыдущей версией интерфейса USB? Если мы посмотрим на это с точки зрения конечного пользователя, то это будет означать, что все существующие устройства, которые соответствуют спецификации, можно будет без проблем соединять между собой и работать со всеми новыми продуктами, поддерживающими новую спецификацию. Это означает, что существующие кабели (т.е. штекеры) можно будет вставлять в соответствующие новые розетки. Обратный порядок также должен выполняться, т.е. новые кабели должны быть в необходимых случаях совместимы со старыми розетками. Очевидно, что любой кабель и разъем, которые будут поддерживать новую спецификацию SuperSpeed USB и передачу данных, будут иметь как новые проводники (в кабеле), так и новые контакты (в разъеме, штекере). Кроме того, любые новые розетки также должны содержать новые контакты, чтобы обеспечить требуемое соединение. Имеется два базовых типа разъема USB. С разъемом (розеткой) типа A мы хорошо знакомы, т.к. он присутствует на каждом компьютере. Розетка типа A предназначена для подключения штекера типа A, который имеется на кабеле мыши или клавиатуры, а также на флэш-накопителе. Розетку типа B можно встретить на периферийных устройствах, причем имеется три размера разъема типа B: стандартный, мини и микро. Совместимость с предыдущей версией стандарта USB требует, чтобы розетка типа A для SuperSpeed USB имела возможность присоединения как нового (USB 3.0), так и старого (USB 2.0) штекера типа A, а старая розетка типа A для USB 2.0 должна быть совместима с новым штекером типа A для USB 3.0. Очевидно, что если либо штекер, либо розетка являются совместимыми только с USB 2.0, то скорость передачи данных будет ограничена спецификацией USB 2.0. Было реализовано следующее решение: на внутренней стороне существующих штекеров и розеток разместили пять новых контактных проводников. Это обеспечило тот же механический интерфейс, что и в USB 2.0 и, таким образом, полную совместимость с предыдущей версией стандарта (см. рис. 1). Со стороны периферийных устройств задача обеспечения совместимости, на первый взгляд, выглядит более трудно выполнимой из-за большего числа типов разъемов, однако на самом деле, она является более

легкой. Новые штекеры USB 3.0 типа B не должны иметь возможности соединения со старыми розетками USB 2.0 типа B. Нужен только новый штекер типа B (и кабель), если в устройстве предусмотрен интерфейс USB 3.0. Если это устройство является только USB 2.0-совместимым устройством, то достаточного имеющегося кабеля USB 2.0 со старыми штекерами на обоих концах, т.к. другой конец кабеля можно вставить в новое устройство. Новая розетка типа B (независимо от размера) должна быть совместима как со старыми, так и с новыми штекерами типа B. Следовательно, любое изменение форм-фактора не может помешать использованию существующего кабеля USB 2.0. Теперь рассмотрим три совместимые с USB 2.0 варианта разъема типа B. Наиболее простым является стандартный разъем типа B. Это розетка более крупного формата, который обычно можно увидеть на принтерах, сканерах и других крупноразмерных периферийных устройствах. Чтобы обеспечить совместимость с USB 3.0, разъем типа B дополнили выступом для размещения новых контактов (и проводников) для сигналов SuperSpeed USB. На рисунке 2 показано, как выглядит стандартный штекер и розетка типа B. Розетка допускает подсоединение либо старого штекера USB 2.0, либо нового штекера USB 3.0. Существующая розетка Micro-B не имеет достаточного пространства для дополнительного размещения еще пяти контактов. Поэтому рабочая группа по разработке новой спецификации предложила решение, в котором розетки Micro-B для USB 2.0 и USB 3.0 расположены рядом друг с другом, как показано на рисунке 3. Наряду с механической совместимостью целью разработки новой версии стандарта USB была поддержка обширной инфраструктуры драйверов устройств. Были сохранены те же типы передачи данных: передача с прерываниями (interrupt transfer), пакетная передача (bulk transfer) и изохронная передача (isochronous transfer). Наконец, этот стандарт сохранил присущее USB удобство в использовании. Таким образом, все существующие устройства USB 2.0 будут работать так же, как и всегда, и на новых устройствах с интерфейсом SuperSpeed USB. СНИЖЕНИЕ ЧИСЛА ПОТЕРЯННЫХ БИТОВ

Четвертой ключевой задачей при разработке новой версии стандарта стало улучшение общей эффективности использования шины. В статье уже был затронут один аспект этой проблемы: исключение опроса устройств.


Рис. 4. Выходная транзакция USB 2.0

Рис. 5. Выходная транзакция SuperSpeed USB

Кроме того, дуплексная архитектура шины SuperSpeed USB допускает одновременный двунаправленный поток данных, в отличие от полудуплексной архитектуры USB 2.0. Очевидно, что опрос устройств хостом является непроизводительным использованием ресурсов шины, однако вопрос состоит в том, что в действительности означает его исключение. Чтобы разобраться в сути, попробуем использовать аналогию со школьным классом. Если бы класс был системой USB 2.0, то учитель ходил бы по классу и спрашивал по порядку каждого ученика, есть ли у него вопросы? Отвечая на вопросы, учитель продолжал бы движение по классу до тех пор, пока последний ученик не задал бы свой вопрос. Если мы представим класс в виде системы SuperSpeed USB, то ученик просто поднимал бы руку, когда у него появлялся вопрос, а учитель замечал бы это и при необходимости отвечал. Так работает метод асинхронного уведомления передачи данных. Когда у периферийного устройства появляются данные для пересылки, оно высылает хосту сообщение о готовности оконечного устройства (Endpoint Ready — ERDY). Затем хост высылает

периферийному устройству подтверждение (Acknowledge — ACK) в случае его готовности к обработке передачи данных. В USB 2.0 полудуплексная шина только с одной дифференциальной парой для передачи данных имеет два ограничения, влияющих на эффективность ее работы. Первое ограничение состоит в том, что шина должна полностью переключаться каждый раз, когда направление потока данных меняется. Это означает, что на одном конце соединения должен выключиться передатчик, а на другом — выключиться приемник. Сразу по завершении этого процесса начинается обратный процесс, т.е. приемник включается на первом устройстве, а передатчик — на другом. Это значительно увеличивает простой шины и снижает ее эффективность. Второй проблемой является то, что каждая передача данных должна быть завершена до начала следующей передачи. Это означает, что принимающее устройство должно подтвердить прием данных, а передающее устройство должно получить сообщение ACK до того, как следующую порцию данных можно будет переслать по шине. На рисунке 4 показано, как выглядит последовательность выход-

ной (от хоста к периферии) транзакции в USB 2.0. В USB 3.0, где имеются две дифференциальные пары на каждом устройстве — одна для передачи, а другая для приема, время простоя при переключении шины исключается. Это позволяет также пересылать дополнительные данные от передающего устройства до того, как придет подтверждение от приемного устройства. Такое изменение потребовало введения в протокол специального интеллектуального механизма на обоих устройствах на случай возникновения ошибок. Может возникнуть ситуация, когда устройству необходимо повторно передать дан��ые, если к нему вернулось подтверждение из-за ошибки в принятых данных. В протоколе фиксируется число разрешений (credits) на передачу пакета данных для того, чтобы определить количество активной полезной информации, которую устройство может иметь единовременно, до тех пор, пока оно больше не сможет передавать/принимать новую информацию раньше, чем будет обработано верное подтверждение ACK. Фактически, каждый раз, когда пересылаются данные от хоста к периферии (или от периферии к хосту), с «бюджета» периферийного устройства списывается одно разрешение на передачу пакета данных. Когда подтверждение приема ACK успешно первоначально обработано передающим устройством, в «бюджет» этого периферийного устройства повторно поступает одно разрешение на передачу пакета данных. На рисунке 5 показана последовательность выходной транзакции SuperSpeed USB.

ЛИТЕРАТУРА 1. Dan Harmon. SuperSpeed USB (USB 3.0): More than just a speed increase//www.eetimes.com.

НОВОСТИ ПЛИС, СБИС и СНК

СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

36

| УСКОРЕНИЕ ВЫЧИСЛЕНИЙ В СИГНАЛЬНЫХ ПРОЦЕССОРАХ | Компания Altera переходит на технологический уровень 28 нм. Сначала это было сделано в семействе Stratix, а теперь и для более дешевых FPGA Cyclone. Для ускорения вычислений компания предлагает набор инструментов, оптимизирующих функции обработки сигналов. Один из инструментов — синтез блока с плавающей запятой для DSP (fused datapath synthesis). Он преобразует команды С с плавающей запятой в язык HDL, оптимизируя их реализацию на IP-ядрах. Altera предлагает инструменты для среды Matlab Simulink. Наиболее популярный из них в пакете DSP Builder — DSPблоки с различной точностью, благодаря которым в одном проекте можно использовать 18- и 27-разрядные коэффициенты для вычислений с повышенной точностью. Поскольку обработка видео является одной из наиболее перспективных технологий, продвигающий рынок, было принято решение объединить несколько сигнальных ядер в блок Video Design Framework, который имеет наглядную архитектуру и может заменить несколько специализированных ИС. Altera планирует выпускать подобные IP-ядра для датчиков авиационного и военного назначения. Сначала они будут содержать только операции с фиксированной запятой, но затем в функционал будут включены такие команды как быстрое преобразование Фурье и перемножение матриц. Многие производители ПЛИС считают, что традиционные сигнальные процессоры не скоро уйдут с рынка. Однако многие функции обработки сигналов, в т.ч. из расширенного набора, уже можно реализовать на стандартных FPGA. www.russianelectronics.ru

WWW.ELCP.RU


ШИНА FIREWIRE БЕЗ ОГРАНИЧЕНИЙ НА РАССТОЯНИЕ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ЛЕС БАКСТЕР (LES BAXTER), инженер, член IEEE

Начиная с 1995 г., шина FireWire получила широкое распространение для передачи аудио- и видеоданных на короткие расстояния – уже свыше 1 млрд. портов используют этот стандарт для передачи данных. Сейчас применяется в основном версия 1394b стандарта FireWire (известная как бета-версия), обеспечивающая передачу данных со скоростью до 3200 Мбит/сек. Именно она стала основным интерфейсом в современных инновационных приложениях с передачей данных на большие расстояния. После опубликования в 2008 г. «1394 Copper Automotive Specification», к шине FireWire значительно возрос интерес и в сфере мобильных систем. Статья представляет собой сокращенный вариант [1]. УВЕЛИЧЕНИЕ РАССТОЯНИЯ СВЯЗИ ПРИ ПОМОЩИ КАБЕЛЕЙ IEEE 1394, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИХСЯ МАЛЫМИ ПОТЕРЯМИ

Рекомендация по использованию кабеля длиной 4,5 м основана, главным образом, на величине ослабления как в

сигнальных парах кабелей, так и в паре питания. При использовании кабелей с малыми потерями можно добиться более хороших результатов. В таблице 1 приведен список производителей кабелей стандарта 1394, предназначенных для передачи данных на большие

Рис. 1. Типовая сеть 1394

37 СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

Существует распространенное заблуждение, что связь по интерфейсу IEEE 1394 ограничена расстоянием 4,5 м. Появилось оно из-за фразы в стандарте IEEE 1394, утверждающей, что все три типа кабелей (4 -, 6 - и 9-штырьковых) имеют «предполагаемую максимальную длину 4,5 м». При написании стандарта 1394 собирались указать, что длина кабеля может быть и больше, но эта фраза оказалась пропущенной. Однако в стандарте IEEE 1394-2008 есть несколько пунктов, в которых определена область применения интерфейса FireWire, где указано, что он может передавать данные на гораздо большие расстояния, чем 4,5 м. На рисунке 1 показана диаграмма, иллюстрирующая типовую сеть IEEE 1394 с кабелями стандартной длины 4,5м, поддерживающую до 63 узлов. Существует два способа удлинения линий связи интерфейса 1394 — либо использование кабелей с низкими потерями, либо применение одного из средств, позволяющих передавать данные на большое расстояние (неэкранированную витую пару (UTP), коаксиальный кабель или оптическое волокно). В этой статье будут рассмотрены все эти способы и дана дополнительная информация, касающаяся мобильных приложений. На рисунке 2 показана та же самая сеть, что и на рисунке 1, только все узлы в ней разделены на две группы. Для связи двух групп на большом расстоянии используется пара повторителей и длинная линия. Вместо использования повторителей можно узлы 4 и 5 превратить в порты обеспечения связи на большие расстояния, для этого их соединяют друг с другом напрямую, как показано на рисунке 3.

Рис. 2. Сеть 1394 с повторителями

Рис. 3. Сеть 1394 с портами обеспечения связи на большие расстояния

Электронные компоненты №9 2010


СРЕДСТВА ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ НА БОЛЬШИЕ РАССТОЯНИЯ

Интерфейс IEEE 1394 поддерживает множество типов средств передачи данных на большие расстояния (до 2 км), которые необходимо использовать, если дистанция между связываемыми объектами превышает 10 м. Интерфейс для связи на большие расстояния может быть встроен либо в порт 1394 бета-версии, либо в стандартный порт 1394 (работающий либо в альфа-, либо в бета-режиме), но во втором случае требуется внешний повторитель. К средствам передачи данных на большие расстояния относятся: UTP, 50- или 75-Ом коаксиальный кабель и несколько типов волоконнооптических кабелей. В таблице 1 приведен список производителей повторителей и интерфейсных чипов. UTP-КАБЕЛЬ

Узкополосная передача сигналов через интерфейс IEEE 1394 при помощи UTP-кабеля определена в статье 12 стандарта IEEE 1394-2008. Могут быть использованы оба типа UTP-кабелей: и Cat 5e, и Cat 6. UTP-кабель Cat 6 поддерживает передачу данных на расстояние 100 м при скорости S100 и S200, и на 75 м при скорости S400. UTP-кабель Cat 5е поддерживает передачу данных на расстояние 100 м при скорости S100, на 75 м при S200, и на 50 м при скорости S400. Несколько фирм, включая TI, EqcoLogic, LSI, Fujitsu, и Symwave, поставляют чипы IEEE 1394 PHY, поддерживающие передачу данных через UTP-кабель. Помимо описания режима узкополосной передачи данных через UTPкабель, в статьях 20 и 21 стандарта IEEE 1394-2008 представлен метод, называемый Т-режимом, в котором

Таблица 1. Список поставщиков продуктов, позволяющих увеличить расстояние передачи сигналов для интерфейса FireWire Компании

Продукты Кабели 1394 для передачи данных на длинные расстояния, Comoss повторители Granite Digital Кабели 1394 для передачи данных на длинные расстояния Кабели 1394 для передачи данных на длинные расстояния, Markertech повторители Кабели 1394 для передачи данных на длинные расстояния, Newnex UTP, коаксиальные и волоконно-оптические повторители Кабели 1394 для передачи данных на длинные расстояния, Synchrotech повторители DAP Technology Медные и волоконно-оптические повторители Gefen Повторители IOI UTP повторители Network Technologies Медные и волоконно-оптические повторители Opticis Волоконно-оптические повторители Point Grey Research UTP повторители (FirePRO LDR) Quantum Parametrics UTP повторители (FirePRO LDR) ULAN Co. Ltd., UTP и коаксиальные повторители EqcoLogic Чип-согласователь для UTP- и коаксиальных интерфейсов Fujitsu Phy-чипы IEEE 1394 для автомобильного применения LSI Phy-чипы IEEE 1394 Pulse~Link UWB-чипы и повторители Symwave Phy-чипы IEEE 1394 Texas Instruments Phy-чипы IEEE 1394

через Gigabit Ethernet PHY-трансивер посылается сигнал в бета-версии со скоростью S800. Этот метод предполагает наличие специальных PHYчипов, которые пока серийно не выпускаются. Однако кампании Point Grey Research и Quantum Parametrics представили на рынке аналогичный продукт, известный под названием FirePRO LDR, использующий чип 1000BASE-T PHY для поддержки связи через UTP-кабель со скоростью S800 на расстояние 100 м. Все UTP-опции поддерживают передачу по кабелю питания. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ КАБЕЛИ

Передача данных на расстояние свыше 50 м через многомодовый стекловолоконный кабель (GOF) определе-

Веб-сайты www.comoss.com www.ranitedigital.com http://audio-video-supply.markertech.com www.newnex.com www.synchrotech.com www.daptechnology.com www.gefen.com www.ioi1394.com www.networktechink.com www.opticis.com www.ptgrey.com www.quantumparametrics.com www.ulancable.com www.eqcologic.com www.fujitsu.com www.lsi.com www.pulselink.net www.symwave.com www.ti.com

на в статье 10 стандарта IEEE 1394-2008. Данная спецификация поддерживает скорость передачи S400, S800, и S1600 на расстояние до 100 м. Однако серийно выпускаемый повторитель поддерживает передачу данных на расстояние до 500 м. Статья 11 стандарта IEEE 1394-2008 определяет передачу данных через пластиковый волоконно-оптический кабель (POF) и через волоконно-оптический кабель с полимерным покрытием (H-PCF) на скорости S100 и S200. Расстояние передачи может быть до 50 м при использовании POF-кабеля и до 100 м при применении HPCF-кабеля. Существующие HPCF- и POF-кабели, изготовленные по современным технологиям, поддерживают передачу данных со скоростями S400 и S800.

39

Глоссарий Альфа-режим — режим работы, в котором порт использует стробированную передачу данных (DS) и арбитраж, описанный в IEEE 1394a-2000. В портах, работающих в альфа-режиме, применяются 6- или 4-штырьковые разъемы. Бета-режим — режим работы, в котором порт использует кодирование символов 8B/10B и протокол арбитража шины BOSS (owner/supervisor/selector), первоначально описанный в IEEE 1394b-2002. В портах, работающих в бета-режиме, применяются 9-штырьковые разъемы. UTP — неэкранированная витая пара. Согласующее устройство — схема, применяемая для выборочного усиления или фильтрации сигналов для компенсации характеристик ослабления каналов связи или кабелей. GOF — стекло-волоконный кабель. H-PCF — волоконно-оптический кабель с полимерным покрытием. POF — пластиковый волоконно-оптический кабель. STP — экранированная витая пара. STQ — экранированная витая четверка. Т-режим — режим работы, при котором порт передает данные через линию связи на базе UTP, используя интерфейс GMII (gigabit media independent interface) IEEE 802.3. В портах, работающих в Т-режиме, применяются модульные разъемы (modular jack) RJ-45. Ультра-широкополосная (UWB) передача — беспроводной метод связи, использующий короткие пакеты радиочастотных импульсов очень низкой мощности.

Электронные компоненты №9 2010

СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

расстояния. В «1394 Copper Automotive Standard» определены линии связи до 8 м с пятью типами встроенных разъемов, реализованные на основе медных кабелей с малыми потерями и согласованного коаксиального кабеля. В промышленных и мобильных приложениях, где каждая линия связи разрабатывается при тщательном подборе как интерфейса, так и кабелей, можно добиться увеличения расстояния связи до 10…15 м и даже более. Необходимо отметить, что во всех случаях должны использоваться разъемы, полностью удовлетворяющие требованиям стандарта IEEE 1394. Для дальнейшего увеличения расстояния передачи сигналов в бета-версии интерфейса FireWire предусмотрено использование согласующего устройства (equalizer), позволяющего компенсировать высокочастотные потери.


Таблица 2. Передача данных по шине FireWire через волоконно-оптические кабели в мобильных приложениях Диаметр, м сердцевина/ оболочка

Ширина полосы и потери

GOF/AGF

50/125

10 ГГц × 20 м <10 дБ/км

–40…115°С 9 мм

3×1,0

S3200 10…18

HPCF

200/230

1 ГГц × 20 м <10 дБ/км

–40…115°С 9 мм

3×2,0

S800 10…18

lowNA POF

970/1000

500 МГц × 10м <230 дБ/км

–40…85°С 15 мм

3×2,5

S400 10…18

highNA POF

970/1000

250 МГц ×10 м <250 дБ/км

–40…85°С 15 мм

3×2,5

S200 10…18

Тип

Температура Потери на встраиСкорость и радиус ваемых соединепередачи и изгиба ниях, дБ расстояние, м

ПРИЛОЖЕНИЯ

Таблица 3. Применение STP- и STQ-кабелей в мобильных приложениях Скорость Потери в Потери на встра- ДифференКол-во Мин. общая передачи кабеле, иваемых соедициальная встраиваемых длина соедиданных дБ/м нениях, дБ амплитуда, мВ соединений нений, м

S400

0,6

S800

0,1

0,85

475

0,1

600

0

8,8

1

8,65

2

8,50

3

8,30

4

8,15

5

8,0

0

8,8

1

8,65

2

8,50

3

8,30

4

8,15

5

8,0

Таблица 4. Применение коаксиальных кабелей в мобильных приложениях Тип Скорость Кол-во встраиПотери на Потери в Расчет- Общая длина кабе- передачи ваемых соеди- встраиваемых кабеле, ный межсоединеля данных нений соединениях, дБ дБ/м запас ний, м S400 S800 S400 S800 S400

40 СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

S800

0

0

0,46

0

26

5

5×0,15

0,46

0

24

0

0

0,7

0

17

5

5×0,15

0,7

0

16

0

0

0,27

0

44

5

5×0,15

0,27

0

41

0

0

0,41

0

29

5

5×0,15

0,41

0

27

0

0

0,26

0

46

5

5×0,15

0,26

0

43

0

0

0,39

0

30

5

5×0,15

0,39

0

28

В документе 2008004 1394 Trade Association определена передача данных через одномодовый волоконнооптический кабель. Такой кабель поддерживает передачу данных на расстояние до 2000 м при скоростях S800, S1600, и S3200. КОАКСИАЛЬНЫЙ КАБЕЛЬ

В документе 2007005 1394 Trade Association определена узкополосная передача данных через интерфейс IEEE 1394 с помощью 50- или 75-Ом коаксиальных кабелей. Расстояние передачи зависит от ослабления конкретного типа

WWW.ELCP.RU

1394 Trade Association выпустила несколько спецификаций для поддержки ультра-широкополосной (UWB) передачи данных через коаксиальный кабель. UWB предоставляет уникальную возможность передачи сигналов через специальные разветвители в обоих направлениях. Типовые расстояния UWB-передачи данных через 75-Ом коаксиальный кабель типа RG59 или RG6 (без разветвителя) при скорости S400 находятся в диапазоне 120…170 м. UWB коаксиальный кабель может поддерживать передачу питания по линии связи без разветвителей.

используемого коаксиального кабеля. Для 50-Ом коаксиального кабеля типовое расстояние передачи на скорости S400 находится в диапазоне 25…70 м, а на скорости S800 — 15…50 м. Для 75-Ом коаксиальных кабелей самых распространенных типов RG59 и RG6 расстояние передачи на скорости S400 составляет 100…160 м, а на скорости S800 — 70…100 м. Как повторители, так и PHY-чипы для работы с коаксиальными кабелями выпускаются серийно (см. табл. 1). Узкополосный коаксиальный кабель также поддерживает передачу питания.

«1394 Copper Automotive Specification» и ее предшественница — спецификация IDB-1394 содержат подробную информацию по использованию нескольких типов средств передачи данных в мобильных сетях стандарта 1394. В таблице 2 представлена информация по различным типам волоконнооптических кабелей. В мобильных сетях могут применяться три типа медных проводников: экранированная витая пара (STP), экранированная витая четверка (STQ) и коаксиальный кабель. К STP и STQ предъявлены одинаковые требования по скорости и расстоянию передачи данных, представленные в таблице 3. В мобильных сетях предписано использовать 50-Ом коаксиальный кабель. В таблице 4 приведены технические характеристики некоторых типов коаксиальных кабелей. ОСНОВНЫЕ МОМЕНТЫ ПРИ РАЗРАБОТКЕ ПРИЛОЖЕНИЙ

Если используется рекомендованная длина кабеля — 4,5 м, шина IEEE 1394 может поддерживать максимальную по размеру конфигурацию (63 узла). При использовании более длинных линий связи может появиться проблема, связанная с максимальной задержкой на распространение сигналов по шине. В статье 16.4.9 IEEE 13942008 даны рекомендации по использованию широкомасштабных сетей, а именно — введение двух параметров (BOSS_RESTART_TIME и TEST_INTERVAL), обеспечивающих поддержку более крупных сетей с более длинными линиями связи. Сети на базе шины IEEE 1394 позволяют создавать системы обработки изображений большой площади, используемые в устройствах наблюдения. Pixel Velocity реализовала свою систему Pixel Video Fusion System на базе сети стандарта IEEE 1394 (FireWire), использующей для передачи сигналов либо волоконно-оптические кабели, либо UTP-кабель Cat 6. Построение сети на базе шины FireWire позволило вывести системы обработки изображений большой пло-


УПРОЩЕНИЕ РАЗРАБОТКИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРИЛОЖЕНИЙ

Рассмотрим пример типовой промышленной сети, реализованной по стандарту IEEE 1394. Предположим, что требуется объединить три камеры высокого разрешения при помощи шины FireWire, работающей на скорости S800. Камеры расположены в разных частях на расстоянии 10, 50 и 100 м от управляющего устройства. В таблице 5 приведены технические характеристики средств передачи, которые могут быть использованы в этой сети. Найдем наилучшее решение для каждой из трех линий связи. Для линии связи длиной 10 м может быть использована любая из технологий, представленных в таблице 5. В нашем случае проще и дешевле всего применить кабели с низкими потерями, поэтому для 10 м линии связи был выбран бетапорт стандарта 1394, работающий на скорости S800, и кабели IEEE 1394, характеризующиеся низкими потерями. Линия связи 50 м слишком длинная для использования такого же кабеля, какой был выбран для 10-м линии, а скорость S800 слишком велика для применения стандартных кабелей UTP и POF. Приемлемым решением здесь является использование UTP/GbE-кабеля (например, FirePRO LDR от Point Grey Research), узкополосного коаксиального кабеля или стекло-волоконного кабеля (типа MMF или SMF). Применение оптоволокон — явный перебор в конкретном случае из-за малой длины линии связи. В промышленных сетях чаще всего используется коаксиальный кабель, поэтому, не отступая от традиции, для этой линии выберем узкополосный коаксиальный кабель. Для 50-м линии связи можно применить как 50-Ом, так и 75-Ом коаксиальный кабель. Узкополосный коаксиальный интерфейс может быть встроен в порт S800 (используя чип коаксиального трансивера фирмы EqcoLogic) или же здесь можно применить стандартный порт S800 с внешним коаксиальным расширителем (например, Newnex FireNEX-COAX-S800). Для 100 м линии связи подходят UTP/GbE-кабель, 75-Ом коаксиальный или волоконно-оптический кабели. Поскольку первые два типа кабелей на скорости S800 будут работать на пределе своих возможностей, выберем многомодовый волоконно-оптический удлинитель, легко справляющийся с передачей данных на скорости S800 на расстояние более 100 м. Такие удлинители поставляют несколько компаний (см. табл.1). Таким образом, получилась сеть, состоящая из 10-м кабеля IEEE 1394 с низкими потерями, 50-м узкополосной коаксиальной линии связи и 100-м линии связи из многомодового волоконнооптического кабеля. Конечно, это не единственное решение, и разработчики по своему усмотрению могут применять для каждой из линий разные кабели. Возможность выбора оптимального средства передачи сигналов для каждой из линий связи как раз и является важным достоинством FireWire-сетей.

Таблица 5. Средства увеличения расстояния передачи сигналов для интерфейса FireWire Средства Кабели с низкими потерями стандарта IEEE 1394 (альфа-режим) Кабели с низкими потерями стандарта IEEE 1394 (бета-режим) UTP-кабель Cat 5е

UTP-кабель Cat 6

Скорость

Максимальное расстояние, м

S100, S200, S400

10 и более

S400, S800

10 и более

S100

100

S200

75

S400

50

S100

100

S200

100

S400

75

UTP-кабель Cat (5е или 6)/ GbE

S800

100

Узкополосный коаксиальный кабель (50 Ом)

S400

25…70

S800

15…50

Узкополосный коаксиальный кабель (75 Ом)

S400

100…160

S800

70…100

UWB-кабель

S400

120…170

POF-кабель

S100, S200

50

HPCF-кабель

S100, S200

100

S400, S800, S1600

100…500

S800, S1600, S3200

2000

Многомодовый волоконнооптический кабель Одномодовый волоконнооптический кабель

ЛИТЕРАТУРА 1. Les Baxter How to use FireWire for innovative new designs without distance constraints//http://www.eetimes.com/design/industrialcontrol/4206075/IEEE-1394-ideal-for-long-haul?pageNumber=0. 2. IEEE Std. 1394-2008, IEEE Standard for a High-Performance Serial Bus, Oct. 21, 2008. 3. 1394 Trade Association Document 2008001, 1394 Copper Automotive Standard, June 20, 2008. 4. 1394 Trade Association Document 2008004, IEEE 1394 Singlemode Fiber PMD Specification, Jan. 16, 2009. 5. 1394 Trade Association Document 2007005, IEEE 1394 Baseband Coax PMD Specification, May 5, 2009. 6. 1394 Trade Association Document 2006019, Networking IEEE 1394 Clusters via UWB over Coaxial Cable--Part 1: Continuous Pulse (C-UWB) PHY, June 29, 2007. 7. 1394 Trade Association Document 2006015, Networking IEEE 1394 Clusters via UWB over Coaxial Cable--Part 2: L3 IP Bridges, May 2, 2008. 8. 1394 Trade Association Document 2006021, Networking IEEE 1394 Clusters via UWB over Coaxial Cable--Part 3: FCP and CMP over IPv4, July 12, 2008. 9. 1394 Trade Association Document 2007004, Networking IEEE 1394 Clusters via UWB over Coaxial Cable--Part 4: AV/C Relay Agents, May 27, 2008.

41 СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

щади на качественно новый уровень. Широкая полоса пропускания и эффективная передача данных, обеспеченные применением стандарта 1394, дают возможность камерам отслеживать заданные зоны, обеспечивая довольно высокое разрешение всего изображения. Поскольку интерфейс FireWire работает полностью изохронно, т.е. в режиме реального времени, каждая из камер одновременно создает независимые видеопотоки. Например, в один и тот же момент времени камеры сохраняют 8 изображений с разрешением от 1920×1080 (без сжатия) до 640×480 (со сжатием) в зависимости от заданных установок, из которых формируются два выходных информационных потока. Общая изохронная синхронизация FireWire-сети и небольшая задержка при передаче сигналов позволяют координировать работу всех камер. Можно легко извлечь комбинированные картинки, соответствующие конкретным моментам времени, и составить из видеопотоков соседних камер панораму в реальном времени. Подобные системы наблюдения работают в настоящее время в нескольких аэропортах, портах и пограничных зонах.

Электронные компоненты №9 2010


УЗКОПОЛОСНАЯ PLC-ТЕХНОЛОГИЯ: OFDM-МОДУЛЯЦИЯ ВИКТОР ОХРИМЕНКО, техн. консультант, НПФ VD MAIS

В статье представлен обзор существующих спецификаций узкополосной технологии передачи данных по электросетям, в которых используется модуляция с мультиплексированием и ортогональным частотным разделением каналов, что позволило поднять скорость передачи данных в зависимости от используемого диапазона частот до 128—576 Кбит/с. ВВЕДЕНИЕ

В последние годы пристальный интерес и повышенное внимание обращено к PLC-технологии с использованием модуляции OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing — мультиплексирование с ортогональным частотным разделением), использование которой позволяет существенно увеличить пропускную способность канала связи [1—6]. OFDM

СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

42

OFDM — метод передачи данных, при котором высокоскоростной поток данных разделяется на несколько относительно низкоскоростных потоков, каждый из которых передается на отдельной поднесущей с последующим объединением данных. Каждая из поднесущих модулируется независимо, например, с использованием модуляции вида BPSK (Binary Phase-Shift Keying — двухпозиционная фазовая манипуляция), QPSK (Quadrature Phase-Shift Keying — квадратурная фазовая манипуляция) и их разновидностей или QAM (Quadrature Amplitude Modulation — квадратурная амплитудная модуляция). Таким образом формируется одновременная передача нескольких параллельных каналов. Одно из преимуществ OFDM заключается в том, что с изменением вида модуляции каждой из поднесущих появляется возможность адаптации к параметрам канала связи (т.е. при наличии помех скорость уменьшается, а при их отсутствии или снижении уровня, соответственно, увеличивается). Кроме того, некоторые из поднесущих можно отключать, если в этих частотных диапазонах имеются, к примеру, импульсные помехи. Возможности адаптации к параметрам канала и условиям передачи, заложенные в OFDM-методе, обеспечивают его высокую помехоустойчивость и надежность. Кроме того, если принимать во внимание и существенное увеличение скорости передачи в сравнении с методами FSK (Frequency Shift Keying), S-FSK (Spread Frequency Shift Keying) и DCSK (Differential Code Shift Keying), этот вид

WWW.ELCP.RU

модуляции становится весьма привлекательным для его использования в узкополосной PLC-технологии. Не секрет, что современные автоматизированные системы управления/контроля со многими узлами ориентированы на работу в режиме реального времени. Структурная схема OFDM-передатчика во многом аналогична той, которая используется в широкополосной PLC-технологии. Перечислив основные преимущества OFDM-модуляции, нельзя не отметить и ряд ее недостатков и особенностей применения именно в узкополосной PLCтехнологии. В отличие от широкополосной технологии, в которой максимально возможное число поднесущих может составлять 1155 (HomePlug AV) или 1536 (UPA), в узкополосной нельзя сформировать такое большое число поднесущих. Самый существенный недостаток — большая стоимость оборудования по сравнению с другими известными и более простыми методами модуляции (FSK, S-FSK и DCSK). Еще один недостаток заключается в том, что OFDM-сигнал во временной области имеет неравномерную огибающую, что приводит к увеличению отношение пиковой мощности к ее среднему значению (Peak-to-Average Ratio, PAR) и, соответственно, требует расширения диапазона линейной передаточной характеристики выходного усилителя мощности примерно на 6…10 дБ [1]. Это в свою очередь, приводит к снижению КПД усилителя, увеличению рассеиваемой мощности, ужесточению требований к источнику питания, увеличению размеров и повышению стоимости кристалла. Кроме того, этот недостаток влечет за собой ужесточение требований к качеству трансформатора, используемому в устройстве согласования с силовой линией электропередачи. Сложность самого метода OFDM-модуляции обусловливает обязательное применение сигнальных процессоров для цифровой обработки сигнала (интерполяции, передискретизации, кодирования/декодирования и т.д.). Из-за ужесточения требований к линейности усложняется также реализация выходного ЦАП. Справедливости

ради следует отметить, что некоторые из общих недостатков, присущих OFDMметоду, «исчезают» при использовании для PLC-связи сравнительно узкой полосы частот. Одна из существенных особенностей передачи сигнала в полосе 9…95 кГц (CENELEC A) заключается в том, что, в отличие от широкополосной PLCтехнологии (2…30 МГц), использование значительно более узкого диапазона частот позволяет сформировать OFDMсигнал с почти постоянной огибающей, что в некоторой степени снижает требования к линейности передаточной характеристики ЦАП и усилителя. Многие из преимуществ OFDMмодуляции, что собственно и позволяет успешно применять ее в широкополосной PLC-технологии и других проводных и беспроводных технологиях, нивелируются в узкополосной. Главным образом, это связано с тем, что полоса частот CENELEC A отличается большим уровнем разного рода помех, а также изменением параметров линии связи с течением времени. Все эти особенности несколько преуменьшают преимущества использования OFDM-модуляции, по крайней мере, по двум причинам. Во-первых, высокоскоростные методы модуляции поднесущих (например, QAM) требуют постоянства параметров канала связи и сравнительно высокого отношения сигнал/помеха. В противном случае существенно снижается реальная скорость передачи данных по сравнению с теоретически возможной. Во-вторых, большее число поднесущих обеспечивает и большую скорость передачи данных. Однако одним из преимуществ OFDM-модуляции является именно гибкость выбора количества поднесущих. При большом уровне помех в определенной полосе частот некоторые из поднесущих отключаются для адаптации к параметрам канала связи, а это, в свою очередь, приводит к следующему. Предположим, например, что в используемой полосе частот 30…80 кГц имеется 100 поднесущих с разносом по частоте 500 Гц (Δf). При использовании для модуляции поднесущих метода 8PSK (3 бита/ символ) и длительности символа 2 мс тео-


Рис. 1. Структура кадра

ретическая скорость передачи составляет 150 Кбит/с (игнорируя то, что некоторые из поднесущих используются для передачи контрольного пилот-сигнала). Если предположить, что помехи сосредоточены в полосе 30…40 кГц, число поднесущих придется уменьшить до 80, и, соответственно, скорость передачи данных снизится до 120 Кбит/с. При прямом кодировании с исправлением ошибок (FEC 1/2) скорость упадет до 60 Кбит/с. При модуляции DQPSK скорость снизится до 25 Кбит/с. С другой стороны, пропускную способность можно повысить, уменьшив разнос частот поднесущих до 400 Гц (тем самым увеличив число параллельных каналов). Однако это приведет к необходимости увеличения скорости вычислений и, соответственно, повышения производительности сигнального процессора, что, как следствие, увеличит стоимость системы. В реальных системах количество используемых поднесущих, как правило, фиксировано с учетом максимально возможного их числа. Обычно в заголовке кадра данных содержатся атрибуты настройки с информацией о видах модуляции и о том, какие поднесущие будут использоваться. Для выбора же параметров OFDM-модуляции вначале оцениваются характеристики канала связи. Более того, не следует забывать, что на практике не исключается возможность того, что, например, в утренние часы помехи сосредоточены в полосе частот 30…50 кГц, а в вечер-

Таблица 1. Основные параметры PRIMEспецификаций Наименование Значение начальной 41992,1875 конечной 88867,1875 Разнос поднесущих (Δf), Гц 488,28125 для передачи 96 данных Число поднесущих для передачи 1 пилот-сигнала Число выборок на FFT-интервале 512 Длительность FFT-интервала, мкс 2048 Число выборок на интервале Cyclic Prefix 48 Длительность Cyclic Prefix, мкс 192 Число выборок на символьном интервале 560 Длительность OFDM-символа, мкс 2240 Длительность преамбулы, мкс 2048 в блоке 84 Число поднесущих заголовка для передачи данных в блоке данных 96 в блоке 13 Число поднесущих заголовка пилот-сигнала в блоке данных 1 Частота поднесущих, Гц

СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

44

WWW.ELCP.RU

ние — в полосе 70…80 кГц, что предопределяет необходимость отключения некоторых из поднесущих в этих диапазонах. Любые пакеты данных, которые не были приняты или верно декодированы на приемной стороне из-за неоптимально выбранного способа модуляции поднесущих для существующего на данном временном интервале уровня помех или искажений некоторых из поднесущих из-за наличия импульсных помех, подлежат повторной передаче, что, в конечном счете, существенно влияет на реальную пропускную способность канала. В этом случае возможны два варианта алгоритма настройки. Первый — выбирать наиболее помехоустойчивый вид модуляции или исключать из числа поднесущих те, которые с наибольшей вероятностью подвержены искажениям. Второй — производить непрерывный поиск наиболее оптимального варианта модуляции при существующих параметрах канала. Это было бы приемлемо в случае передачи больших объемов данных, например, в таких приложениях, как сети Wi-Fi, в которых после оптимальной настройки OFDM-передатчика осуществляется пересылка большого потока данных. Однако это едва ли приемлемо для автоматизированных систем класса AMM с небольшими объемами одновременно передаваемой информации. В каналах связи с большим уровнем помех для обеспечения высокой надежности передачи данных приходится мириться с соответствующим уменьшением реальной скорости передачи. СПЕЦИФИКАЦИИ PRIME

Альянс PRIME (Powerline Related Intelligent Metering Evolution) занимается разработкой открытых спецификаций для узкополосной PLC-технологии с пропускной способностью до 128 Кбит/с (www. prime-alliance.org). Предполагается, что такая скорость передачи обеспечит создание разветвленных интеллектуальных AMM-сетей, поскольку для полноценного обмена данными в автоматизированных системах требуется повышенная скорость, а использование модуляции видов BPSK, FSK, S-FSK и DCSK не позволяет ее реализовать. В предложенных в настоящее время PRIME-спецификациях регламентируется использование модуляции типа OFDM, что и позволяет увеличить скорость передачи до 128 Кбит/с в полосе частот 41,9…88,8 кГц (CENELEC A). Кроме того, в спецификациях описаны способы кодирования данных и определена теоретически достижимая пропускная

способность в зависимости от вида модуляции поднесущих. Кроме спецификаций физического уровня (PHY) разработаны также спецификации MAC-уровня. Одной их ключевых проблем при выборе характеристик OFDM-модуляции является определение рабочей полосы частот и, соответственно, числа поднесущих. В ходе реализации проекта PRIME и соответствующих испытаний экспериментальных систем были произведены тестовые измерения с использованием различных типов линий электропередачи в более чем 180 районах трех городов Испании. Тестовые измерения проводились в электросетях, имеющих разный срок эксплуатации, протяженность и топологию, а, кроме того, в них использовались разные типы кабеля. В результате измерений была собрана база данных для вариантов использования 13, 26, 48 и 96 поднесущих. Предполагалось, что стоимость систем при таком числе поднесущих будет изменяться незначительно. Как утверждается в [2], наиболее оптимальные параметры были получены при применении OFDM-модуляции с использованием 96 поднесущих. Результаты моделирования с большим числом поднесущих не подтвердили существенных преимуществ таких систем. Использование метода 16QAM для модуляции поднесущих также не дает существенного выигрыша в сравнении с методом 8PSK. Параметры PRIME-OFDM (при предложенной в спецификации тактовой частоте 250 кГц) даны в таблицах 1, 2 [2]; уровень полезного сигнала 120 дБмкВ, что соответствует требованиям стандарта EN50065-1. Для контроля выходной мощности рекомендуется измерять спектральную мощность передатчика (Power Spectrum Density, PSD) с использованием эквивалента нагрузки сети. Структура передаваемого кадра данных, формируемого на канальном уровне, приведена на рисунке 1. Каждый кадр данных начинается с фиксированной преамбулы. Это наиболее важный элемент в системе синхронизации. Для передачи преамбулы нежелательно использование OFDMсигнала. Во-первых, чтобы обеспечить надежную синхронизацию, необходимо использовать сигнал с постоянной огибающей, что позволит увеличить его мощность. Во-вторых, сигнал синхронизации не должен существенно искажаться при изменении параметров линии (АЧХ, затухании и замирании сигнала), а также при наличии импульсных и узкополосных помех. Кроме того, он должен отличаться «удовлетворительными» параметрами автокорреляционной функции. В PRIME-спецификации в качестве сигнала синхронизации выбран сигнал с линейной частотной модуляцией (Chirp Linear), описываемый уравнением [2]:


mt2)],

где T = 2048 мкс, Fн = 41992 Гц (начальная частота), Fк = 88867 Гц (конечная частота), а m=

.

Заголовок кадра данных содержит два OFDM-символа. В каждый из них включены 13 контрольных поднесущих (пилот-сигнала), чего достаточно для оценки возникающих ошибок. Для передачи кода заголовка используется 84 поднесущих, модулированных по методу DBPSK (84 бит/символ). При кодировании данных заголовка рекомендуется всегда использовать сверточное кодирование. При передаче данных вид модуляции поднесущих (DBPSK, DQPSK или D8PSK) выбирается в соответствии с заданной интенсивностью битовых ошибок (Bit Error Rate, BER) и соотношением сигнал/помеха в канале связи. Выбор оптимального вида модуляции происходит на MAC-уровне. Для этого используется информация об ошибках, полученная из анализа данных последнего переданного кадра. Чтобы обеспечить наилучшее соотношение между пропускной способностью и эффективностью передачи данных при использовании конкретного канала связи, осуществляется динамическая перенастройка системы. Кроме выбора вида модуляции для улучшения эффективности передачи используется также возможность включения или отключения сверточного кодирования. При передаче блока данных для формирования OFDM-символа используются 97 поднесущих, одна из которых служит в качестве пилот-сигнала. СПЕЦИФИКАЦИИ EDF

Крупнейший французский государственный энергетический концерн Европы EdF (Electricite de France) представил свой вариант спецификаций узкополосной передачи данных с использованием электросети в качестве среды передачи [3]. В спецификациях PLC G3 Physical Layer Specification, которые являются составной частью общих спецификаций под названием Automated Meter Management (AMM) technical specification, приведено описание физического уровня (PHY) для систем с OFDM-модуляцией. Для передачи данных выбрана полоса частот 35,9…90,1 кГц (CENELEC A). Основные параметры спецификаций PLC G3 Physical Layer Specification (в дальнейшем PLC G3) даны в таблице 3. Для помехоустойчивого кодирования предпочтение отдано коду Рида-Соломона и сверточному коду. В спецификациях предусмотрены режимы работы со сниженной скоростью пере-

дачи, обеспечивающие лучшую помехоустойчивость. Скорость передачи зависит от используемого способа кодирования и вида модуляции, а также числа символов в кадре сообщения. В таблице 4 приведены значения максимальной скорости передачи данных в зависимости от параметров модуляции сигнала. Вполне очевидно, что использование большего числа поднесущих дает значительный выигрыш в скорости передачи данных по сравнению с FSK-методом, что наглядно проиллюстрировано на рисунке 2. Результаты сравнительных испытаний FSK- и OFDMсистем (PLC G3) даны в таблице 5 [4]. Несколько слов об истории зарождения спецификаций PLC G3. В декабре 2008 г. компания Maxim Integrated Products объявила о том, что выиграла тендер на разработку спецификаций узкополосной PLC-технологии и PLC-компонентов для дальнейшего использования компанией EdF. Компания Maxim Integrated Products в содружестве с французской компанией Sagem Communications должна была представить открытые PLC-спецификации для технологии узкополосной передачи данных по электросетям, которые предполагалось использовать в разво-

рачиваемых во Франции автоматизированных системах типа AMR/AMI/AMM. В начале 2008 г. компания Maxim Integrated Products анонсировала микросхему PLCмодема MAX2990, в которой для передачи данных в полосе частот 10…490 кГц используется OFDM-модуляция. ПРОИЗВОДИТЕЛИ

Компоненты для узкополосной PLC-технологии с использованием OFDM-модуляции предлагаются несколькими производителями. Это компании Advanced Digital Design S.A. (www. addsemi.com), Freescale (www.freescale. com), iAd GmbH (www.iad-de.com), Maxim Integrated Products (www.maxim-ic.com) и STMicroelectronics (www.st.com).

Рис. 2. Сравнительные характеристики FSK- и OFDM-систем

Таблица 2. Скорости передачи данных при различных видах модуляции Наименование

DBPSK

Сверточное кодирование (FEC) Число бит/поднесущую Число бит/OFDM-символ Скорость передачи, Кбит/с

вкл. 0,5 48 21,4

откл. 1 96 42,9

Вид модуляции DQPSK вкл. откл. 1 2 96 192 42,9 85,7

вкл. 1,5 144 64,3

D8PSK откл. 3 288 128,6

Таблица 3. Основные параметры спецификаций PLC G3 Physical Layer Specification Наименование Частота поднесущих, кГц

начальной конечной

Разнос поднесущих (Δf), кГц Число поднесущих Число выборок на FFT-интервале

Значение 35,938 90,625 1,5625 36 256

Таблица 4. Скорости передачи данных при различных параметрах модуляции Число символов 12 20 32 40 52 56 112 252

45

Скорость передачи, бит/с DQPSK 13453 20556 27349 30445 33853 34759 — —

DBPSK 4620 8562 12332 14049 15941 16444 20360 —

Таблица 5. Результаты сравнительных испытаний FSK- и OFDM-систем (PLC G3) Вид модуляции S-FSK 1200 S-FSK 2400 OFDM

Время считывания массива данных объемом 3300 байт, с 56 28 4

Электронные компоненты №9 2010

СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

S(t) = A ∙ rect( ) ∙ cos[2π(Fнt +


ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рис. 3. Виды модуляции, используемые в узкополосной PLC-технологии

СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

46

WWW.ELCP.RU

В заключение обзора существующих технологий узкополосной передачи данных по электросетям на рисунке 3 показан процесс эволюции видов модуляции, применяемых в этой технологии. Следует отметить, что в сравнении с другими видами модуляции, используемыми в узкополосной PLC-технологии, системы, построенные на основе модуляции OFDM, имеют наибольшую сложность, а PLC-оборудование — высокую стоимость. Крайне сложно реально оценить возможности существующих систем, созданных на базе разных видов модуляции. Весьма заманчиво ориентироваться на использование PLC-технологии с OFDMмодуляцией, особенно принимая во внимание анонсированную высокую скорость передачи данных. Однако при этом не следует забывать, что теоретически возможной высокой пропускной способности можно достичь только при сравнительно низком уровне помех и качественных параметрах канала связи. Кроме того, всегда следует учитывать, что скорость снижается при использовании помехоустойчивого кодирования. Ни сама идея использования электропроводки в качестве физической среды передачи, ни OFDM-метод не относятся к разряду новых. Вместе с тем при реализации конкретной системы необходимо учитывать множество факторов. В первую

очередь, при выборе метода модуляции необходимо определиться, достижима ли обещанная высокая скорость в реально проектируемой системе и приемлемы ли в таком случае затраты на ее изготовление и обслуживание. Оптимально спроектированная система должна иметь наилучшее соотношение стоимости, производительности и надежности. Более полную информацию о PLCтехнологии и существующих стандартах можно найти в [1—6]. ЛИТЕРАТУРА 1. Kevin Jones & Christos Aslanidis. DCSK Technology vs. OFDM Concepts for PLC Smart Metering. — Renesas, March 2009. 2. PRIME project. PRIME Technology Whitepaper: PHY, MAC and Convergence Layers. — PRIME, 2008//www.prime-alliance.org). 3. PLC G3 Physical Layer Specification. — ERDF//www.erdfdistribution.fr/fichiers/fckeditor/File/ERDF/2009/doc_linky/PLC%20G3%20 Profile%20Specification.pdf). 4. By Michael Navid. Recent Advancements in Power Line Communications make it an Ideal Technology Platform for the Smart Grid. — Metering International, Issue 4, 2009. 5. State-of-the-art Technologies & Protocols.D2.1/part 4. — OPEN Meter, 2009 (www.openmeter.com). 6. Description of the state-of-the-art PLCbased access technology. D2.1/part 2. — OPEN Meter, 2009 (www. openmeter.com).


УПРАВЛЕНИЕ ВСТРАИВАЕМЫМ ПРИЛОЖЕНИЕМ ПО СЕТЯМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ СЭМ ДЭВИС (SAM DAVIS), главный редактор, Power Electronics Technology

В статье описан метод реализации технологии связи по сетям электропитания на базе системы на кристалле (СнК), который обеспечивает возможность гибкого конфигурирования встраиваемых приложений для систем освещения, промышленного управления, автоматизированных измерений, бытовой автоматики и интеллектуальных устройств управления питанием. Статья представляет собой перевод [1].

линиям электропитания для систем освещения и промышленного управления, бытовой автоматики, систем автоматического считывания показаний электросчетчика и интеллектуальных систем управления питанием. ЯДРО PLC

Ядро PLC в СнК компании Cypress обеспечивает прикладные функции для связи по линиям электропитания, которые определяются программируемыми аналоговыми и цифровыми блоками и микроконтроллером на базе архитектуры PSoC. Такая комбинация позволяет создать единую аппаратную платформу для множества приложений, что снижа-

ет стоимость комплектующих, размер платы и число чипов и в то же время улучшает технологичность изделия при производстве. Ядро PLC обеспечивает следующие функции: – модем для линий электропитания физического уровня на базе частотной манипуляции (Frequency Shift Keying — FSK); – перестраиваемую скорость передачи данных до 2400 бит/с; – перестраиваемый коэффициент усиления (Tx, Rx) и порог используемой полосы частот; – оптимизированный сетевой протокол для линий электропитания;

47 СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

Потенциально линии электропитания можно использовать в качестве среды связи для управления внешними устройствами. Однако реализация такого приложения является довольно сложной задачей, т.к. трудно точно определить качество и надежность связи по существующим линиям электропитания из-за влияния помех, отклонения импеданса линий и состояния электросетей. Система для связи по линиям электропитания (powerline communication — PLC), разработанная компанией Cypress Semiconductor, позволила преодолеть эти трудности и обеспечила надежную связь в сложных условиях на расстояние до 3500 м. Как показано на рисунке 1, типовая СнК компании Cypress состоит из двух подсистем: ядра коммуникации по линиям электропитания (powerline communication — PLC) и ядра программируемой СнК (programmable systemon-a-chip — PSoC). Отдельно от СнК для PLC используется внешняя схема связи с линиями электропитания, которая завершает требуемое аппаратное обеспечение системы. Ядро PLC включает модем для линий электропитания физического уровня и сетевой протокол. Ядро PSoC обеспечивает, кроме коммуникационных, множество других функций, включая измерение мощности, управление системой и управление LCD-дисплеем. Наряду с высокой гибкостью и высокой степенью интеграции эта система обладает высокой надежностью, обеспечивая 100%-й коэффициент успешных попыток пересылки данных по стандартной сети электропитания, а также возможность повторной передачи данных, предусмотренной программно, в случае потери данных в сети с высоким уровнем помех или малой величиной импеданса. Система обеспечивает достаточно высокую гибкость при коммуникациях по высоковольтовым и низковольтовым

Рис. 1. Типовая система коммуникации по линиям электропитания

Электронные компоненты №9 2010


– интегрированные канальный, транспортный и сетевой уровни; – двунаправленную полудуплексную связь; – 8-разрядное обнаружение ошибок по CRC для минимизации потерь данных; – прикладной уровень для линий электропитания с возможностью связи по SPI, UART и I2C. На физическом уровне цифровой передатчик преобразовывает данные сетевого уровня в последовательную форму и передает их на вход модулятора, как показано на рисунке 2. Модулятор делит частоту гетеродина на определенный коэффициент деления в зависимости от логического уровня (лог. «0» или «1») входных данных. Затем он генерирует прямоугольный сигнал частотой 133,3 кГц (лог. «0») или 131,8 кГц (лог. «1»), который поступает на усилитель с программируемым коэффициентом усиления для формирования FSK-сигналов, передаваемых в схему связи с линиями электропитания. Это обеспечивает усиление сигнала с возможностью перестройки. С помощью этого усилителя амплитуда сигнала на выходе чипа может меняться от 55 мВ до 3,5 В. Такая возможность позволяет PLC-модему эффективно обеспечивать связь в канале с повышенным уровнем помех. Частота сигнала лог. «1» может быть также установлена равной 130,4 кГц для того, чтобы получить большее смещение частоты FSK. Входные FSK-сигналы (Rx) от схемы связи с линиями электропитания передаются на высокочастотный полосовой фильтр, который удаляет внеполосные частотные компоненты и пересылает отфильтрованный сигнал в пределах желаемого спектра от 125 до 140 кГц на дальнейшую демодуляцию. Блок смесителя накладывает отфильтрованные

FSK-сигналы на сигналы гетеродина и формирует частоты гетеродина. Полосовые фильтры промежуточной частоты дополнительно удаляют внеполосный шум, что требуется для дальнейшей демодуляции. Этот сигнал поступает на корреляционное устройство, которое формирует компонент постоянного тока (состоящий из лог. «1» и «0») и компонент высокой частоты. С выхода корреляционного устройства сигнал поступает на фильтр нижних частот (ФНЧ), который пропускает только демодулированные цифровые данные с частотой 2400 бит/с и подавляет все другие высокочастотные компоненты, сгенерированные в процессе коррелирования. Гистерезисный компаратор оцифровывает выходной сигнал ФНЧ, что исключает эффекты задержки корреляционного устройства и ложный запуск логики из-за возможных помех. Цифровой приемник преобразовывает эти данные из последовательной формы в параллельную и передает их на сетевой уровень для дешифрирования. Из-за специфических требований к приложению в ядре PLC применена двусторонняя связь с ядром PSoC, в котором используется весьма гибкая для встраиваемых устройств управления архитектура СнК. ЯДРО PSOC

Вместо множества системных компонентов на базе обычного микроконтроллера платформа PSoC состоит из управляющих блоков, содержащихся в одном недорогом однокристальном программируемом устройстве. Кристаллы PSoC содержат конфигурируемые блоки аналоговой и цифровой логики и программируемые межсоединения. Такая архитектура позволяет пользователю создавать специализи-

СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

48

рованную конфигурацию периферии, которая способна обеспечивать требования индивидуального приложения. Семейство устройств для связи по линиям электропитания содержит недорогую микросхему с фиксированными функциями с интерфейсом I2C (CY8CPLC10), программируемые микросхемы на базе PSoC (CY8CPLC20) и программируемые микросхемы на базе PSoC с поддержкой светодиодов (CY8CLED16P01). Микросхема CY8CPLC10 доступна в 28-выводном корпусе SSOP, а микросхемы CY8CPLC20 и CY8CLED16P01 поставляются в 28-выводном корпусе SSOP, 48-выводном корпусе QFN и 100выводном корпусе TQFP. Так, например, CY8PLC20 содержит перечисленные ниже компоненты. Программируемые системные ресурсы: – АЦП с разрешением до 14 разрядов; – ЦАП с разрешением до 9 разрядов; – усилители с программируемым коэффициентом усиления; – 32-разрядные таймеры, счетчики и ШИМ-модули; – модули CRC и PRS; – до 4 полнодуплексных UART; – несколько устройств master и slave интерфейса SPI; – предусмотрена возможность соединения со всеми портами ввода/ вывода общего назначения. Конфигурируемая встроенная память: – 32-Kбайт программируемая флэш-память с 50 тыс. циклов стираниязаписи; – 1-Kбайт SRAM для хранения данных; – EEPROM-эмуляция на флэшпамяти. Дополнительные системные ресурсы: – 400-кГц I2C-устройства slave, master и multi-master; – сторожевой таймер и таймер автоматического отключения; – система детектирования пониженного напряжения с возможностью конфигурирования пользователем; – встроенная схема мониторинга; – встроенный прецизионный источник опорного напряжения. СХЕМА СВЯЗИ С ЛИНИЯМИ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Рис. 2. FSK-модем физического уровня формирует отфильтрованный сигнал в пределах спектра 125… 140 кГц для последующей демодуляции

WWW.ELCP.RU

Схема связи с линиями электропитания (см. рис. 1) представляет собой внешнее устройство, которое связывает низковольтные сигналы ядра PLC с линиями электропитания. В эту схему включен изолированный автономный импульсный источник питания, который работает от той же линии электропитания, которая передает коммуникационные сигналы. Схема соответствует требованиям для передачи сигналов по


высоковольтным линиям согласно стандартам EN50065-1:2001 и FCC часть 15. Она способна работать с линиями электропитания напряжением 110/240 В AC и 12/24 В AC/DC. Схема связи с линиями электропитания принимает нефильтрованный FSKсигнал малой амплитуды Tx (равной примерно 125 мВp-p, с возможностью перестройки от 55 мВp-p до 3,5 Вp-p), сформированный в ядре PLC, и передает его в фильтр передачи и блок усиления. Фильтр передачи представляет собой полосовой фильтр Чебышева 4-го порядка, настроенный на максимальную величину неравномерности затухания в полосе пропускания величиной 1,5 дБ. Он обеспечивает коэффициент усиления 16,5 дБ на центральной частоте 133 кГц, а также коэффициент подавления, равный –20 дБc на границе частотного диапазона 150 кГц и –50 дБc и –60 дБc, соответственно, на второй и третьей гармонике несущей. Выходной сигнал поступает на изолированный трансформатор T1, который соединен с линией электропитания. Конденсатор 1 мкФ (C14) удаляет постоянное смещение для передатчика на стороне устройства, а конденсатор 0,15 мкФ (C9) вместе с трансформатором T1 формирует фильтр верхних частот, блокирующий 50/60-Гц сигнал несущей высоковольтной линии электропитания и пропускающий 133-кГц сигнал PLC. Принимаемый сигнал передается в ядро PLC через изолированный трансформатор T1, используемый передатчиком. Трансформатор T1 должен обеспечить малый импеданс на частоте сигнала и низкие утечки. Внутренний конденсатор 0,01 мкФ обеспечивает DC-изоляцию, а входной резистор 2,0 кОм устанавливает входной импеданс приемника. Этот резистор вместе с двумя диодами ограничивает сигнал для защиты схемы от влияния сигналов передатчика большой амплитуды и любых сигналов, наведенных с линии электропитания.

Приемный фильтр содержит индуктивность 1 мГн, конденсатор 150 пФ и резистор 2,0 кОм. Он блокирует внеполосные помехи, такие как AM-сигналы радиовещания, которые могут быть переданы с линии и могут вызывать сбои во внутренних цепях приемника. Автономный импульсный источник питания является стандартным изолированным обратноходовым преобразователем с полномостовым входным выпрямителем. Входной резистор сопротивлением 1 Ом обеспечивает ограничение бросков тока. Ограничитель напряжения подавляет возможные переходные процессы, а входной предохранитель обеспечивает защиту от превышения допустимого тока. Преобразователь питания предназначен для работы со всеми типами сетей переменного тока напряжением от 90 до 240 В. Пиковое напряжение в сети может достигать 350 В DC, поэтому конденсаторы фильтра должны быть рассчитаны на высокие значения пикового напряжения. ЭТАЛОННЫЕ ПРОЕКТЫ

Компания Cypress предлагает эталонные проекты для сетей электропитания с различной амплитудой напряжения, в том числе 110/240 В AC и 12/24 В AC/DC. Система PLC способна обеспечить передачу данных и по другим AC/DC-линиям электропитания с соответствующими внешними схемами связи. Проекты на 110 и 240 В AC соответствуют всем нормативным документам для эксплуатации линий электропитания. Компания Cypress предлагает также ряд оценочных наборов и наборов для проектирования. Оценочный набор для связи по высоковольтным сетям электропитания CY3272 и оценочный набор для связи по низковольтным сетям электропитания CY3273 соответствуют стандартам FCC и CENELEC и включают оценочную плату, руководство для быстрого старта, несколько кабелей, USB-кабель, 12-В AC адаптер питания и

СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

50

Рис. 3. Набор для проектирования программируемой системы связи по высоковольтным сетям электропитания CY3274

WWW.ELCP.RU

CD с тестовым программным обеспечением, технической документацией, руководством пользователя, указанием по применению, электрическими схемами и гербер-файлами. Набор для проектирования программируемой системы связи по высоковольтным сетям электропитания CY3274 (см. рис. 3) и набор для проектирования программируемой системы связи по низковольтным сетям электропитания CY3275 позволяют разработать систему на базе микросхемы CY8CPLC20. Набор для проектирования программируемой системы связи по высоковольтным сетям электропитания CY3276 и набор для проектирования программируемой системы связи по низковольтным сетям электропитания CY3277 предназначены для разработки систем освещения с использованием микросхемы CY8CLED16P01. В состав набора программных инструментов для разработки входят: – бесплатный программный пакет для проектирования (PSoC Designer™); – полнофункциональный внутрисхемный эмулятор (ICE) и программатор; – полноскоростной эмулятор; – комплексная структура точек контрольного прерывания программ; – 128 Кбайт память данных трассировки; – сложные события; – компиляторы, ассемблер и компоновщик. СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ

Для измерения квазипиковых и усредненных PLC-сигналов в течение 1 мин был использован анализатор спектра. Измерения проводились как с 110-В, так и 220-В сетью электропитания. Во время этих измерений PLCмодем имел следующие установленные режимы: – коэффициент усиления передачи 125 мВp-p; – режим синхронизации: от внешнего генератора; – скорость передачи данных 2400 бит/с с полосой пропускания 1,5 кГц. Микросхема CY8CPLC10 работала в режиме внутреннего теста для того, чтобы обеспечить непрерывную передачу данных. Для инициации передачи внешнее соединение через интерфейс I2C не использовалось, т.к. неэкранированный соединительный кабель мог генерировать помехи, превышающие допустимый уровень. Обычно в пользовательских приложениях соединение по интерфейсу I2C находится в пределах одной платы, а система установлена в корпусе. График, изображенный на рисунке 4, отражает результаты измерений кондуктивного излучения для микросхемы, установленной на оце-


ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ

Тесты на плате эталонного проекта показали устойчивость программируемой СнК CY8CPLC10 к воздействию белого шума и узкополосных помех в полосе частот PLC-связи. Шум является критически важным фактором функционирования PLC-плат, поэтому в тестах использовались сигналы с помехами. Для тестирования использовались следующие виды сигналов с помехами:

51 Рис. 4. Результаты измерений кондуктивного излучения на оценочной плате CY3272

– белый шум; – непрерывный сигнал одного тона; – импульсный сигнал одного тона; – AM-модулированный сигнал. PLC-решение компании Cypress позволяет разработчикам интегрировать системные функции и возможность связи по линиям электропитания на одном кристалле. Раньше для реализации системных функций разработчики вынуждены были приобретать различные компоненты. Основой решения

компании Cypress является платформа СнК, которая позволяет создавать высокоинтегрированные проекты с минимальны�� количеством элементов. При таком подходе достигаются высокие характеристики PLC и обеспечивается надежность в различных условиях эксплуатации. ЛИТЕРАТУРА 1. Sam Davis. SoC Uses Powerline Communications to Control Embedded Applications//www. powerelectronics.com.

Электронные компоненты №9 2010

СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

ночной плате CY3272. Темно-красные и синие линии показывают выходной спектр от 10 кГц до 24 МГц на основе, соответственно, квазипиковых и усредненных измерений на сетевых выводах устройства. Светло-красные и голубые линии отражают разрешенный предел спектра, как установлено в стандарте EN50065-1:2001, соответственно для квазипиковых и усредненных измерений. В результате измерений получено, что пиковый выходной уровень для микросхемы составил 119,04 дБмкВ на сетевом выходе платы. Предельной величиной для устройств, передающих в частотном диапазоне 95…148,5 кГц, является 122 дБмкВ. Пиковые уровни первой и второй гармоник сигнала составили 57,67 и 39,59 дБмкВ соответственно.


ПЕРЕДАЧА СИГНАЛА ETHERNET ПО ОПТИЧЕСКИМ СЕТЯМ СО СКОРОСТЯМИ 10, 40 И 100 ГБИТ/С ДЭВИД ЙЕ (DAVID YEH), AppliedMicro

Новые устройства позволяют передавать сигналы 10G-Ethernet по оптическим магистральным и глобальным сетям с протяженными линиями, снижая стоимость оборудования и нагрузку на линию.

С каждым годом объем сетевого трафика стремительно растет, и операторам связи и интернет-провайдерам приходится повышать скорость передачи данных с нынешних 10 до 100 Гбит/с и выше. Постепенно технология SONET/ SDH вытесняется оптическими транспортными сетями (OTN — Optical Transport Network), по которым передача видеосигнала осуществляется более качественно и с меньшими затратами. Для максимального сокращения расходов производители оборудования должны разработать высокоинтегрированные интерфейсные карты, поддерживающие большое количество протоколов и скоростей работы. Это обеспечит обратную совместимость между трафиком SONET/SDH, IP/Ethernet и OTN. Для достижения этой цели нужны новые подходы к проектированию на схемотехническом и системном уровнях. По функционалу и степени защиты оптические сети OTN близки к SONET/ SDH, однако они имеют более простую и дешевую реализацию. Кроме того, они лучше подходят для прозрачного отображения и передачи клиентского трафика по глобальным сетям. Этот факт имеет большое значение, поскольку соблюдение синхронизации и передача сигналов управления необходимы СЕТИ И НТЕРФЕЙСЫ

52

Рис. 1. Пример многофункциональной СнК

WWW.ELCP.RU

для поддержания связи между оконечными устройствами линии и обеспечения качественного обмена. Во-вторых, обеспечение прозрачности трафика необходимо в сетях OTN, используемых в качестве общего протокола при сходимости сетей. Другой фактор, стимулирующий переход с SONET/SDH на OTN, — это стремление операторов использовать сети Ethernet не только в локальном, но и в глобальном масштабе (WAN). Это позволит сократить расходы на обслуживание и уменьшить сложность оборудования. Для передачи сигнала 10G Ethernet по сетям метрополитена или другим протяженным оптическим транспортным сетям необходимо отобразить его на блок данных канала ODU-2, как того требует стандарт International Telecommunication Union (ITU), приложение 43, секция 7.3. В таком режиме отображения сигнал 10G Ethernet полностью совпадает с сигналом OUT-2, но передается со скоростью 10,709 Гбит/с (стандарт G.709). Структура кадра OTN позволяет применять метод прямой коррекции ошибок (FEC), что позволяет существенно увеличить расстояние, на которое распространяется сигнал без ошибок. Это еще один довод для поставщиков услуг.

Структура сети OTN хорошо подходит для работы с сигналами 40 Гбит/с (OUT-3) и 100 Гбит/с (OUT-4), позволяя преобразовывать сигналы 10 Гбит/с в 40 и 100 Гбит/с. С распространением интернета трафик голосовых и информационных данных удваивается каждые 1—1,5 года, поэтому потребность в быстродействующих сетях становится весьма ощутимой. На схемотехническом уровне передача происходит с помощью СнК, которые обеспечивают как отображение сигналов Ethernet на OTN, так и мультиплексирование и взаимодействие между сетями c пропускной способностью 10, 40 и 100 Гбит/с. ПОВЫШЕНИЕ СКОРОСТИ ПЕРЕДАЧИ

С ростом трафика одного лишь перехода на оптические сети недостаточно. Необходимо либо увеличивать количество каналов, либо использовать дополнительные длины волн, либо увеличивать скорость передачи. У каждого из подходов есть достоинства и недостатки. Подключение новых каналов может потребовать установки дополнительного оборудования или прокладки кабеля. Это очень дорого. Работа в более широком диапазоне длин волн может привести к сближению каналов и уменьшению защитного интервала, поэтому придется использовать более совершенные схемы модуляции и производить дорогостоящее обновление передающего оборудования. Кроме того, не во всех оптоволоконных линиях возможно добавление новой длины волны в силу различных ограничений. Наконец, третий подход, увеличение скорости передачи, также предполагает усложнение схем модуляции и методов прямой коррекции ошибок, чтобы удовлетворить требования по дисперсии. В настоящее время идет разработка АЦП и оптических модулей, способных обеспечить требуемые характеристики.


Рис. 2. Применение СнК Yahara в преобразователе 10 сигналов 10 Гбит/с в формат OTU-4 (100 Гбит/с)

СЕТИ И НТЕРФЕЙСЫ

54

Как видно, все три подхода неидеальны. Однако метод увеличения скорости передачи имеет самые большие достоинства с точки зрения системных характеристик и сокращения затрат. Применение улучшенных схем модуляции, таких как двухполюсная квадратурная фазовая манипуляция (DP-QPSK) для перехода со скоростей 10 на 40 и 100 Гбит/с, позволяет сохранить большую часть существующей инфраструктуры оптоволоконной сети. Модуляция DP-QPSK позволяет иметь до 80 каналов с пропускной способностью 100 Гбит/с, разделенных интервалами 50 ГГц. Сейчас разрабатывается оборудование, обеспечивающее обмен на скорости 40 Гбит/с. Некоторые устройства уже поддерживают скорость 100 Гбит/с. Исследовательская группа 15 ITU провела стандартизацию схем отображения, тактирования и формирования кадра для блоков OTU-4. Некоммерческая корпорация Optical Internetworking Forum (OIF) признала модуляцию DP-QPSK наиболее эффективной для преобразования сигналов 10G в формат 40 и 100G. Передача данных производится системой на кристалле (СнК), обеспечивающей помимо всего прочего протокол GMP, который осуществляет преобразование сигнала в кадры 10G ODTU-23/24 и выводит их в соответствии с тактовой частотой, позволяя легко мультиплексировать 10 сигналов 10 Гбит/с в кадр OTU-4 (100 Гбит/с). Между кристаллами обмен производится по протоколам GMP и XFI. Использование GMP также позволяет соблюдать синхронизацию и существенно упрощает задачу формирователя OUT-4. ПОВЫШЕНИЕ ИНТЕГРАЦИИ

Функции отображения, формирования кадра и протоколы физического

WWW.ELCP.RU

уровня интегрируются в устройства LAN/WAN/OTN, чтобы снизить стоимость устройств, потребляемую мощность и обеспечить требуемый набор интерфейсов. Такие СнК представляют собой самое гибкое и экономичное решение для поставщиков оборудования и операторов связи. Они предназначены для использования в различном оборудовании, в т.ч. интерфейсных и ретрансляционных картах, картах восстановления и даже устройствах мультиплексирования и преобразования сигналов со скоростью 40 Гбит/с в сигналы 100 Гбит/с. Кроме того, реализованный на них последовательный интерфейс позволяет вносить предыскажения и компенсировать дисперсию сигнала (EDC), чтобы работать с оптическими модулями XFP и SFP+. Встроенные блоки прямой коррекции ошибок ITU G.709 и ITU G.975.1.I4 позволяют передавать сигналы 10G Ethernet по сетям метрополитена и протяженным глобальным сетям OTN в условиях низкого отношения сигналшум в оптическом канале. Кроме того, они компенсируют внутриканальные нелинейные искажения, поэтому каналы можно разнести на 25 ГГц в системах с мультиплексированием по длине волны высокой плотности (DWDM — dense wave division multiplexing). Устройства, совмещающие блоки отображения сигналов 10GbE/10GFC/8Gbit Fibre Channel/OC-192/STM-64 в формат OTU-2, схему синтеза тактового сигнала FracN, схемы электронной компенсации дисперсии (EDC) и прямой коррекции ошибок, а также физический уровень позволяют снизить стоимость, потребление и габариты устройств передачи на 50% за счет отбрасывания внешних устройств физического уровня и интерфейсных мостов.

Интерфейсная совместимость со специализированными устройствами — ключевое свойство для потоковых приложений 10G OUT-2. С поддержкой протоколов XAUI/SFI4.P2/SFI-5s можно подключаться напрямую к сетевым процессорам, маршрутизаторам 10G Ethernet, формирователям кадра и устройствам MAC. По линиям 10G XFI происходит прямой обмен с оптическими модулями ХFP и SFP+. Широкий выбор интерфейсов позволяет использовать эти СнК в многофункциональных транспортных платформах и платформах DWDM. Поддержка клиентского протокола 10G XFI и 16-разрядного параллельного интерфейса SFI4.P1 должна быть обеспечена как со стороны клиента, так и со стороны линии. Настроенная таким образом СнК поддерживает работу с 10G XFP/SFP+ и модулями 10G MSA и может применяться в качестве блока передачи 10G OTU-2, ретрансляции и восстановления данных. При использовании чипа для последовательной передачи данных или в качестве ретранслятора или преобразователя мультиплексированных сигналов 10 Гбит/с в 100 Гбит/с требуется наличие двух последовательных интерфейсов 10 Гбит/с, совместимых с XFP/SFP+. Учитывая, как стремительно развиваются технологии, следует также разработать вариант СнК с поддержкой оптических сетевых модулей меньшего размера и плат последовательной передачи данных со скоростью 10 Гбит/с. Усовершенствованные модели СнК физического уровня и формирования кадра будут характеризоваться более высоким уровнем интеграции и содержать блоки 100G OUT-4/FEC. За счет этого их стоимость, потребление и размер будут сокращаться, что, в свою очередь, будет способствовать повсеместному распространению стандарта передачи со скоростью 100 Гбит/с в транспортных сетях (см. рис. 2). Семейства СнК с дифференцированным набором функций позволят производителям оборудования выбрать самый подходящий набор для конкретной задачи. В результате специализированные однокристальные решения будут оптимизированы по стоимости, потреблению и габаритам. В планах производителей оборудования выпуск транспортных устройств для глобальных сетей, обеспечивающих сопряжение сетей OTN/WAN/LAN и обмен данными со скоростями 10, 40 и даже 100 Гбит/с. Гибкая архитектура и малый размер устройств обеспечивают надежную и эффективную передачу данных 10G Ethernet по оптическим транспортным сетям.


ПРИМЕНЕНИЕ УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫХ ЭКВАЛАЙЗЕРОВ И 20-м МЕДНЫХ КАБЕЛЕЙ В ЛИНИЯХ СВЯЗИ ДЖОРДЖ НО (GEORGE NOH), старший системный инженер, Vitesse Semiconductor

В последнее время была проделана немалая работа по стандартизации медных кабельных линий связи. В результате появились стандарты SFF8431, IEEE802.3ba, FC-PI-4, SFF8461, FC-PI-5 и IEEE802.3ba. В статье рассматриваются новейшие технологии эквалайзерных ИС, а также модернизированные кабельные узлы, позволяющие создавать линии связи с помощью пассивных медных кабелей длиной 20 м. Публикация представляет собой сокращенный перевод [1]. Во-вторых, в качестве приемника используется самый мощный для 10-Гбит/с Ethernet-сетей модуль 10GBASE-LRM на основе технологии автоматической компенсации дисперсии (Electronic Dispersion Compensation, EDC). Архитектура EDC позволяет корректировать сигнал с помощью блоков регулирования с прямой связью (Feed Forward Equalization, FFE) и распределенной обратной связи (Distributed Feedback Equalization, DFE). В статье обсуждается вопрос создания 20-м линий связи 10GbE на основе новейших технологий модернизации медных кабельных узлов и хост-микросхем с 3-точечными КИХпередатчиками и EDC-приемниками. НОВЕЙШИЕ ТЕХНОЛОГИИ МОДЕРНИЗАЦИИ АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ

По мере повышения скорости передачи данных при неизменной длине

медных кабелей увеличиваются искажение и ослабление сигнала. Многие стандарты 10GbE предусматривают для таких приложений усовершенствованные методы коррекции, позволяющие переопределить понятие «хороших» сигналов на выходе канала. В традиционной схеме с опорным приемником «хорошим» считается сигнал с открытой глазковой диаграммой. При использовании эталонного EDC-приемника полностью закрытый глаз диаграммы может оцениваться как «хороший» сигнал, поскольку метод EDC-компенсации позволяет открыть глаз. Схема EDC-компенсации (см. рис. 1) состоит из эквалайзера с прямой связью (FFE) и эквалайзера с распределенной обратной связью (DFE). FFE-эквалайзер представляет собой линию задержки с ответвлениями. Весовой коэффициент для каждой точки ответвления (wfn на рисунке 1,

55 СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

ВВЕДЕНИЕ

По мере увеличения скорости последовательной передачи данных возрастают потери и искажения в линии связи. При скорости 1 Гбит/с потери и искажения сигнала относительно невелики, что позволяет работать с ним с помощью стандартных хост-микросхем и кабелей в большинстве приложений. При увеличении скорости передачи данных до 10 Гбит/с искажения и потери возрастают в значительной мере. Многие новые стандарты передачи данных, в т.ч. спецификация SFF8431, разработаны также для пассивных медных кабельных узлов. Использование традиционных хост-микросхем и стандартных медных кабельных узлов позволяет создать канал связи длиной около 3 м. Благодаря усовершенствованным эквалайзерным микросхемам возможность создания каналов связи со скоростью передачи данных до 10 Гбит/с становится вполне реальной. Для увеличения длины кабеля в хостмикросхемах используются две технологии. Во-первых, для минимизации искажений используется корректирующий передатчик 10GBASE-KR который определяется стандартом IEEE802.3ap. У передатчика больший выходной сигнал по сравнению с другими стандартными передатчиками 10GbE, например, с модулем SFP+. Формирователь выходных данных KR использует данные последующей и предшествующей корректирующей точек. Он реализует 3-точечный цифровой фильтр с конечной импульсной характеристикой (КИХ) для коррекции сильных искажений в длинном медном кабеле.

Рис. 1. EDC-архитектура

Электронные компоненты №9 2010


где n — номер отвода) определяет, усиливается или ослабляется в ней сигнал. Каждое ответвление вносит свой вклад на суммирующем узле. Интенсивность входящего потока определяется отношением S/T, где T — интервал побитовой передачи, а S — целое число, равное количеству единичных интервалов задержки перед выходом блока FFE. В стандартных приложениях S = 2. Задержка в линии определяется отношением T/S между каждым ответвлением. Скорость передачи данных блока FFE составляет 1/T. DFE-фильтр также представляет собой линию задержки с ответвлениями, на вход которого поступают символы с восстановленной тактовой синхронизацией с суммирующего узла FFE. Задержка между каждым ответвлением равна T, в отличие от T/S в FFEэквалайзере. Ответвления обратной связи также имеют весовые коэффициенты (wbn на рисунке 1, где n — номер ответвления). FFE-структура компенсирует межсимвольную интерференцию, но, как правило, в процессе этого увеличивает шум. Напротив, фильтр обратной связи позволяет нейтрализовать взаимовлияние символов, сводя к минимуму усиление шума. Выходной сигнал от блоков FFE и DFE поступает в канал рассогласования, который использует алгоритм оптимизации весовых коэффициентов каждого ответвления. Известно множество методов адаптации, например алгоритм минимальной среднеквадратичной ошибки, принцип обнуления и т.д. С помощью этой оптимизации весовых коэффициентов ответвлений настраивается частотная характеристика фильтра. В самых последних стандартах определены усовершенствованные эквалайзеры. В стандарте IEEE802.3ap в состав схемы 10GBASE-KR изначально входили 1-точечный FFE-эквалайзер и 5-точечный DFE-эквалайзер, или т.н. 1,5 эквалайзер. В стандарте IEEE802.3aq в схеме 10GBASE-LRM использовался

УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ 3-ТОЧЕЧНЫЙ КИХ-ПЕРЕДАТЧИК

В варианте 10GBASE-KR стандарта IEEE802.3ap в разделе 72.7.1.10 описан 3-точечный передатчик с конечной импульсной характеристикой (КИХ). Эта схема вносит задержку для каждого отвода на 1UI (единичный интервал). Таким образом, в каждой точке сигнал усиливается или ослабляется. Далее сигналы с трех точек суммируются. Назначение этой архитектуры заключается в коррекции искажений как с использованием предыдущей, так и последующей точек. МОДЕРНИЗИРОВАННЫЙ КАБЕЛЬ

Усовершенствование коснулось не только метода коррекции хостмикросхем — недавно были также модернизированы медные кабельные узлы. В приложении Е стандарта SFF8431 SFP+ определена кабельная линия с эквалайзером 10GBASE-LRM. Эта спецификация побудила многих поставщиков кабелей доработать печатные платы и оконечные устройства для совместимости по таким параметрам как отношение VMA к коэффициенту перекрестных помех и dWDP (амплитудное искажение), определенным в SFP+ стандарта SFF8431. Был также улучшен показатель вносимых потерь на единицу длины. У старых кабелей этот показатель составляет 2,1 дБ/м при 5 ГГц. У модернизированных кабелей вносимые потери равны 1,7 дБ/м. У стандартного 20-м кабеля, рассматриваемого в этой статье, потери на частоте Найквиста составили 43 дБ, а у модернизированного кабеля — 35,5 дБ. Исходя из того, что на одну кабельную муфту потери равны 1 дБ, потери на стандартном кабеле составляют 2,05 дБ/м, а у модернизированного кабе-

СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

56

эквалайзер 14,5. К настоящему времени схема LRM считается самым мощным эквалайзером, стандартизованным для сетей 10Gb Ethernet.

Рис. 2. Архитектура передатчика стандарта 10GBASE-KR состоит из 3-точечного КИХ-корректора (см. раздел 72.7.1.10 спецификации IEEE802.3ap)

WWW.ELCP.RU

ля на частоте Найквиста — 1,675 дБ/м. Для 20-м кабеля они равны 7,5 дБ на частоте 5 ГГц. Традиционное экранирование кабеля осуществлялось методом спиральной навивки. В результате возникала паразитная емкость, выступавшая в качестве НЧ-фильтра, что способствовало увеличению вносимых потерь на частоте около 7 ГГц. Для более коротких кабелей эта проблема не была слишком значительной. Напротив, для кабелей длиной 20 м или кабелей, обеспечивающих высокие скорости передачи данных, это серьезное препятствие, для преодоления которого был задействован метод однородного экранирования, напоминающий сворачивание сигареты. Благодаря этому была устранена паразитная емкость, и потери снизились на 7 ГГц. Еще одним инновационным решением стало применение двух методов пассивной коррекции в кабельных сборках: создание пассивных узлов или использование в кабеле других проводящих материалов для коррекции сигнала с помощью скин-эффекта. Второй метод позволяет ослабить низкочастотные составляющие, уменьшив, таким образом, искажение сигнала на выходе кабеля. Кабельные узлы были модернизированы в последнее время путем развязки от перекрестных помех, благодаря новому методу экранирования кабеля и коррекции искажений. Эти усовершенствования позволили увеличить длину кабеля, используемого в сетях Ethernet 10 10Gb. БЮДЖЕТЫ ЛИНИИ СВЯЗИ

Создавая систему с медным кабелем, следует учитывать требования по напряжению и искажениям. Бюджет напряжения ограничен чувствительностью приемника на дальнем конце линии связи и выходным сигналом передатчика с коррекцией предыскажений на ближнем (передающем) конце. Стандарты SFP+ (SFF8431) и FC-PI-4 (для оптоволоконного канала) устанавливают проверку этого бюджета с помощью амплитудной модуляции (Voltage Modulation Amplitude, VMA), которая определяется как амплитуда сигнала, использующего комбинацию чередующихся 8 нулей и 8 единиц. По существу, это НЧ-амплитуда. Данные стандарты определяют минимальную величину НЧ-амплитуды сигнала, поступающего на EDC-приемник, при соблюдении требований к его минимальной чувствительности. Во временной области предъявляются требования к искажениям. Для их уменьшения до минимального уровня выполняется коррекция путем их сложения с инвертированными иска-


Рис. 3. Блок-схема лабораторной установки с передатчиком 10GBASE KR

Рис. 4. Блок-схема лабораторной установки с DPP-передатчиком 10GBASE-KR нестандартного сигнала большой амплитуды 1400 мВpp

жениями. Эта коррекция позволяет существенно уменьшить низкочастотную амплитуду напряжения, сведя к минимуму искажения. Если соблюдены заданные параметры обоих бюджетов, поступающий на решающую схему скорректированный сигнал не содержит ошибок. ЛАБОРАТОРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ

Рис. 5. Осциллограмма выходного сигнала передатчика с повторяющейся последовательностью из 8 нулей и 8 единиц с использованием коррекции в предыдущей и последующей точках

57

Рис. 6. Глазковая диаграмма выходного сигнала передатчика в эксперименте 5

Средняя точка 3-точечного передатчика была установлена на максимум, предшествующая — на фиксированное значение коррекции –11,7 дБ, а значения коррекции последующей точки менялись в соответствии с указанными в сводных таблицах 1 и 2.

На рисунках 5 и 6 показаны осциллограмма сигнала и глазковая диаграмма, соответственно, на которых представлены параметры коррекции предшествующей и последующей точек передатчика (см. рис. 2) в эксперименте 5 (см. табл. 1 и 2)

Электронные компоненты №9 2010

СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

В лаборатории использовался генератор тестовых последовательностей 10G BERTScope со стандартной последовательностью PRBS31 и скоростью 10,3125 Гбит/с. К выходному передатчику 10GBASE-KR был добавлен модуль DPP генератора BERTScope, благодаря которому использовался либо хостпередатчик (см. рис. 3), либо DPPпередатчик (см. рис. 4). Выходной сигнал генератора тестовых последовательностей поступал на хост-передатчик VSC824X через согласованную пару кабелей SMA, который, в свою очередь, подключался к плате совместимости с хостом SFP+ через другую согласованную пару кабелей SMA. Связь между платами совместимости осуществлялась с помощью медных кабелей. Со стороны приемника была установлена еще одна плата совместимости с хостом, которая была подключена к EDC-приемнику VSC824X. Выходной сигнал хоста поступал на детектор ошибок прибора BERTScope, измеряющий BER. В эксперименте исследовались сигналы передатчика с размахом дифференциального напряжения 1000 и 1400 мВ. Сигнал с размахом 1000 мВ использовалось в обоих случаях (см. рис 3 и 4). Выходной сигнал с амплитудой 1400 мВ использовался только в случае с DPP-модулем генератора BERTScope (см. рис. 4). Это нестандартный выходной сигнал для KR использовался для изучения требований по искажениям независимо от бюджета напряжения.


Рис. 7. Точки B и D на блок-схеме лабораторной установки Таблица 1. Результаты лабораторных испытаний 1—8, позволяющие сравнить показатели модернизированного и стандартного кабелей Сигнал передатчика в точке B Испытание 1 2 3 4 5 6 7 8

Tx

Размах дифф. напряжения, мВ

DPP

Весовой коэффициент последующей точки, дБ 26,02 20,00 16,48

1000

VSC824х

13,35 26,02 20,00 16,48

DPP

Параметры кабеля Тип

Длина, м

Детектор ошибки входного сигнала BER канала связи 2,00∙10–4 2,70∙10–10

Модернизированный 20

10–13 7,03∙10–6 6,67∙10–6 2∙10–4

Стандартный

Таблица 2. Результаты лабораторных испытаний 1—5 и 9—13, позволяющие сравнить показатели передатчиков с размахом выходного сигнала 1000 и 1400 мВ Сигнал передатчика в точке B Испытание 1 2 3 4 5 9 10 11 12 13

Tx

Размах дифф. напряжения, мВ

DPP

1000

DPP

WWW.ELCP.RU

СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ

13,35 16,48 13,98 12,04 9,12 6,02

1400

В процессе 13-ти проведенных экспериментов измерялись выходной размах напряжения в точке В и частота появления ошибочных битов (BER) в конце линии с помощью детектора ошибок BERTScope (см. рис. 7). В таблице 1 представлены результаты испытаний 1—8, в которых измерялся коэффициент BER канала связи с использованием модернизированного и стандартного кабелей при разных весовых коэффициентах последующей точки. В таблице 2 представлены результаты испытаний 1—5 и 9—13, в которых измерялись параметры только модернизированного 20-м кабеля с амплитудами дифференциального напряжения выходного сигнала передатчика 1000 и 1400 мВ при изменении весовых коэффициентов последующей точки.

Детектор ошибки входного сигнала

Тип

BER канала связи

Длина, м

2,00∙10–4 2,70∙10–10

16,48

VSC824х

РЕЗУЛЬТАТЫ ЛАБОРАТОРНЫХ ИСПЫТАНИЙ

58

Весовой коэффициент последующей точки, дБ 26,02 20,00

Параметры кабеля

Модернизированный

РЕЗУЛЬТАТЫ

В испытаниях исследовались параметры двух типов кабелей — стандартного и модернизированного. Стандартный кабель — типовой кабель, применяемый в сетях 1GbE, 2G Fibre Channel и 4G Fibre Channel; вносимые потери — около 2,1 дБ/м, экранирование спиральное. Модернизированный кабель соответствует новейшим стандартам; вносимые потери — 1,7 дБ/м, экранирование методом свертки. Как и ожидалось, рабочие характеристики модернизированного кабеля лучше, чем у кабеля со спиральным экранированием. Интенсивность ошибочных битов у 20-м модернизированного кабеля оказалась нулевой в испытаниях 3—5 и 9—13. ВЫВОДЫ

Совместное функционирование хост-микросхем и кабелей, создан-

20 10–13

ных с помощью новых технологий, позволило увеличить длину 10-Гбит/с канала связи. Оптимальное сочетание хост-передатчика, пассивного медного кабеля и усовершенствованного приемника с эквалайзером стало основой создания передатчика 10GBASE-KR, EDC-приемника 10GBASE-LRM и модернизированного кабельного узла. В результате коэффициент BER 20-м медного кабеля оказался менее 8,08∙10 –14 . Наблюдавшийся запас, по крайней мере, в 10 дБ в бюджете искажений позволил снизить амплитуду низкочастотной составляющей (бюджет напряжения).

ЛИТЕРАТУРА 1. w w w . e e t i m e s . c o m / d e s i g n / embedded/4204490/Some-history-of-coppercable-link-assemblies.


КАК МАКСИМАЛЬНО РАСШИРИТЬ ДИАПАЗОН РАБОЧИХ ПАРАМЕТРОВ СИЛОВЫХ GAN-ТРАНЗИСТОРОВ ДЖОХАН СТРАЙДОМ (JOHAN STRYDOM), Efficient Power Conversion

Силовые MOSFET-транзисторы стали появляться в 1976 г. в качестве альтернативы биполярным транзисторам. В настоящее время MOSFET повсеместно используются в импульсных преобразователях энергии. В статье подробно описывается новая и перспективная технология eGaN, обеспечивающая лучшие рабочие характеристики транзисторов, чем те, которые имеются у MOSFET.

ХАРАКТЕРИСТИКИ СИЛОВЫХ GANТРАНЗИСТОРОВ

Как и в случае с силовыми MOSFET, если на затвор силового GaNтранзистора приложить напряжение, положительно смещенное относительно истока, возникает полевой эффект, при котором двунаправленный канал между стоком и истоком обогащается электронами. При снятии этого напряжения электроны подзатворной области рассредоточиваются по каналу, и запирающий слой восстанавливается. Для создания высоковольтного устройства расстояние между стоком и затвором увеличивают, чтобы увеличить сопротивление транзистора в открытом состоянии. Однако поскольку подвижность электронов в транзисторе GaN HEMT (high electron mobility transistor) очень высока, повышение его способности блокировать напряжение имеет намного меньшее влияние на сопротивление в открытом состоянии,

чем в случае с силовым кремниевым MOSFET. На рисунке 2 сравниваются предельные расчетные значения произведений сопротивления в открытом состоянии на площадь кристалла для GaN, карбида кремния (SiC) и кремния (Si) в зависимости от напряжения пробоя [2]. Следует заметить, что за 30 лет совершенствования MOSFET-транзисторов возможности кремниевой технологии достигли теоретических пределов: при небольших коэффициентах усиления весьма существенно растет стоимость устройства. Напротив, технология GaN достаточно молодая и многообещающая.

ПОРОГОВОЕ И МАКСИМАЛЬНОЕ НАПРЯЖЕНИЯ ЗАТВОРА

Пороговое напряжение eGaN, как правило, меньше, чем у кремниевых MOSFET, что накладывает меньшие ограничения на разрабатываемые приложения, поскольку пороговое значение в малой степени зависит от температуры кристалла при очень небольшой емкости затвор-сток CGD. На рисунке 3 представлены передаточные характеристики 100-В, 7-мОм транзистора EPC1001. Обратите внимание на то, что при большей температуре ток меньше. Это обстоятельство позволяет перераспределять ток в линейной обла-

Рис. 1. Устройства на базе технологии GaN-on-silicon имеют простую структуру, схожую с продольной ДМОП-структурой, и встраиваются в стандартные КМОП-приборы

59

Рис. 2. Зависимость от напряжения предельных теоретических значений произведения RON на площадь кристалла

Электронные компоненты №9 2010

ДИСКРЕТНЫЕ СИЛОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

В июне 2009 г. корпорация Efficient Power Conversion Corporation (EPC) представила первые усовершенствованные силовые транзисторы на базе технологии eGaN (enhancement-mode GaN), предназначенные для замены силовых MOSFET [1]. Производство этих недорогих транзисторов станет массовым с использованием стандартной технологии изготовления полупроводниковых устройств и оборудования. Упрощенная структура eGaN показана на рисунке 1. Опыт 30-летнего совершенствования силовых MOSFET говорит о том, что одним из главных факторов, определяющих успех внедрения новой технологии, является простота ее применения. Этот принцип также справедлив в отношении проектирования транзисторов на базе технологии eGaN компании EPC.


затвор-исток по сравнению с кремниевым MOSFET требуют более точного расчета напряжения для управления затвором, но суммарные потери уменьшаются. СОПРОТИВЛЕНИЕ

Рис. 3. Передаточная характеристика 100-В, 7-мОм транзистора EPC1001

Зависимость сопротивления RDS(ON) от напряжения затвор-исток VGS схожа с характеристикой MOSFET. Первое поколение eGaN-транзисторов компании EPC работало при напряжении управления 5 В. На рисунке 4 представлено семейство кривых транзистора EPC1001. Видно, что RDS(ON) уменьшается по мере достижения максимального напряжения затвора. Поскольку потери на затворе незначительны, eGaNтранзисторы могут управляться 5-В напряжением. Температурный коэффициент RDS(ON) у eGaN, как и у кремниевого MOSFET-транзистора, положительный, но его величина значительно меньше. При 125°C RDS(ON) 100-В eGaNтранзистора в 1,45 раз больше, чем при 25°C, тогда как у MOSFET этот параметр возрастает при 125°C в 1,7 раза. ЕМКОСТЬ

Рис. 4. Зависимость RDS(ON) транзистора EPC1001 от напряжения VGS при различных токах, В

ДИСКРЕТНЫЕ СИЛОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

60

Рис. 5. Кривые зависимости емкости транзистора EPC1001 от напряжения VDS

сти и в области проводимости диода, о чем мы поговорим позже. Учитывая, что при 1,6 В появляется значительный ток, необходимо предусмотреть низкоимпедансный тракт между затвором и истоком.

WWW.ELCP.RU

У eGaN-устройств компании EPC максимальное (по абсолютной величине) напряжение затвора равно 6 В/–5 В. Эти значения больше, чем требуется для полного открытия канала. Меньшие предельные значения напряжения

При обеспечении требуемых характеристик переключения наиболее важным параметром является емкость CGD. Она у eGaN-транзистора относительно мала за счет поперечной структуры. Этот транзистор способен переключаться за несколько наносекунд при напряжении в несколько сотен вольт. Благодаря такой частоте появляется возможность создавать миниатюрные силовые преобразователи и аудиоусилители класса D с высококачественным воспроизведением. На рисунке 5 показаны кривые зависимости емкости транзистора EPC1001 от напряжения сток-исток VDS [3]. И в этом случае характеристики eGaN схожи с показателями кремниевого MOSFET, но при одинаковом сопротивлении канала в открытом состоянии емкость первого из них значительно меньше, а соответствующие кривые гораздо быстрее выходят на горизонтальные участки. Емкость CGS состоит из емкости перехода между затвором и каналом, а также емкости диэлектрика между затвором и электродами стока и истока. CGS велика по сравнению с CGD, но т.к. кривая CGD быстро выходит на горизонтальный участок с относительно большой амплитудой, изменение накопленного заряда QGD оказывает заметное влияние на устойчивость к dV/dt при увеличении напряжения сток-исток. У 40-В транзисторов (EPC1014 и EPC1015) — отличное соотношение Миллера (QGD/QGS < 0,6), тогда как у 150и 200-В устройств (EPC1010, EPC1011, EPC1012 и EPC1013) оно больше 1,9, и


ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ЗАТВОРА И ТОК УТЕЧКИ

Последовательное сопротивление затвора RG определяет то, насколько быстро емкость любого полевого транзистора может заряжаться или разряжаться. Поскольку у eGaN-транзисторов компании EPC высокая скорость переключения, сопротивления затвора составляют около двух десятков Ом. Это малое значение также повышает устойчивость к dV/dt. В затворе eGaN-транзисторов не применяется изолятор. По этой причине ток утечки затвора выше, чем у кремниевых MOSFET. Разработчикам следует иметь в виду, что ток утечки составляет порядка 1 мА. Поскольку у eGaN-транзисторов напряжение управления затвором невелико, вызванные этой утечкой потери низки, и потому во многих приложениях эта проблема неактуальна. ВНУТРЕННИЙ ДИОД

Наконец, рассмотрим т.н. «внутренний диод» транзисторов eGaN. Из рисунка 1 видно, что у этих устройств поперечная структура, не имеющая паразитного биполярного перехода, свойственного кремниевым MOSFET. Обратное смещение реализуется с помощью другого, но, по сути, схожего механизма. При нулевом смещении между затвором и истоком в подзатворной области отсутствуют свободные электроны. При уменьшении напряжения стока на затворе возникает положительное смещение относительно области дрейфа, в результате чего в подзатворную область поступают электроны. При достижении порогового напряжения затвора под ним появляется достаточно большое количество свободных электронов для создания канала проводимости. Преимущество этого механизма в том, что в проводимости не участвуют неосновные носители, и потому потери на обратное восстановление отсутствуют. Несмотря на то, что заряд обратного восстановления QRR равен нулю, необходимо заряжать и разряжать выходную емкость COSS в каждом цикле

переключения. При одинаковом сопротивлении RDS(ON) у eGaN-транзисторов значительно меньшая емкость COSS, чем у кремниевых MOSFET. Поскольку для включения eGaN-транзистора в обратном направлении требуется приложить пороговое напряжение, прямое напряжение «диода» выше, чем у кремниевых транзисторов. Как и в случае с кремниевыми MOSFET, для снижения уровня помех необходимо минимизировать проводимость диода. В таблице 1 сравниваются показатели кремниевого MOSFET- и eGaNтранзистора при напряжении VDS=100 В. ИДЕАЛЬНАЯ СХЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЗАТВОРОМ EGAN

Чтобы понять разницу между управлением затвором транзистора eGaN и управлением с помощью стандартного драйвера MOSFET, следует рассмотреть характеристики идеальной схемы управления затвором eGaN. Такое идеальное решение (на основе микросхемы или дискретного устройства) лучше всего обсудить как две отдельные функции: 1) собственно драйвера затвора, который преобразует высокоимпедансный входной логический сигнал в низкоимпедансный сигнал прямого управления каждым затвором силового устройства и 2) схем смещения уровня, согласования задержки и других логических цепей, обеспечивающих корректное воспроизведение входного логического сигнала с требуемой синхронизацией затворов двух силовых устройств. К числу важных характеристик драйвера затвора относятся следующие. – Подтягивающий резистор малой величины — 0,5 Ом. При скорости нарастания выходного напряжения 20...30 В/нс или выше риск включения транзистора в результате эффекта Миллера и скачка напряжения становится серьезной проблемой для высоковольтных устройств. Величину подтягивающего резистора следует минимизировать для обеспечения максимальной устойчивости к броскам dV/dt. – Правильно подобранное напряжение питания для управления затво-

ром. Запас между рекомендуемым максимально допустимым напряжением затвора (5 В) и абсолютной величиной максимального номинального напряжения (6 В) составляет лишь 1 В. Это требование труднее всего выполнить при бутстрепном питании. – Настраиваемый нагрузочный резистор для контроля электромагнитных помех и скачков напряжения. В полумостовых схемах с MOSFETтранзисторами с этой целью обычно используется резистор с антипараллельным диодом. В случае с eGaN необходимость минимизировать величину подтягивающего резистора означает, что его не рекомендуется соединять с антипараллельным диодом. Наиболее простое общее решение заключается в разделении схем нагрузочного и подтягивающего резисторов и применении в случае необходимости дискретного сопротивления. – Низкий импеданс контура. При высокой частоте переключения влияние импеданса схемы управления затвором усиливается, что вызывает необходимость устанавливать эту схему как можно ближе к силовому устройству GaN. К числу важных характеристик схем смещения уровня и согласования задержки относятся следующие. – 5- и ±2-нс промежуток мертвого времени для минимизации потерь на проводимость. Как и в случае с кремниевым транзистором, эффективное мертвое время увеличивается с нагрузкой, по мере того как увеличивается время включения. В идеальном случае этот показатель компенсируется схемой управления затвором, однако в такой компенсации нет необходимости. Для высоковольтных устройств этот интервал меньше критичного, т.к. мощность и период переключения, как правило, увеличиваются. – Согласование ±2-нс задержки на прохождение. Задержки на прохождение сигнала от входа к выходу у ключей верхнего и нижнего плеч следует согласовать с намного большей точностью, чем это выше определено требованием к величине мертвого времени.

Таблица 1. Сравнение характеристик кремниевых и GaN-транзисторов Типичный кремниевый 100-В транзистор Макс. напряжение затвор-исток, В ±20 Возможность лавинного пробоя Имеется Напряжение диода в обратном направлении, В ~1 Заряд обратного восстановления встроенного диода Высокий Ток утечки затвор-исток Несколько нА Пороговое напряжение затвора, В 2–4 Внутреннее сопротивление затвора, Ом >1 Отношение Миллера QGD/QGS 0,5–0,7 Изменения RDS(ON) в диапазоне 2—125°С, % >70 –33 Изменения VTH в диапазоне 25—125°С, %

100-В eGaN +6 и –5 Нет ~ 1,5–2,5 Отсутствует Несколько мА 0,7–2,5 <0,6 1,1 <50 –3

Электронные компоненты №9 2010

61 ДИСКРЕТНЫЕ СИЛОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

потому для их управления требуются тщательно продуманные схемы управления затвором (об этом пойдет речь ниже). Вообще говоря, значение CGS у этих приборов по-прежнему небольшое по сравнению с кремниевыми MOSFET-транзисторами, следствием чего является очень небольшая задержка и отличная управляемость в приложениях с низким коэффициентом заполнения. Значение CDS также невелико, т.к. оно ограничено емкостью между диэлектриком и электродом стока.


Рис. 6. Схема дискретного драйвера затвора eGaN-транзистора

Рис. 7. Дискретное решение по управлению затвором в комбинации с высоковольтной логической ИС смещения уровня

Рис. 8. Простая диодная логическая схема с резистивно-емкостной связью для регуляции ширины импульса драйвера затвора

ДИСКРЕТНЫЕ СИЛОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

62

Это согласование задержки позволяет избежать сквозной проводимости или бросков напряжения. Фактическая величина задержки и ее зависимость от температуры менее важны. – Устойчивость к dV/dt выше 50 В/нс. Как правило, значения dV/dt составляют 30 В/нс или выше. Следовательно, во избежание включения (или отключения) обоих силовых устройств из-за резкого изменения dV/dt требуется обеспечить их высокую устойчивость. Для несинхронных цепей управления затвором схемы смещения уровня и согласования задержки не подходят. ДИСКРЕТНЫЕ РЕШЕНИЯ ПО УПРАВЛЕНИЮ ЗАТВОРОМ

Хотя на момент написания этой статьи на коммерческом рынке отсутствуют микросхемы управления затвором транзисторов eGaN, предлагается множество схем с соответствующей функцией управления. Однако во многих

WWW.ELCP.RU

случаях проще использовать дискретные решения. На рисунке 6 представлено простое дискретное решение, состоящее из драйверов нижнего и верхнего плеч. Для него требуется внешнее напряжение питания 5,6 В (в зависимости от величины эффективного прямого падения напряжения на бутстрепном диоде), подаваемое на драйверы верхнего и нижнего плеч через идентичные согласующие диоды и обеспечивающее 5,0 В на затворе. У ключа М2 значение R DS(ON) выбирается равным 500 мОм или ниже, а R2 позволяет регулировать эффективное нагрузочное сопротивление (для контроля бросков напряжения и электромагнитных помех), не влияя на подтягивающий к земле импеданс. При компоновке схемы размеры контура между eGaN и дискретным драйвером (или микросхемой) управления затвором следует минимизировать. Дискретные MOSFET M1 и M3 необходимо масштабировать таким образом, чтобы ими можно было управлять с помощью источника (сигнала логического уровня) с высоким импедансом, не потеряв при этом возможности управления M2 и M4. Резистор R1 используется для ограничения сквозной проводимости между M1 и M3, а также ее исключения в M2 и M4. В приложениях, где используются толь-

ко заземленные eGaN-устройства, диод удаляют из схемы, и на дискретный драйвер напрямую поступает напряжение 5,0 В. Помимо того, что это дискретное решение совместимо со всеми 5-В логическими ИС управления, оно также используется с высоковольтными логическими ИС, у которых нет 5-В логических цепей: например, они имеют схемы смещения уровня выше 100 В. На рисунке 7 приведен пример, в котором между схемой смещения уровня ИС драйвера затвора и дискретным драйвером устанавливается 5,0-В регулятор. Благодаря регулятору, установленному перед дискретными MOSFET, ключи М1 и М3 (см. рис. 6) обеспечивают логическое преобразование с более высокого напряжения в 5 В. При этом стробирующий импульс расширяется только за счет увеличения скорости включения затвора, что используется в тех случаях, когда мертвое время слишком велико. В качестве варианта регулятор устанавливают между каскадом, предшествующим управляющему каскаду, и собственно управляющей схемой, что позволяет уменьшить ширину стробирующего импульса. МИКРОСХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЗАТВОРОМ

На рынке предлагается также ряд коммерческих микросхем драйверов затворов для транзисторов eGaN. Если требуется обеспечить низкое значение подтягивающего импеданса, эти микросхемы используются в качестве единственных буферных ИС управления затвором с очень высоким управляющим током. Следует заметить, что для 40-В устройств EPC1014 и EPC1015 требование к величине подтягивающего резистора не столь строгое. В таблице 2 приведен неполный список драйверов затвора. Некоторые из них не удовлетворяют требованию, чтобы подтягивающий резистор имел величину 0,5 Ом, что необязательно, поскольку его величина зависит от фактического значения dV/dt и используемого eGaN-транзистора. СХЕМЫ СМЕЩЕНИЯ УРОВНЯ И ЛОГИЧЕСКИЕ ЦЕПИ

Какое бы решение по управлению транзисторов eGaN ни использовалось — дискретное или интегральное, существуют требования по минимизации мертвого времени и управлению задержкой при прохождении сигнала. В целом, у микросхем сдвига уровня, работающих с MOSFET, мертвое время составляет, по меньшей мере, 20 нс. Поскольку эти микросхемы обеспечивают управление, на выходе (см. рис. 8)


можно установить простую диодную логическую схему с резистивноемкостной связью, чтобы замедлить выключение и уменьшить интервал мертвого времени. Если слишком уменьшить эту величину, возникнет сквозная проводимость, т.к. вариации интервала мертвого времени драйвера в зависимости от выбранного компонента или температуры могут оказаться значительными. Эти вариации также влияют на максимальные и минимальные значения ширины импульсов. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

В проведенном эксперименте стандартная дискретная цепь (см. рис. 6) использовалась для управления полумостовой схемой, состоящей из двух 200-В устройств EPC1010. Детальная схема этой цепи показана на рисунке 9, а наблюдавшиеся сигналы 400-кГц преобразователя, понижающего напряжение со 100 до 10 В, — на рисунке 10. На осциллограмме явно видны пики, связанные с восстановлением проводимости диодов. При этом время включения составляет менее 3 нс, а скорость нарастания выходного напряжения достигает 40 В/нс. Применение каскада драйвера MOSFET с R DS(ON) менее 0,2 Ом, вероятно, не выглядит оправданным по той причине, что половина всех потерь схемы управления обусловлена емкостями затворов.

Рис. 9. Схема дискретной цепи управления затвором

ВЫВОДЫ

Рис. 10. 100-В, 7-А импульсный транзистор EPC1010 с дискретной цепью управления затвором. Канал1: напряжение ключа низкого уровня (2 В/дел.); канал2: ток дросселя (2 А/дел.); канал4: напряжение VDS нижнего ключа (20 В/дел.). Временной масштаб: 50 нс/дел. Таблица 2. Некоторые современные ИС управления затвором для транзисторов eGaN Производитель

Номер детали

Стандартное значение подтягивающего сопротивления

FAN3121/22

>9A1

FAN3123/24

>4A1

EL7158

0,5 Ом2

Fairchild Intersil IXYS

IXDE509

0,7 Ом

MAX5048

<0,5 Ом

MAX15024

0,5 Ом

LM5110/12

1,4 Ом3

Maxim National

MIC4421/2 Micrel MIC4451/2

0,8 Ом

TC4451/2A Microchip ЛИТЕРАТУРА 1. http://epc-co.com/epc/Products.aspx. 2. B. J. Baliga, Power Semiconductor Devices, 1996, PWS Publishing Company, p. 373. 3. http://epc- co.com/epc /documents/ datasheets/EPC1001_datasheet_final.pdf.

TC4451/2

0,9 Ом

UCC27321/2

1,1 Ом

TPS28225/6

>1 Ом

Texas Instruments 1 2 3

значения не указаны; используется в макетных платах EPC9001/2; возможно питание с помощью LM5112

Электронные компоненты №9 2010

63 ДИСКРЕТНЫЕ СИЛОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

Рабочие характеристики транзисторов eGaN компании EPC имеют значительно больший диапазон, чем кремниевых MOSFET. Для того чтобы извлечь максимальные преимущества от применения новой прорывной технологии, разработчики должны понять, как правильно использовать описанный тип простых и экономичных цепей. Со временем поставщики полупроводников станут разрабатывать микросхемы драйверов, специально оптимизированные под технологию eGaN с помощью тех методов, которые были рассмотрены в разделе об идеальных микросхемах управления затвором. Когда такие кристаллы будут коммерчески доступными, переход от кремниевой технологии к eGaN намного упростится и будет экономически оправданным.


ВЫБОР УСТРОЙСТВ ЗАЩИТЫ: TVS-ДИОДЫ ПРОТИВ МЕТАЛЛ-ОКСИДНЫХ ВАРИСТОРОВ СТИВЕН ГОЛДМАН (STEVEN GOLDMAN), технический директор, Infineon Technologies

Кремниевые диоды (TVS) и металл-оксидные варисторы (MOV) применяются для защиты компонентов схем от электростатических разрядов (ESD) и других переходных процессов. Надежность данных способов защиты можно оценить, применяя два типа защитных устройств (TVS или MOV) в аналогичных условиях. Статья представляет собой сокращенный перевод [1]. Идеальное защитное устройство ограничивает энергию, поступающую в защищаемую нагрузку до уровня, при котором нагрузка остается неповрежденной. Хорошие устройства защиты должны обладать малым ограничивающим (clamping) напряжением, ни��ким током утечки, небольшим динамическим сопротивлением и высоким быстродействием. Очень важны и другие факторы, такие как срок службы, воспроизводимость, размер, занимаемый на плате, стоимость, надежность и наличие механизма безопасного сбоя (safe failure). Для сравнения рассматриваемых устройств защиты и оценки переходных процессов при воздействии 15-кВ всплесков напряжения были проведены лабораторные тесты и корреляционное SPICE-моделирование. Во всех случаях в качестве нагрузки использовалось стандартное сопротивление 50 Ом. В ходе исследований высокочастотный отклик системы не определялся. Разработчикам всегда следует помнить о разнице ESD-стандартов приборного (Device-Level) и системного (System-Level) уровней. Для определения предельных условий работы, которые способны выдерживать отдельные компоненты, использовались стандарты приборного уровня, такие как «Модель человеческого тела» (Human ДИСКРЕТНЫЕ СИЛОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

64

Body Model (HBM)), «Модель автомата» (Machine Model (MM)) и «Модель зарядного устройства» (Charged Device Model (CDM)). Для определения предельных условий работы всей системы применялись стандарты системного уровня — IEC61000-4-2 (см. рис.1). Даже при одном и том же напряжении выходные токи во всех случаях значительно отличались. Например, при напряжении 10 кВ пиковый ток, полученный по модели HBM, оказался равным 6,67 А, в то время как по модели IEC61000-4-2 пиковое значение сигнала наблюдалось при 37,5 А. К тому же по модели HBM максимальный ток был отмечен через 10 нс, тогда как по модели IEC610004-2 — через 1 нс. Динамика процессов di/dt по двум моделям также сильно различалась. Необходимо понимать, что номинальные ESD-параметры устройства являются главными при выборе лучшего устройства защиты. В спецификации номинальных характеристик устройства производитель обычно указывает ESD-уровень, при котором гарантирована сохранность устройства даже без применения дополнительных мер. Такие спецификации определены для промышленного стандарта сигналов 8 мкс/20 мкс, никак не связанного с сигналами 1 нс/100 нс. Плюс к этому, промышлен-

Рис. 1. Стандарт системного уровня IEC61000-4-2, предназначенный для установления предельных условий работы системы

WWW.ELCP.RU

ный стандарт по номинальным характеристикам устройств на 1 А не содержит никаких данных о работе системы при токе 56,25 А, пиковом токе при всплеске электростатического напряжения 15 кВ. Выбор лучшего защитного устройства обеспечит более надежную защиту нагрузки. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Устройства защиты работают либо в обычном режиме, либо в режиме защиты. В обычном режиме (см. рис. 2) система не испытывает никаких внезапных всплесков тока или напряжения. Сигнальные линии свидетельствуют о том, что устройство «идеально защищено», т.е. цепь «идеальной защиты» остается разомкнутой, и через нее ток не течет. Любой ток, текущий в это время через цепь защиты, считается током утечки. Именно этот ток уменьшает продолжительность жизни батарей в портативных устройствах и искажает сигналы при защите линий связи, USB-портов, HDMIлиний, звуковых каналов и т.д. Пока ток утечки достаточно мал, это, как правило, сказывается только на работе блоков питания и на количестве потребляемой энергии. Сигнальные линии страдают, в основном, от емкости устройств защиты. Поскольку далеко не все производители приводят гарантированные максимальные значения номинальных характеристик, необходимо тщательно сравнивать эти спецификации. Всплески напряжения или тока заставляют перейти устройство в режим защиты (см. рис.3). Идеальное устройство защиты при этом превращается в короткозамкнутую на землю цепь. В идеале при любых энергетических всплесках весь ток должен течь через цепь защиты, защищая нагрузку от повреждений. После исчезновения опасности идеальное устройство защиты быстро возвращается в нормальный режим защиты, без каких-либо внутренних повреждений или изменений рабочих характеристик.


Полупроводниковые диоды TVS являются монолитными устройствами, изготовленными по стандартным полупроводниковым технологиям. Они могут быть выполнены в виде линеек устройств или быть встроены в более крупные блоки, например, в комбинированные защитно-фильтрующие системы. Их характерными особенностями являются высокое быстродействие, низкое напряжение ограничения и высокая надежность. При эксплуатации в условиях, заложенных при проектировании, их характеристики со временем не ухудшаются и не зависят от количества аварийных срабатываний. В зависимости от режимов работы устройства защиты заряды через p-nпереход переносятся в разных направлениях. Защитные устройства TVS, как правило, используются для защиты низковольтных компонентов. MOV-варисторы — это керамические устройства, состоящие из металлоксидных зерен. Их структура подобна структуре сахарного кубика. Граница между зернами формирует зону с диодной вольт-амперной характеристикой. Такие диоды самостоятельно выстраиваются в произвольные группы из параллельных и последовательных комбинаций. Случайным образом

сформированная структура варисторов отличается большим разбросом определенных параметров. Рабочие характеристики MOV-варисторов зависят от объемных характеристик устройства (высота×длина×ширина). Устройства больших размеров способны выдерживать очень высокие уровни напряжений. По этой причине MOVваристоры используются, в основном, для защиты силовых схем. MOV-варисторы являются саморазрушающимися устройствами. В каждом случае перенапряжения часть диодных структур типа «зерно-земля» выходит из строя, в основном, по причине местного перегрева. Лабораторные измерения подтверждают этот факт, фиксируя в нормальном режиме работы после каждого срабатывания защиты увеличение тока утечки. По мере

того, как увеличивается количество вышедших из строя диодных структур, устройство из варистора превращается в резистор. Продолжительные периоды перенапряжений, очевидно, сокращают продолжительность жизни варистора как защитного устройства. Скорость выхода из строя устройства обратно пропорциональна его объему. Многослойные варисторы и некоторые другие типы MOV-устройств способны ограничивать ток, текущий через них, стараясь замедлить процесс деградации. Некоторые варисторы изначально проектируются с большим внутренним сопротивлением, что также помогает снизить ток, протекающий через них. В каждом случае разработчику приходится искать компромисс между рабочими характеристиками защитного устройства и его надежностью.

Рис. 2. В обычном режиме защищаемое устройство не испытывает никаких внезапных всплесков тока и напряжения, поэтому цепь «идеальной защиты» остается разомкнутой

Рис. 3. При возникновении опасных скачков тока или напряжения «идеальное» устройство защиты превращается в короткозамкнутую на землю линию, что защищает нагрузку

Электронные компоненты №9 2010

65 ДИСКРЕТНЫЕ СИЛОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

РАЗЛИЧИЯ В ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ


Большинство производителей считает устройство вышедшим из строя после того, как его определенные параметры изменились на 10%. Более подробную информацию следует искать в документации производителей. Отказ как TVS-диодов, так и MOVваристоров, обычно имеет вид разрыва. В этом случае защищаемое устройство остается без защиты, и следующее опасное перенапряжение может вывести нагрузку из строя. Выход из строя

TVS-диодов иногда протекает по типу короткого замыкания, в таком случае они представляют собой сопротивление номиналом 1 Ом. MOV-устройства страдают от тепловых пробоев. Поскольку такие устройства с течением времени все больше приближаются к резисторам, ток, постоянно текущий через них, усиливает процесс их внутреннего разрушения, и, наконец, происходит их тепловой пробой. Керамическая

структура MOV-устройств позволяет им выдерживать гораздо более высокие температуры, чем структура полупроводниковых диодов. Корпусные MOV-варисторы способны нагреваться до температур выше 400°С. При поверхностном монтаже MOV-устройств в них обычно расплавляются внутренние места пайки. В высоковольтных приложениях необходимо принимать специальные меры для ограничения тока через защитные устройства. Возможно, в таких случаях имеет смысл использовать проволочные резисторы, которые при выходе из строя чаще всего разрывают цепь. Некоторые заказчики требуют установки последовательно с варисторами плавких вставок (fuses). ТОК УТЕЧКИ

Рис. 4. Зависимость абсолютного значения тока утечки от приложенного напряжения для тестируемых TVS-диодов и MOV-устройств

Рис. 5. Cхема, используемая для сравнения TVS-диодов и MOV-устройств при нагрузке 50 Ом, продемонстрировала, что в режиме защиты TVS-диод пропустил приблизительно на 10% тока меньше, чем MOV-устройство

ДИСКРЕТНЫЕ СИЛОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

66

Все устройства защиты включаются между сигнальной линией и землей. В некоторых устройствах может быть большое количество защитных компонентов, и общий дополнительный ток через них может создавать определенные проблемы. Маломощные и низковольтные сигнальные цепи очень чувствительны к любым дополнительным токам. В мюнхенской лаборатории ESDтестирования (ESD Testing Facility) провели исследования двух типов защитных устройств. В тестовых испытаниях для проверки надежности защиты 50-Ом сигнальной линии, напряжение на которой не должно превышать 5 В, подавалось постоянное напряжение смещения 20 В. При этом проводились измерения тока через проверяемое защитное устройство. Для 5-В сигнальной линии основной интерес представляет зона постоянного напряжения 5 В. У тестируемого TVS-диода ток утечки составил 0,01 нА, в то время как у двух MOV-устройств он был порядка 1 нА. Для высоковольтных приложений предпочтительнее TVS-диоды, поскольку их ток утечки на два порядка ниже. При повышении температуры ток утечки в некоторых устройствах также повышался. Испытания проводились при 25°C. На рисунке 4 показана зависимость тока утечки от приложенного напряжения для TVS-диодов и MOV-устройств. НИЗКООМНЫЕ ЦЕПИ ЗАЩИТЫ

Рис. 6. Устройства защиты ограничивают пики напряжения нагрузке. Напряжение ограничения TVSдиодов значительно ниже, чем у MOV-устройств

WWW.ELCP.RU

В режиме защиты защитное устройство должно обладать низким сопротивлением. Идеальная вольтамперная характеристика имеет вид вертикальной прямой: V(I)=Vbr (где Vbr — напряжение пробоя). Большинство производителей определяет напряжение пробоя при ±0,001 А и напряжение ограничения при ±1 А. Сопротивление в линейной области вольт-амперной характери-


СПОСОБНОСТЬ К ОГРАНИЧЕНИЮ ЭНЕРГИИ

Рис. 7. По расчетным кривым мощности определена энергия в нагрузке: 4,5 мкДж для TVS-диодов (синий график) и 18,0 мкДж для MOV-устройств (красный график)

ДИСКРЕТНЫЕ СИЛОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

68

стики рассчитывается при обратном ее наклоне (ΔV/ΔI). По иронии судьбы, этот наклон называется динамическим сопротивлением (Rdyn), но в действительности он используется в статических измерениях или в расчетах параметров по модели IEC61000-4-2 через 10 нс после начала энергетического всплеска. Во время электростатических разрядов комплексный импеданс устройств защиты динамично меняется, и обозначение данного параметра как Rdyn часто сбивает разработчиков с толку. Для прогнозирования напряжения в течение первых 10 нс требуются другие методы. Тестовые испытания показали, что динамическое сопротивление TVSдиода на порядок ниже, чем у рассматриваемых MOV-устройств. В соответствии с условиями проведения теста по модели IEC61000-4-2 15-кВ разряд должен сопровождаться вторичным пиком повышения тока при 30 А. Это значение часто используется как при проведении контактных испытаний, так и при моделировании разряда в воздухе, поскольку к моменту повышения тока все переходные процессы от 15-кВ разряда уже должны полностью закончиться. По результатам испытаний, полученных в ходе 30-А всплеска, может быть рассчитано сопротивление соответствующего устройства защиты. По окончании первых 10 нс испытаний по модели IEC61000-4-2 расчеты напряжения значительно упрощаются, что связано с увеличением периодов нарастания и спада сигнала. Сигнал, полученный по модели IEC61000-4-2, в интервале времени 25…35 нс часто аппроксимируется прямоугольными импульсами амплитуды 2 А/кВ. При 15-кВ всплеске напряжения это составляет 30 А. Заменив устройства защиты на их сопротивления, рассчитанные при 30 А, получим схему устройства по постоянному току (см. рис.5), по которой можно быстро определить напряжение и ток в нагрузке в течение интервала времени действия тока 30 А. Ток через нагрузку определяется следующим образом:

WWW.ELCP.RU

Iload = (30 × Rpr) / (Rpr + 50) ITVS = 21/50,7 = 0,414 A IMOV = 210/57 = 3,68 A Сопротивление нагрузки, показанное здесь, равно 50 Ом. Во время всплеска тока в интервале 25…35 нс нагрузка, защищаемая TVS-диодом, получает ток, уменьшенный в 10 раз. Мощность (I2R) в течение всплеска определяется как: Iload × Iload × 50 Ом. Поскольку мощность пропорциональна квадрату тока (коэффициент пропорциональности определяется сопротивлением нагрузки), очевидно, что лучше минимизировать ток через нагрузку. НАПРЯЖЕНИЕ ОГРАНИЧЕНИЯ

Устройства защиты ограничивают пики напряжения на нагрузке. При проведении лабораторных испытаний на испытуемые устройства подавались возбуждающие импульсы напряжением 300 В длительностью 30 нс. Из графиков, приведенных на рисунке 6, видно, что все защитные устройства прореагировали довольно быстро, но обеспечили разные уровни напряжения. Зернистость варисторов не дает возможности получать низкие значения напряжения ограничения, т.к. при последовательном сочетании диодных структур их пороговые напряжения складываются. Из рисунка 6 видно, что TVS-диоды обеспечивают значительно более низкое напряжение ограничения, чем MOV-устройства, что способствует снижению энергии в низковольтных приложениях. Как ранее утверждалось, полученные динамические результаты сильно отличаются от значений Vclamp, приводимых в технической документации на эти устройства. При известном уровне тока входного сигнала значение Vclamp может быть аппроксимировано следующим выражением: Vbreakdown + (Rdyn · Iknown) + L di/dt. По модели испытаний IEC61000-4-2 член L di/dt через 10 нс становится равным 0.

Хорошие устройства защиты должны быстро ограничивать ток и напряжение. Всплеск напряжения 15 кВ используется для моделирования наихудшего сценария. Для генерации входного сигнала, как правило, используется простая схема, состоящая из конденсатора 150 пФ, резистора 330 Ом и источника напряжения на 15 кВ. Пиковый ток наблюдается вначале, после чего мощность входного сигнала нулевой сразу не становится. На рисунке 7 показаны кривые мощности в нагрузке. TVS-диоды отличаются низким напряжением ограничения, малым сопротивлением и хорошим быстродействием. Энергия в нагрузке рассчитывается по площади, ограниченной соответствующей кривой. В рассматриваемых низковольтных приложениях TVS-диоды были рассчитаны на энергию в нагрузке 4,5 мкДж, а MOV-устройства — 18,0 мкДж, т.е. между этими защитными устройствами наблюдалась разница в 4 раза. Эта разница в энергиях может привести либо к защите устройства, либо к его выходу из строя, в зависимости от области безопасной работы (SOA) нагрузки. Следует выбирать то устройство защиты, которое обеспечивает самую широкую зону безопасности внутри SOA-нагрузки. В некоторых высоковольтных и высокоамперных приложениях требуется применение либо больших MOV-устройств, либо линеек из TVSдиодов. Разработчик обязан обеспечить надежный уровень защиты системы при любых катастрофических поломках. Перенапряжение выше уровня, указанного в спецификациях большинства TVS-диодов, ведет к резкому выходу устройства из строя по типу короткого замыкания. Однако система должна продолжать работать в режиме безопасного отказа. Диоды выходят из строя быстро, поэтому из-за короткого интервала времени они не успевают выработать большого количества тепла. Металл-оксидные варисторы выходят из строя по другому сценарию. Их рабочие параметры смещаются по мере роста количества аварийных ситуаций, даже если перенапряжение не выходит за пределы уровня, указанного в спецификации. Их проводимость становится выше, что ведет к возникновению тепловых пробоев. Керамическая структура MOVустройств может выдерживать более высокие температуры, чем структура их кремниевых конкурентов. При резком повышении температуры может произойти разрушение или взрыв некоторых типов MOVустройств, что возможно приведет к


выходу устройства из строя по типу разрыва. MOV-устройства без видимых разрушений могут выдерживать температуры, превышающие температуру загорания бумаги, что может стать причиной пожара. Разработчики должны учитывать это и обеспечивать защиту схемы в любых условиях перенапряжений и больших токов.

Многие системы, в состав которых входят специальные микроконтроллеры или интерфейсные схемы, лучше защищать TVS-диодами, в то время как сетевые блоки или высоковольтные каскады постоянного тока следует защищать MOVустройствами. Низковольтные сигнальные линии лучше защищать TVS-диодами, однако, некоторые типы нагрузок могут

надежно работать в пределах их SOA под защитой обоих типов устройств. ЛИТЕРАТУРА 1. Steven J. Goldman/ Protection Devices: TVS Diodes vs. Metal-Oxide Varistors// h t t p : // p o w e r e l e c t r o n i c s . c o m / p o w e r _ m a n a g e m e n t /r e g u l a t o r_ i c s /s e l e c t i n g protection-devices-201006/.

НОВОСТИ СЕТЕЙ И ИНТЕРФЕЙСОВ

www.russianelectronics.ru

Электронные компоненты №9 2010

69 ДИСКРЕТНЫЕ СИЛОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

| ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕСПРОВОДНАЯ СЕТЬ. ПОСТУЛАТЫ 2 И 3 | 2. Не гонитесь за высокими частотами — чем ниже частота, тем проще физика распространения сигнала. Устройства промышленного класса обычно работают на частотах, не требующих лицензирования (частоты ISM — Industrial, Scientific, and Medical — промышленность, наука и медицина). Используемая частота и мощность сигнала зависит от страны. Наиболее распространенные диапазоны: 2,4 ГГц — почти по всему миру; 915 МГц — США, Южная Америка и некоторые другие страны; 868 МГц — Европа. С ростом частоты доступная полоса обычно также увеличивается, однако радиус действия и способность преодолевать препятствия уменьшаются. Для заданного расстояния на частоте 2,4 ГГц будут наблюдаться потери в канале примерно на 8,5 дБ больше, чем на частоте 900 МГц. С другой стороны, чем ниже частота, тем более крупная антенна требуется для получения одинакового усиления. 3. Чувствительность приемника определяет качество работы на больших расстояниях. Чем более чувствителен приемник, тем более слабый сигнал он может успешно принять. Однако сравнивать приемники по чувствительности имеет смысл не всегда, слишком велико разнообразие. Более подходящий критерий — частота появления ошибочных битов (BER) в защищенной от внешних шумов схеме. Если помехи, обусловленные присутствием посторонних передатчиков, работающих на той же частоте, малы, то шумовой порог будет ниже порога чувствительности приемника и заявленное производителем значение чувствительности можно применять при оценке работы беспроводной системы и ее радиуса действия. Чувствительность приемника и, следовательно, зону охвата, всегда можно улучшить за счет снижения скорости передачи данных. Во многих устройствах пользователю предоставляется возможность уменьшать скорость передачи, чтобы увеличить радиус приема. Кроме того, чувствительность на низких частотах выше, чем на высоких. В этом смысле диапазон 2,4 ГГц уступает диапазону 900 МГц на 6—12 дБ.


Силовые MOSFET для транспортных средств нового поколения БЕНДЖАМЕН ДЖЕКСОН (BENJAMIN JACKSON), менеджер по продукции Automotive MOSFETs, International Rectifier В статье рассказывается о новом принципе построения силовых MOSFET компании International Rectifier. Приборы семейства DirectFet2, предназначенные для применения в DC/DC-преобразователях гибридных транспортных средств, обеспечивают высокие показатели надёжности, эффективности и удельной мощности, что делает процесс электрификации автомобилей более простым и успешным.

В последние полтора года автомобильная индустрия развивается особенно продуктивно и динамично. Произошло много событий: слияния и приобретения компаний, выпуск новых и остановка производства классических моделей и даже банкротство одной из компаний «большой тройки». К счастью, пока биржевые маклеры и банкиры подсчитывали убытки, на свет появились электрические автомобильные системы нового поколения, которые ориентированы на быстродействие и эффективность. Эти инновационные системы позволяют снизить количество потребляемого автомобилем топлива и значительно сократить объём выхлопных газов. Однако построение подобных систем поставило новые задачи перед специалистами в области силовой электроники, поскольку их реализация требует развития полупроводниковых технологий нового поколения. Стоит отметить, что если технология создания MOSFET претерпевала значительные изменения в течение последних 40 лет, то способ корпусирования оставался неизменным. Формовка, проводные соединения и технология lead frame (рамка с внешними выводами) являются основными преградами для достижения наилучших показателей традиционных MOSFET. Несмотря на то, что рабочая частота данных транзисторов становится всё выше и выше, паразитная индуктивность, электрическое и тепловое сопротивление пластикового корпуса по-прежнему остаются сдерживающими факторами. НОВЫЙ ПРИНЦИП

70

С учетом названных недостатков новый принцип построения должен совместить последнее поколение AEC-Q101 Trench MOSFET с новой уникальной технологией их корпусирования. Линейка продуктов серии Automotive DirectFET®2 компании International Rectifier, базирующаяся на запущенной 8 лет назад платформе DirectFET, направлена на снижение теплового и электрического сопротивле-

Рис. 1. Двустороннее охлаждение

WWW.ELCP.RU

ния и паразитной индуктивности, характерных для традиционных пластиковых корпусов. МИНИМАЛЬНОЕ ТЕПЛОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ

Семейство DirectFET2 обеспечивает двустороннее охлаждение (см. рис. 1), что позволяет существенно снизить сопротивление полного теплового пути. Таким образом достигается снижение рабочих температур, уменьшение площади теплоотводящего элемента и увеличение эффективности прибора. МИНИМАЛЬНОЕ ПАРАЗИТНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ

Основной составляющей паразитного сопротивления Rds(on) являются проводные соединения внутри пластикового корпуса, отличающие технологию lead frame. Приборы семейства DirectFET2 не содержат проводных соединений, вместо них установлены металлические площадки, соединённые напрямую с кристаллом, поэтому паразитное сопротивление корпуса составляет всего 150 мкОм (при нескольких мОм у традиционных корпусов). В результате значительно снижается уровень потерь и возрастает надёжность прибора. Скин-эффект на высоких частотах также становится менее значительным благодаря устранению проводных соединений. Это позволяет иметь низкое значение Rds(on) даже в МГц-диапазоне, что делает семейство DirectFET2 идеальным для применения в DC/ DC-преобразователях гибридных транспортных средств. МИНИМАЛЬНАЯ ПАРАЗИТНАЯ ИНДУКТИВНОСТЬ

С устранением проводных соединений существенно снижается и паразитная индуктивность. Мало кто осознаёт риск, связанный с наличием паразитной индуктивности, в лучшем случае это ведёт к снижению эффективности работы прибора, а в худшем — к его выходу из строя и прекращению работы всего устройства. Транзисторы семейства DirectFET2 позволяют отказаться от внешних ограничительных цепей, поскольку внутренняя индуктивность их корпуса составляет всего 0,6 нГн по сравнению с 5 нГн у корпуса D2Pak (см. рис. 2). В результате помимо элегантного дизайна достигнуто существенное снижение потерь, уменьшение размеров и стоимости прибора. У нового корпуса есть ещё одно скрытое преимущество — маленький размер посадочного места (за счёт увеличения отношения объема используемого кремния к размерам корпуса). На рисунке 3 продемонстрированы эффективность и размер посадочного места приборов семейства DirectFet2 по сравнению с традиционными пластиковыми корпусами. Самый маленький типоразмер корпуса обеспечивает наименьшее значение сопротивления Rds(on) по сравнению с корпусами Micro и TSOP8 при идентичных размерах посадочного места. Средний корпус DirectFet2 содержит кристалл таких же размеров,


Рис. 2. Снижение паразитной индуктивности и электромагнитных помех

Рис. 3. Сравнение корпусов

что и DPak, однако занимает места на печатной плате не больше, чем корпус 5×6 PQFN. Новый большой корпус занимает на 60% меньше места на печатной плате по сравнению с D2Pak, однако содержит на 30% больший кристалл. Не менее важны технологичность производства и надёжность разрабатываемого прибора. Простота изготовления и конструкции нового транзистора идеально подходят для автомобильной индустрии, где предъявляются высокие требования к надёжности. Это позволяет использовать их как стандартные SMD-компоненты. Новый продукт AEC-Q101 успешно прошёл испытания в автоклаве и позволил разработчикам заниматься построением автомобильных систем нового поколения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Новое семейство DirectFet2 имеет низкое сопротивление R ds(on) заряда затвора Qg и паразитной индуктивности L, обеспечивает работу в диапазоне напряжений 40…250 В, и может найти успешное применение в широком диапазоне приложений от аудиосистем класса D до рулевого привода с усилителем, инверторов, DC/ DC-преобразователей, устройств контроля доступа и многих других. По сравнению с традиционными решениями новые приборы семейства DirectFet2 позволяют добиться высоких показателей надёжности, эффективности и удельной мощности, которые делают процесс электрификации автомобилей более простым и успешным.

71

Электронные компоненты №9 2010


Новинка от Sierra Wireles. GSM-модуль SL6087 АРТУР КОПЫЛОВ В статье представлен новый интеллектуальный беспроводной GSM/3G-модуль AirPrime SL6087 компании Sierra Wireless, разработанный для применения в малогабаритных устройствах, требующих беспроводного доступа в интернет.

На прошедшей выставке CTIA Wireless 2010 (Лас-Вегас, США) компания Sierra Wireless объявила о выпуске новой линейки интеллектуальных беспроводных GSM/3G-модулей AirPrime™ SL Series. Модули разработаны для применения в малогабаритных устройствах, требующих беспроводного доступа в интернет, таких как автомобильные и персональные навигационные устройства, решения для промышленной телеметрии и АСКУЭ, игровые приставки и электронные книги. Новые модули передают данные с помощью технологий EDGE или 3G и отличаются компактным и тонким конструктивным исполнением (см. рис.1) — размеры модуля — 25×30 мм, форм-фактор — LGA (монтаж на поверхность без применения разъема). Новый форм-фактор позволяет производить автоматизированный монтаж модуля на печатную плату, что особенно важно при выпуске больших партий изделий для автомобильной промышленности, энергетики, систем мобильных платежей и навигационного ГЛОНАСС/GPSоборудования. Линейка включает два совместимых по

размеру модуля — для работы с EDGE (SL6087) и 3G/HSDPA (SL808x). Модуль AirPrime SL6087, по сути, представляет собой новое конструктивное исполнение популярного программируемого модуля Q2687. SL6087 работает в четырех диапазонах GSM (850/900/1800/1900 MГц) и позволяет передавать данные на основе технологии EDGE в расширенном температурном диапазоне: –40…85°C. Модуль имеет встроенный TCP/IP-стек, может управляться с помощью AT-команд либо выполнять Open AT встроенные приложения пользователя, написанные на стандартном ANSI C/ C++. Дополнительные программные модули обеспечивают безопасную передачу данных, позволяют работать со скриптовым языком Lua и поддерживают навигационные чипы C-GPS. Модули AirPrime SL8080 (850/1900 МГц), AirPrime SL8082 (900/2100 МГц) и AirPrime SL8084 (850/2100 МГц) позволяют передавать данные в сетях 3G на осн��ве технологии HSPA. Они работают с программой Sierra Wireless Watcher, которая имеет дружественный интерфейс и облегчает установку оборудования в среде Windows. SL6087. ТЕХНИЧЕСКИЕ ПОДРОБНОСТИ

Рис. 1. Внешний вид модуля AirPrime™ SL Series

72

Рис. 2. Структурная схема AirPrime SL6087

WWW.ELCP.RU

Структурная схема модуля представлена на рисунке 2. Основные технические характеристики представлены в таблице 1. Модуль SL6087 имеет новое конструктивное исполнение в виде прямоугольной микросборки 25×30 мм с контактными площадками для установки на основную плату методом поверхностного монтажа. Таким образом отпадает необходимость в использовании разъема, что, в свою очередь, снижает стоимость разрабатываемого устройства. Специально для разработчиков выпускается плата отладки AirPrime SL Development Kit [2], которая позволяет создавать и настраивать необходимые электрические, технические и программные параметры. Для тех, кто имеет опыт разработки устройств на базе процессоров WMP100, будет интересно узнать что, с помощью отладочной платы WMP Series Development Kit , также можно подключить и настроить GSM-модуль SL6087. И в первом, и во втором случаях для подключения модуля используется переходная плата с запаянным в нее модемом. На отладочной плате имеются все необходимые разработчику интерфейсы питания, заряда, ввода/вывода (UART1, UART2, USB 2.0, AUDUO). Имеется также индикация режимов работы модуля. На переходной плате есть разъем для подключения внешней антенны. Следует обратить внимание, что на плате разрабатываемого устройства подключение антенны к SL6087 необходимо выполнять через согласованную 50-Ом линию в виде дорожек печатной платы. Кроме того, можно использовать кабель-переходник, один конец которого предна-


Таблица 1. Основные технические характеристики модуля AirPrime SL6087 Радиоинтерфейс

EDGE

Диапазон частот (МГц)

850/900/1800/1900 Энергопотребление

Alarm (leakage only)

17 μA

Ожидание (Спящий режим)

2,5 мA

GSM GPRS

400 мA GPRS class 10

Центральный процессор

ARM 946/DSP

Частота CPU

26…104 MГц

Доступно MIPS

до 87 MIPS

IO вольтаж

1V8–2V8

б)

Рис. 3. Варианты подключения антенны: а) контактная площадка на модуле; б) кабель-переходник

Аудио

1 динамик

Аудио аналог.

1 микрофон

Аудио цифр.

а)

PCM

Качество

VDA2A

Эхо- и шумоподавление

есть

DTMF

есть Интерфейсы

UART

1×8-проводный, 1×4-проводный

USB

USB 2.0 Full speed

SPI

1×4-проводный

2

IC

1

ADC

2

RTC

1

DAC

1

GPIO

до 26

Таймеры (HW, SW, Capture)

1

Контакты прерываний

2

Индикация LED

1

PWM (Buzzer)

1

Интерфейс клавиатуры

1

Интерфейс СИМ-карты

1,8 В/3 В

Рис. 4. Размещение антенны на печатной плате

Рис. 5. Четырехслойная печатная плата

Навигационные решения

XM0110 GPS Модуль, C-GPS Plug-In

Встраиваемая СИМ-карта

да

Возможности управления

АТ-команды, языки С/С++, Lua

Операционная система

Open AT Linux Windows 7 Windows Mobile

Драйверы

Windows CE Windows XP Windows Vista

значен под пайку, а на другом установлен разъем для внешней антенны (см. рис. 3). Производителем предусмотрена также возможность расположения антенны непосредственно на плате разрабатываемого устройства, методом печатного монтажа. Для реализации этого метода (см. рис. 4) достаточно иметь свободный участок печатной платы (приблизительно 50×25 мм). К несомненным достоинствам этого метода можно отнести низкую стоимость РСВ-антенны, отсутствие внешних и выносных элементов, а также быстроту реализации. Такая антенна поддерживает диапазон частот GSM 900/1800. Для монтажа SL6087 рекомендуется использовать четырехслойную печатную плату (см. рис. 5).

Mac OS Габариты

25×30×2,65 мм –30…70°C Класс A

Температурный диапазон

–40…85°C Класс B

Требования для автомобилестроения

да

Таблица 2. Требования к источнику питания

Vbatt

Vmin

Vnom

Vmax

3,2 В

3,6 В

4,8 В

ЭНЕРГОПИТАНИЕ И ПОТРЕБЛЕНИЕ

Электропитание является одним из ключевых вопросов в дизайне GSM-устройства, поэтому к выбору источника питания следует подходить с особой тщательностью. Диапазон напряжения питания для этого модуля находится в пределах 3,2…4,8 В (см. табл. 2). Чтобы обеспечить нормальное питание SL6087, необходим единственный источник Vbatt (внешний источник электропитания). Напряжение питания через вывод Vbatt подается непосредственно на радиочастотную часть GSM-модуля и обеспечивает внутреннее электропитание VCC 2V8 и VCC 1V8,

Электронные компоненты №9 2010

73


Таблица 3. Доступ к сигналам и интерфейсам модуля SL6087 Название интерфейса

Используя АТ-команды

Используя OpenAT

Serial Interface

+

Main Serial Link

+

+

Auxiliary Serial Link

+

+

SIM Interface

+

+

General Purpose IO

+

+

Analog to Digital Converter

+

+

Analog Audio Interface

+

+

PWM / Buzzer Output

+

+

Battery Charging Interface

+

+

External Interruption

+

+

BAT-RTC (Backup Battery) LED0 signal

+ +

+

+

+

Digital Audio Interface (PCM) USB 2.0 Interface

+

которые необходимы для базовых сигналов (внутреннего обмена). Фильтрующие конденсаторы по питанию на линиях Vbatt уже встроены в модуль SL6087, поэтому нет необходимости добавлять их близко к модулю в цепи питания разрабатываемого устройства. При работе от батарей суммарное сопротивление по линии питания (контакты батареи — предохранитель — дорожки печатной платы) не должно превышать 150 мОм. В модуле SL6087 реализована встроенная схема для заряда батарей различных типов: – Ni-Cd (никель-кадмиевые); – Ni-Mh (никель-металгидридные); – Li-Ion (литий-ионные). Зарядом батарей можно управлять с помощью специальных АТ-команд: – AT+WBCI; – AT+WBCM. Эти две команды используются, чтобы установить зарядные параметры батареи, выбрать тип батареи и начало/окончание зарядки батареи [1]. При заряде литийионных аккумуляторов можно использовать встроенный температурный контроль (используется вывод 40) для передачи аналогового температурного сигнала датчиком NTC. Минимальное и максимальное значение температуры аккумулятора может быть задано АТ-командами. ИНТЕРФЕЙСЫ МОДУЛЯ AIRPRIME SL6087

74

Для монтажа на плату GSM-модуль имеет 98 контактных площадок, из которых контакты с 1 по 74 используются под вводы/выводы различных интерфейсов на материнскую плату, а с 75 по 98 задействованы под земляные полигоны. Для корректной работы модуля SL6087 достаточно задействовать интерфейс СИМ-карты, USB или UART-интерфейс для подачи команд управления и линии питания (батареи). Работать модуль может как в традиционном режиме — с управлением внешними АТ-командами, так и в автономном режиме, с помощью предварительно загруженной программы. В обоих случаях имеется доступ практически ко всем интерфейсам модуля. В таблице 3 приведен список сигналов и интерфейсов, а также показана возможность доступа к этим сигналам и интерфейсам при использовании АТ-команд и/или с использованием загружаемых пользовательских приложений Open AT. ОСНОВНОЙ ИНТЕРФЕЙС УПРАВЛЕНИЯ (UART 1)

Для передачи данных и подачи управляющих команд

WWW.ELCP.RU

используется 9-проводной UART-интерфейс с полным соответствием протоколу сигнализации V24. С точки зрения электрической совместимости модуль не поддерживает V28, в связи с тем, что линии UART имеют рабочее напряжение 2,8 В. Диапазон скорости передачи данных UART модуля SL6087 находится в пределах 1,2…921 кбит/с, с поддержкой режима автоматического определения скорости. Для подключения к хост-процессору можно применять различные схемы с использованием 8, 5 или 4 линий. Режим работы только с линиями TXD и RXD допустим, но не рекомендован для применения. Управлением потоком данных в этом случае занимается приложение пользователя на хост-процессоре. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ ИНТЕРФЕЙС (UART 2)

Дополнительный последовательный порт UART2 может использоваться для связи между AirPrime SL6087 и внешними устройствами, например с ГЛОНАСС/GPS-модулем. Он представляет собой четырехпроводной последовательный интерфейс и работает по протоколу V24. Порт UART2 использует уровни с напряжением 1,8 В, поэтому при подключении внешних устройств с 3- и 5-В логикой требуется использовать микросхемы согласования (как пример, MAX13047E (MAX), TXS0102 (TI)). Преобразователями уровней для RS-232 могут быть MAX3225EEAP+ (MAX), MAX3222CWN+ (MAX), SN65C3232EDB (TI), которые доступны со склада компании «Компэл» (www.compel.ru). Хотелось бы обратить внимание на интерфейс USB 2.0. Этот четырехпроводной интерфейс, уже встроенный в модуль, использует контактные площадки 49, 50, 51, 52 и позволяет подключиться к ПК в режиме Slave. Максимальная скорость передачи данных — 12 Mбит/с. Для подключения к USB не требуется преобразователь уровней, т.к. данная функция уже реализована в модуле SL6087. Порт USB может использоваться как для подачи АТ-команд в ручном режиме, так и для выхода в интернет с ПК (в Windows нужно создать стандартный ярлык нового сетевого подключения). Драйвер для Windows доступен на сайте производителя: www.sierrawireless.com Модуль SL6087 имеет уникальную функцию программного декодирования DTMF. Цифровой аудио-интерфейс позволяет осуществлять соединения со стандартной аудио-периферией (факс, автоответчик, службы IVR). Можно использовать аналоговые линии (стандартный микрофон и динамик), либо цифровые линии PCM. Основные сигналы программируемого кодера-декодера следующие: – PCM-SYNC (исходящий): сигнал синхронизации с частотой 8 кГц входящих и исходящих данных; – PCM-CLK (исходящий): синхронизация битов структуры передаваемых данных средств управления с периферийным аудио; – PCM-OUT (исходящий): исходящие данные; – PCM-IN (входящий): входящие данные. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

AirPrime SL6087 будет интересен тем, кто планирует переход от уже используемых модулей Q2686/87 к более современной элементной базе. Дополнительным плюсом в пользу SL6087, конечно же, станет его заметно меньшая стоимость, а также возможность полного переноса встраиваемых OpenAT-приложений из ранних разработок. ЛИТЕРАТУРА: 1. AirPrime SL6087 product technical specification and customer design Guidelines-Rev 001.pdf. 2. AirPrime SL6087 development Kit user Guide-Rev 001.


NUD4700 — электронный шунт для светодиодов от ON Semiconductor ИРИНА РОМАДИНА, менеджер по продукции ON Semiconductor, «Компэл» В последнее время светодиодное освещение находит все большее применение. Основным фактором, способствующим расширению секторов применения мощных светодиодов, несмотря на их довольно высокую цену, является большой ресурс и надежность. Особенно это важно для ответственных применений, где оперативная замена вышедших из строя светильников затруднена, а их отказ приводит к существенной потере функций приложения. Одним из методов повышения надежности мощных кластерных светодиодных осветительных приборов является активное шунтирование отдельных вышедших из строя светодиодов. В этом случае единичный отказ светодиода не приведет к потере существенной части светового потока. Активный шунт NUD4700, разработанный On Semi, повышает надежность светильников с последовательным включением мощных светодиодов.

Мощные светодиоды, которые предназначены для использования в осветительных приборах, имеют большой ресурс работы — около 100 тыс. ч. Заявленный показатель в основном определяется ресурсом самого кристалла. Однако надежность и реальный ресурс мощных светодиодов определяется во многом качеством корпусирования светодиода и условиями эксплуатации. Основным дефектом светодиода является обрыв, который происходит из-за деградации соединения кристалла с выводами. Это самое слабое место. Старение и деградация микросварных контактных соединений происходит из-за температурных перепадов и электромиграции в области контакта. В большинстве мощных светодиодных осветителей используются кластерные соединения белых светодиодов, которые содержат одну или несколько цепочек светодиодов. При обрыве одного светодиода ток прекращается во всей цепочке. Особенно этот эффект недопустим для ответственных приложений, например в светодиодных светофорах, автомобильных фонарях, системах освещения мостов, аэропортов и т.д. Одним из простейших выходов из этого положения является использование активных двухполюсных шунтов, которые включаются параллельно каждому светодиоду в последовательной цепочке (см. рис. 1). Отказ одного светодиода в последовательной цепочке приводит к отказу всей светодиодной цепочки. При шунтировании единичный отказ не влияет на работу остальных элементов цепочки. В нормальном состоянии шунт закрыт, ток протекает через светодиод. При обрыве в цепи светодиода ток через светодиод, а, следовательно, и через всю цепочку прекращается. Схема контроля шунта обнаруживает факт обрыва и включает внутренний тиристор шунта, пропускающий ток в обход дефектного светодиода. Токовая цепь всей цепочки светодиодов восстанавливается. Генератор тока поддерживает заданный уровень тока в цепочке, и яркость оставшихся светодиодов не изменяется.

Ключевыми параметрами шунта являются: – минимальное напряжение перехода во включенное состояние в диапазоне: 5,5…7,5 В; – ток перехода в состояние «включен»: 35 мА; – минимальный ток (ток удержания), который позволяет удерживать шунт в состоянии «включен», 6 мА; – прямое напряжение на ключе во включенном состоянии шунта не более 1 В; – максимальный ток, который может проходить через шунт во включенном состоянии: 1,3 А; – ток утечки в закрытом состоянии шунта не более 250 мкА; – максимальный ток при шунтировании: 1,3 А (на дополнительном радиаторе).

а)

б)

Рис. 1. Сравнение того, как проявляется единичный отказ в кластерных светодиодных прожекторах: а) обычная схема из трех параллельных цепочек по 12 светодиодов (шунтирование каждого светодиода не используется); б) используется активное шунтирование каждого светодиода в цепочках

75

СТРУКТУРА АКТИВНОГО ШУНТА

Шунт представляет собой тиристорную структуру с пороговым элементом управления (см. рис. 2). Пороговый элемент состоит из встроенного стабилитрона и резистивного делителя. Конденсатор в цепи управляющего электрода тиристора необходим для обеспечения задержки включения и устранения ложных срабатываний. Порог срабатывания определяется, в первую очередь, напряжением стабилитрона.

Рис. 2. Структура и применение NUD4700

Основные параметры активного шунта NUD4700

Типовая вольтамперная характеристика шунта представлена на рисунке 3.

Рис. 3. Типовая вольтамперная характеристика шунта

Электронные компоненты №9 2010


Рис. 4. Динамическая характеристика включения NUD4700

В документации на микросхему NUD4700 отмечается, что шунт обладает способностью отключения при внезапном самовосстановлении дефектного светодиода. На самом деле отключение шунта возможно только при снятии и повторной подаче напряжения питания с выхода генератора тока! Даже если пропавший контакт в светодиоде и восстановится, то протекающий через светодиод ток будет ничтожным, поскольку падение напряжения на нем составит всего 1 В. Соответствующий ток на ветке ВАХ светодиода составит, в лучшем случае, несколько десятков мкА. В итоге шунт не закроется, а светодиод не станет светиться, несмотря на восстановленный контакт. После снятия напряжения шунт «забывает» предыдущее состояние, а после подачи напряжения ток начинает протекать по цепочке светодиода. При этом все шунты находятся в закрытом состоянии. Шунты не препятствуют использованию в цепях светодиодов методов ШИМ-регулирования. Как известно, димминг с помощью регулирования постоянного тока генератора нежелателен, поскольку приводит к смещению цветового баланса белого. Шунт позволяет использовать ШИМ-регулирование с частотами до 10 кГц. СХЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ АКТИВНОГО ШУНТА В СВЕТОДИОДНЫХ КЛАСТЕРАХ

Рис. 5. Топология включения светодиодов в кластерных светодиодных осветителях и схема использование шунтов: а) низкая надежность при низкой цене схемы управления; б) средняя надежность, средняя цена управления; в) высокая надежность при разумной цене схемы управления

Прибор предназначен, в основном, для использования в цепочках 1-Вт светодиодов с током 350 мА. При этом токе корпус шунта типа Powermite способен рассеивать тепловую мощность без дополнительного радиатора. При наличии дополнительного радиатора прибор способен обеспечивать пропускание токов до 1,3 А в рабочем режиме и может использоваться для шунтирования более мощных светодиодов с рабочим током 700 мА и 1 А. Поскольку шунт включается при обрыве светодиода, его целесообразно устанавливать на том же радиаторе, что и шунтируемый светодиод. Имеется встроенная защита от перенапряжения и от тока короткого замыкания. Шунт выключается после замены светодиода и при повторном включении питания.

76

ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ШУНТА

Динамическая характеристика шунта представлена на рисунке 4. Верхняя (зеленая) кривая представляет изменение тока, проходящего через систему светодиод-шунт, нижняя (красная) кривая — изменение напряжения на шунте. В момент обрыва шунтируемого светодиода происходит уменьшение тока и скачок напряжения на выходе генератора. При обрыве сопротивление цепочки возрастает. Генератор тока резко увеличивает напряжение на выходе. Этот скачок увеличивает падение напряжения на дефектном светодиоде и, следовательно, шунте, включенном параллельно светодиоду. При достижении порогового напряжения пробоя срабатывает тиристорная схема. Ключ шунта открывается, и происходит защелкивание с образованием проводящего канала. В открытом состоянии падение напряжения на шунте составляет около 1 В. Протекающий ток определяется генератором тока. Выходное напряжение на выходе генератора тока также падает.

WWW.ELCP.RU

Топология светодиодных кластеров определяется требуемой мощностью осветителя, источником питания и выбранным драйвером (драйверами). В осветителе может использоваться одна или несколько светодиодных последовательных цепочек мощных светодиодов (см. рис. 5). Каждая цепочка питается от отдельного генератора тока. В частности, в качестве генераторов тока могут использоваться и микросхемы многоканальных светодиодных драйверов. С точки зрения уменьшения стоимости всего устройства в целом наиболее предпочтительным является использование схемы с одной последовательной цепочкой светодиодов и одним генератором тока (схема 5а). Однако эта схема имеет низкую надежность. При отказе одного светодиода отказывает вся система в целом. Повысить надежность первой схемы можно с помощью компромиссного решения, показанного на рисунке 5б. Выход из строя одного из светодиодов схемы повлечет отказ только одной последовательной цепи. Хотя надежность второго варианта включения выше, чем у первого, недостатки очевидны. К ним относятся высокая цена и усложнение монтажа из-за необходимости использования нескольких источников тока. Оптимальное решение этого вопроса предлагается с помощью активных шунтов NUD4700, которые подключаются параллельно каждому светодиоду. Схема, изображенная на рисунке 3в, обеспечивает работу всей последовательной цепи при отказе любого светодиода. В этом случае ток начинает протекать в обход отказавшего светодиода через электронный шунт NUD4700. В данном случае достаточно всего одного источника тока, что снижает стоимость и упрощает монтаж. Очевидно, что третий вариант будет иметь самую высокую надежность по сравнению с двумя предыдущими при определенном увеличении стоимости системы. В отдельных случаях можно несколько снизить стоимость варианта 3в, если вместо шунтирования каждого светодиода использовать шунтирование групп последовательных светодиодов, состоящих из двух, трех или четырех светодиодов. В этом случае надежность несколько снизится, однако стоимость уменьшится также. Этот компромиссный вариант можно предложить для менее ответственных применений, где также существенно повышение надежности. К тому же в настоящее время выпускаются многокристальные светодиодные сборки. Для увеличения световой мощности в одном корпусе и на едином теплоотводе размещается несколько кристаллов светодиодов, которые могут иметь параллельнопоследовательное соединение. Прямое падение напряжения


на них, соответственно, выше и может достигать, например, 8,2…13 В. Для таких случаев требуются шунты, у которых пороговое напряжение, соответственно, выше в два, три или четыре раза. Такие шунты выпускает компания Littlefuse. АКТИВНЫЕ ШУНТЫ СВЕТОДИОДОВ ДРУГИХ ФИРМ

Патент на использование шунтов в цепочках светодиодов зарегистрирован еще в ноябре 2000 г. К тому времени уже серийно выпускались твердотельные приборы с тиристорной структурой (Silicon Controlled Rectifier, SCR) для защиты электрических цепей приборов от перенапряжения. SCR-шунтирование используется давно в качестве структуры в элементах встроенной ESDзащиты входов-выходов микросхем от перенапряжения. На базе SCR-структур разработана также серия самостоятельных устройств защиты электронных цепей приборов от перенапряжения, например интерфейсных цепей. Активный шунт, по сути, является защитным устройством от перенапряжения триггерного типа. Принцип шунтирования электрических цепей был предложен и для структуры активного шунта светодиодов в кластерных светильниках. Первые электронные шунты для светодиодов были практически одновременно разработаны сразу несколькими компаниями: американскими On Semi, Littlfuse и тайванской фирмой Addtek. Микросхемы шунтов появились на рынке в 2006 г. Компания Littlefuse разработала примерно в то же время продукт LED Protector. Шунт представляет собой тиристорное устройство триггерного типа с пороговым напряжением срабатывания. Разные напряжения срабатывания триггеров шунта позволяют включать их параллельно сразу нескольким светодиодам цепочки, что несколько удешевляет схему защиты. Например, прибор PLED13 предназначен для шунтирования трех последовательных светодиодов. Однако в этом случае проявление дефектов будет

несколько существеннее, чем при поэлементном шунтировании. По сравнению с аналогами других фирм, NUD4700 фирмы ON Semi имеет ряд значительных преимуществ. Во-первых, это цена: она ниже на 50%. Во-вторых, падение напряжения на шунте равно всего 1 В при токе 1 А против 1,5…1,6 В у аналогов. Чем выше прямое падение напряжения, тем выше тепловыделение. Для NUD 4700 оно в 1,5 раза ниже. У NUD 4700 имеются и недостатки — шунты не оснащены защитой от смены полярности напряжения. Впрочем, в большинстве приложений эта функция и не требуется. ВЫВОДЫ

В целом, шунты позволяют увеличить надежность светодиодных источников света и способствуют их продвижению на рынке источников света, усиливая позиции по сравнению с люминесцентными лампами и лампами накаливания. Цена шунта невысокая — около 12 центов за 1 шт. Стоимость устройства, безусловно, возрастает, но это обоснованная плата за повышение его надежности и сокращение расходов на обслуживание светильников в труднодоступных местах. Основной сектор применения шунтов — ответственные приложения, в которых требуется высокая надежность светодиодного источника света. К ним можно отнести, например, светодиодные фонари на мостах, высотных зданиях, мачтах стадионов. Прибор также можно использовать для других приложений, где требуется сохранять и восстанавливать непрерывность тока в цепочках последовательно включенных устройств. ЛИТЕРАТУРА 1. L. R. Avery. Using SCRs as Transient Protection Structures in Integrated Circuits. EOS/ESD 1983. P. 177. 2. NUD4700 datasheet/OnSemi.

77

Электронные компоненты №9 2010


РАСЧЕТ ШУМОВЫХ ПАРАМЕТРОВ АЦП РЕЗА МОГИМИ (REZA MOGHIMI), руководитель отдела прикладного проектирования Analog Devices В статье изложена общая методика проектирования усилительного каскада с АЦП и приведен пример расчета. Статья представляет собой несколько сокращенный вариант [1].

Преобразование в цифровую форму сигналов физических величин, таких как вибрация, температура, давление или свет, должно производиться с наименьшими искажениями. Для этого необходимо спроектировать малошумящий аналоговый входной каскад, чтобы получить высокое отношение сигнал-шум (SNR). К сожалению, во многих системах нет возможности использовать дорогие элементы, либо есть ограничения по мощности потребления малошумящих элементов, поэтому для повышения качества преобразования следует воспользоваться схемотехническими приемами. Рассмотрим методику проектирования усилительного блока с АЦП (см. рис. 1). Она состоит из семи этапов, где требуется: – описать выходной электрический сигнал датчика или предшествующего каскада; – задать требования, предъявляемые к АЦП; – найти оптимальное опорное напряжение АЦП; – определить коэффициент усиления и основные характеристики ОУ; – подобрать оптимальный усилитель и рассчитать усилительный каскад; – проверить, не превышает ли общий уровень шума допустимое значение; – промоделировать и оценить схему. ПРИМЕР ПРОЕКТИРОВАНИЯ

АЦП И ЦАП

78

Сигналы поступают на усилительный каскад либо с датчика напрямую, либо через фильтр. Для расчета усилительного каскада необходимо знать характеристики сигнала по постоянному и переменному току и напряжение питания. Характеристики сигнала и уровень шума определяют диапазон входного напряжения и шумовые параметры АЦП. Пусть имеется датчик с выходным сигналом 10 кГц и размахом напряжения 250 мВ (среднеквадратичное 88,2 мВ). Пиковое значение вносимого шума составляет 25 мкВ, напряжение питания 5 В, а температура работы — комнатная. Зная амплитуду входного сигнала и уровень шума Uш, можно определить 1

Автор допустил ошибку, Uш = 41,6 нВ/

WWW.ELCP.RU

отношение сигнал-шум и входной сигнал усилительного каскада. Далее по этим параметрам определим требуемое эффективное количество разрядов ENOB преобразователя и выберем подходящую модель. Обычно отношение сигнал-шум и ENOB указываются в технической документации на АЦП. SNR = 20∙lg = 86,8 дБ ENOB =

(1)

= 14,2 разр.

Uш = 416*1 нВ/ Таким образом, в нашем случае необходимо взять 16-разрядный АЦП. По теореме Котельникова, частота дискретизации fs должна быть по крайней мере в два раза больше частоты преобразуемого сигнала fin, поэтому нам подойдет АЦП со скоростью преобразования 20 тыс. выборок в секунду. Плотность шумового напряжения схемы не должна превышать 416 нВ/ . Многие 16-разрядные АЦП имеют ENOB = 14,5 разрядов. Можно воспользоваться преобразователем с меньшим эффективным разрешением, увеличив частоту дискретизации в соответствующее число раз (передискретизация). В этом случае АЦП будет вносить меньше шума. Для увеличения разрешения на n разрядов частоту следует повысить в 4n раз. Так, для 12-разрядного АЦП частоту дискретизации следует увеличить в 256 раз. Мы остановимся на преобразователе AD7685 со скоростью преобразования 250 тыс. выборок в секунду. Согласно документации, отношение сигнал-шум равно 90 дБ, что удовлетворяет требованиям (1). Для выбранного АЦП рекомендуется использовать опорный источник ADR421 или ADR431. Данный источник напряжения имеет динамический входной импеданс, поэтому развязывающие конденсаторы необходимо располагать как можно ближе к выводам и подсоединять широкими проводниками с малым импедансом, чтобы снизить паразитную индуктивность.

(прим. ред.)

Uвх. действ = 884 мВ

Uш действ = 27,95 мкВ Uш доп = 79 нВ/ Характеристики усилительного каскада подбираются в соответствии с динамическим диапазоном входного сигнала АЦП. В нашем случае требуется коэффициент усиления 10. Итак, усилительный каскад имеет следующие характеристики: Uвх = 250 мВ, U АЦП вых = 2,5 В, Kу = 10, полоса пропускания 1 Гц—10 кГц. Чтобы уровень шума до и после усилителя был одинаков, необходимо подбирать малошумящие элементы. Рассчитаем величину входного шума ОУ. Согласно результатам, полученным в самом начале, общая плотность шума не должна превышать 416 нВ/ . При проектировании усилительного каскада следует сделать запас и задать допустимый уровень шума, например, в 10 раз ниже. В этом случае шум усилителя будет много меньше собственного шума датчика. Для простоты будем считать, что шум на входе ОУ складывается только из шума ОУ и АЦП. Uш вх = 416/10 = 41,6 нВ/ Uш АЦП = 79/10 = 7,9 нВ/ Uш об =

= 40,8

Теперь, зная полосу входного сигнала, можно подобрать ОУ по произведению коэффициента усиления на полосу (GBWP). Для этого требуется рассчитать полосу сигнала, коэффициент усиления шума и погрешность усиления. Для наглядности выберем ОУ с полосой пропускания в 100 раз больше, чем полоса сигнала, чтобы погрешность усиления не превышала 0,1%. Как было рассчитано, входное напряжение шума не должно превышать 40,8 нВ/ . По приведенным характеристикам нам подходит усилитель AD8641. Схема каскада приведена на рисунке 2.

Рис. 1. Общая структуа усилительного каскада на входе АЦП


АЦП И ЦАП

79

Электронные компоненты №9 2010


Отношение сигнал-шум определяется не только номиналами, но и расположением элементов на плате. При разводке не следует прокладывать цифровые линии под линиями АЦП, если под АЦП нет защитного слоя земли, чтобы шум не проникал на чип. Быстро переключающиеся сигналы, такие как CNV или тактирование, не должны проходить рядом с аналоговыми. Цифровые и аналоговые линии не должны пересекаться. Для предварительной оценки проекта удобно воспользоваться макромоделями Pspice, размещенными на сайте Аnalog Devices. На рисунке 3 показан отклик перед и после RC-фильтра (если используется) на входе AD7685. Как видно из рисунка 4, общий выходной шум на полосе 10 кГц близок к 31 мкВ. Это меньше требуемого 41 мкВ. Для окончательной оценки проекта и запуска схемы в производство необходимо изготовить и испытать прототип.

Рис. 2. Принципиальная схема усилительного каскада

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящее время к устройствам предъявляются жесткие требования по стоимости и потребляемой мощности. В связи с этим зачастую приходится избегать использования дорогих и малошумящих компонентов или элементов с большим потреблением. Для достижения заданных характеристик необходимо учитывать шум, вносимый всеми элементами, поскольку от этого зависит отношение сигнал-шум. Следуя методике, описанной выше, можно избежать типичных ошибок проектирования и обеспечить требуемые характеристики каскада.

Рис. 3. АЧХ усилительного каскада

ЛИТЕРАТУРА 1. Moghimi R. Seven Steps to Successful Analog-to-Digital Signal Conversion.

Рис. 4. Выходной шум усилительного каскада

АЦП И ЦАП

80

Все активные и пассивные элементы вносят собственный шум, поэтому важно проверить, сильно ли они ухудшают характеристики. Это поможет избежать таких ошибок, как, например, использование с МШУ резисторов с большим сопротивлением. Выпишем все источники шума (см. рис. 2):

Подставив значения, получаем, что общий входной шум намного меньше 41,6 как мы планировали. Uш вх ОУ= 29,3 нВ/ Uш вх АЦП= 7,9 нВ/ Uш вх общ=

= 30,5 нВ/

.

На верхней границе динамического диапазона шумовые показатели также не превышают допустимый уровень: Uш вх ОУ 10 кГц= 2,93 мкВ/ Uш вх АЦП 10 кГц = 780 нВ/ Uш вх общ 10 кГц= .

WWW.ELCP.RU

= 3,04 мкВ/

= .

От редакции. На наш взгляд, представленная статья интересна и имеет практическую значимость. Поэтому мы и решили напечатать ее, хотя в ней сделана ошибка — результат вычисления по (2) увеличен в 10 раз. Однако затем автор немного «схитрил» при вычислении (3) и (4), устранив ошибку путем ввода запаса по шуму в 10 раз. Таким образом, результат, полученный в (4), оказывается верен. Конечно, при проектировании усилительного каскада, как справедливо замечает автор, должен быть сделан запас по сравнению с расчетными данными. Величину запаса каждый разработчик выбирает интуитивно, исходя из своего опыта, но вряд ли этот запас должен быть десятикратным, как рекомендует автор.


Проектирование электронного пускорегулирующего устройства для 250-Вт газоразрядной лампы высокой интенсивности ТОМ РИБАРИХ (TOM RIBARICH), директор, Lighting Systems, International Rectifier

В настоящее время в типовых системах уличного освещения, как правило, используются газоразрядные лампы высокой интенсивности (HID). Такие лампы трудно поддаются регулированию, поэтому задача проектирования электронной пускорегулирующей аппаратуры (ЭПРА) для управления ими также не является простой. ЭПРА для HID-ламп должны выполнять следующие функции: запуск, разогрев, контроль над постоянством мощности, коррекция коэффициента мощности и обеспечение защиты ламп и ЭПРА в любых аварийных ситуациях. В статье описана схема ЭПРА для 250-Вт HID-лампы, реализованная на основе ИС управления HID-лампами IRS2573D. Представлены основные требования к лампам, и описаны методы управления ими, а также приведена полная принципиальная схема, и описаны ее сигналы. ТРЕБОВАНИЯ К HID-ЛАМПАМ

HID-лампы бывают трех типов: металлогалогенные, ртутные и натриевые высокого давления. Эти лампы довольно популярны, что связано с их эффективностью и высокой светоотдачей. Эффективность металлогалогенных HID-ламп обычно выше, чем 100 лм/Вт, а срок службы составляет порядка 20 тыс. ч. Принцип действия HID-ламп напоминает принцип действия люминесцентных ламп, в которых пары ртути, находящиеся под небольшим давлением, генерируют ультрафиолетовое излучение, вынуждающее светиться фосфорное покрытие внутри трубки. В случае HID-ламп газ находится под высоким давлением. Поскольку расстояние между электродами в таких лампах очень небольшое, видимый свет в них генерируется напрямую без участия фосфора. Для HID-ламп требуется: для запуска (поджига) — высокое напряжение (обычно 3…4 кВ и более 20 кВ, если лампа горячая); в режиме разогрева — ограничение тока; во время работы — поддержание постоянной мощности. Важно тщательно следить за мощностью ламп для минимизации расхождений ламп по цвету и яркости. К тому же HID-лампы должны управляться низкочастотным переменным напряжением (обычно менее 200 Гц), что позволяет избежать миграции ртути и предотвратить выход ламп из строя по причине акустического резонанса. Для работы типовых 250-Вт металлогалогенных HID-ламп требуется обеспечивать следующие условия: – номинальная мощность 250 Вт; – номинальное напряжение (RMS) 100 В; – номинальный ток (RMS) 2,5 А; – напряжение поджига (пиковое значение) 4000 В. На рисунке 1 показан типовой профиль запуска HIDламп. До поджига лампа представляет собой разомкнутую цепь. После поджига напряжение на лампе быстро падает с напряжения разомкнутой цепи до очень низкого значения (обычно 20 В) из-за падения сопротивления лампы. Это ведет к тому, что ток через лампу увеличивается до очень высоких значений и именно поэтому его следует ограничить до безопасного уровня. По мере разогрева лампы ток уменьшается, в то время как напряжение и мощность растут. Очевидно, что в процессе работы напряжение на лампе достигает своего номинального значения (обычно

100 В). Далее требуется поддерживать мощность на заданном уровне. Для выполнения всех предъявленных требований и обеспечения заданных режимов работы необходимо корректно проектировать ЭПРА, способную эффективно преобразовывать напряжение сети переменного тока в требуемое для лампы напряжение, осуществлять поджиг лампы и регулировать ее мощность. ТОПОЛОГИЯ СХЕМЫ ЭПРА ДЛЯ HID-ЛАМПЫ

На рисунке 2 показана блок-схема типичной для HIDлампы ЭПРА, состоящей из: фильтра электромагнитных помех, предназначенного для подавления генерируемых ЭПРА шумов; мостового двухполупериодного выпрямителя, преобразующего переменное напряжение сети в выпрямленное напряжение; корректора коэффициента мощности (ККМ) на основе повышающего преобразователя с фильтром постоянного напряжения; понижающего преобразователя для управления током лампы; мостового выходного каскада, обеспечивающего работу лампы по переменному току и схемы запуска для поджига лампы. Для управления понижающим преобразователем и мостовым каскадом, а также для организации соответствующих режимов работы лампы используется специализированная ИС или управляющая схема. Представленная схема соответствует самому распространенному стандартному подходу к питанию HID-ламп.

Рис. 1. Режимы работы HID-лампы: поджиг, разогрев и работа

Электронные компоненты №9 2010

81


Рис. 2. Типовая блок-схема ЭПРА для HID-лампы

а)

б) Рис. 3. Схема запуска лампы и временные диаграммы

82

Схема управления понижающим преобразователем является основной схемой управления ЭПРА, используемой для регулирования тока и мощности лампы. Понижающий каскад является необходимым звеном схемы, позволяющим уменьшить постоянное напряжение на DC-шине после повышающего преобразователя до уровня, необходимого для работы лампы, которая расположена в диагонали мостовой схемы. Понижающий преобразователь работает в режиме либо непрерывной проводимости, либо критической проводимости в зависимости от условий в нагрузке. Для оценки мощности лампы проводятся измерения значений тока и напряжения на лампе, которые затем аппаратно перемножаются. Полученные значения мощности в дальнейшем используются для регулирования времени включения понижающего преобразователя. В течение разогрева лампы (после ее поджига) напряжение на лампе очень маленькое, а ток,

WWW.ELCP.RU

наоборот, очень большой, поэтому цепь обратной связи по току регулирует время включения понижающего преобразователя с целью ограничения максимального тока через лампу. В стационарном режиме работы лампы цепь обратной связи по мощности определяет время включения понижающего преобразователя для регулирования мощности лампы. Режим непрерывной проводимости позволяет понижающему преобразователю во время разогрева подавать на лампу большой ток, не допуская при этом насыщения дросселя преобразователя. Считая, что на вход понижающего преобр��зователя подается постоянное напряжение 400 В (с выхода ККМ на основе повышающего преобразователя), а его номинальная рабочая частота равна 70 кГц, и зная номинальные значения электрических характеристик 250-Вт лампы, можно рассчитать величину индуктивности дросселя преобразователя:

Мостовой каскад необходим для получения переменного тока и напряжения, необходимых для работы лампы. Мостовая схема обычно работает при 200 Гц с 50-% рабочим циклом. В состав мостовой схемы также входит импульсный трансформатор, служащий для получения 4-кВ импульсов, которые требуются для поджига лампы. Схема запуска (см. рис. 3) включает в себя динисторную схему формирования импульсов поджига. Поджиг лампы активируется при включении транзистора MIGN, что заставляет цепь, соединенную с нижним выводом динистора, DIGN, разряжаться с постоянной времени, которая определяется значениями RIGN и CIGN. Когда напряжение на динисторе достигает порогового значения VDIAC, он пробивается, и на первичной обмотке поджигающего трансформатора TIGN начинают формироваться импульсы напряжения, что приводит к появлению на вторичной обмотке 4-кВ импульсов, используемых для поджига лампы. На рисунке 4 показана полная схема, включающая понижающий преобразователь, мостовой каскад и их цепи управления. Ядром схемы является ИС управления HIDлампами IRS2573D, разработанная International Rectifier. В состав IRS2573D входят цепи управления понижающим преобразователем, мостовым каскадом, чувствительными элементами по току и напряжению лампы, а также контурами регулирования током и мощностью лампы. ИС включает в себя интегрированный 600-В драйвер верхнего ключа для управления затвором транзистора понижающего преобразователя (вывод BUCK) с циклической защитой от превышения тока (вывод CS).


83

Рис. 4. Принципиальная схема понижающего преобразователя и мостового каскада

Электронные компоненты №9 2010


а)

б)

в)

Рис. 5. Сигналы понижающего преобразователя, мостового каскада и лампы в режимах разогрева и работы

Время включения понижающего преобразователя регулируется либо контуром регулирования мощности лампы (вывод PCOMP), либо контуром ограничения тока лампы (вывод ICOMP). Время выключения понижающего преобразователя в режиме критической проводимости регулируется током в обмотке, присоединенной ко входу детектора нулевого уровня (вывод ZX), а в режиме непрерывной проводимости — по входу синхронизации времени выключения (вывод TOFF). В состав ИС также входит интегрированный мостовой 600-В драйвер высокого и низкого ключей. Рабочая частота мостовой схемы регулируется по входу синхронизации (вывод СТ). Регулирование мощности лампы в ИС достигается за счет измерения напряжения и тока лампы (выводы VSENSE и ISENSE) и последующего внутреннего перемножения измеренных значений с целью оценки мощности лампы. Управление поджигом лампы осуществляется при помощи выхода синхронизации запуска (вывод IGN), который отвечает за включение и выключение внешнего MOSFET-транзистора (MIGN), регулирующего работу схемы запуска лампы (DIGN, CIGN, TIGN). Таймер поджига, устанавливающий времена включения и выключения схемы запуска, программируется извне (вывод TIGN). И, наконец, в состав ИС входит программируемый таймер сброса (вывод TCLK), позволяющий задавать допустимые интервалы времени перед безопасным выключением ИС в случае возникновения различных аварийных ситуаций. Такими ситуациями могут быть: неполадки с лампой во время поджига; неполадки с лампой в режиме разогрева; окончание срока службы лампы; нестабильность электрической дуги и разрыв/замыкание выходных цепей. ФОРМЫ СИГНАЛОВ

На рисунке 5 показаны сигналы, полученные в ходе экспериментов. На рисунке 5а представлены сигналы напряжения (верхний график) и тока (нижний график) на управляющем транзисторе понижающего преобразователя, снятые в режиме разогрева лампы. Время

включения преобразователя в этом режиме регулируется контуром ограничения тока. На рисунке 5б представлены сигналы напряжения (верхний график) и тока (нижний график) на управляющем транзисторе понижающего преобразователя, снятые в стационарном режиме работы. Преобразователь работал в режиме критической проводимости, а время его включения регулировалось контуром поддержания постоянной мощности. На рисунке 5в показаны выходные напряжения средних точек правой и левой частей мостовой схемы (верхний и средний графики) и переменный ток лампы (нижний график) в нормальных условиях работы лампы. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рынок HID-ламп быстро развивается и имеет широкие перспективы. Применение HID-ламп для уличного освещения является наиболее привлекательным направлением, что связано с большим сроком службы и высокой яркостью таких ламп, а также со значительной экономией энергии, которую можно получить при использовании ЭПРА. Поскольку к HID-лампам предъявлены довольно строгие требования, а задачи, поставленные перед ЭПРА, весьма сложны, их разработка является непростой. Обсуждаемая в данной статье схема приближена к стандартной 3-каскадной топологии. ИС управления с высокой интеграцией, входящая в состав рассматриваемого ЭПРА, значительно упрощает схему. Такой подход позволил повысить универсальность схемы, поэтому она может быть использована в качестве платформы для создания целого семейства ЭПРА для ламп разных типов и уровней мощности. Новая ИС IRS2573D включает в себя полный комплекс встроенных функций, необходимых для управления HID-лампами: регулирование ламп, их поджиг и защита от аварийных ситуаций. Поэтому данная ИС является идеальным выбором разработчиков, позволяя создать надежные ЭПРА и ускорять выход конечного продукта на рынок. Для получения более подробной информации посетите сайт International Rectifier www.irf.com.

84 НОВОСТИ СЕТЕЙ И ИНТЕРФЕЙСОВ | ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕСПРОВОДНАЯ СЕТЬ. ПОСТУЛАТ 4 | Уровень шумов должен быть достаточно низким, чтобы влиять на качество приема. Внешний высокочастотный шум обусловлен действием многочисленных источников, начиная от активности солнца и кончая бесчисленными цифровыми РЧ-устройствами и другими передающими устройствами. Фоновый шум устанавливает шумовой порог, ниже которого полезный сигнал будет потерян. Шумовой порог меняется с частотой. Обычно шумовой порог ниже порога чувствительности приемника, поэтому он не имеет большого значения при проектировании. Однако если в канале много помех, то в расчетах используется именно шумовой порог, а не чувствительность. Если возникают сомнения относительно качества канала, следует провести измерения, эти меры окупятся. В современном мире антенны повсюду: на крышах и стенах зданий, рекламных щитах, водонапорных башнях, дымовых трубах, некоторые даже стилизованы под деревья. Многие другие источники шума не так очевидны. www.russianelectronics.ru

WWW.ELCP.RU


УГЛУБЛЕНИЕ В НАНО ИЛИ SOFTSILICON? КОНСТАНТИН МАКАРЕНКО, технический консультант, «ИД Электроника»

В настоящее время расширение функционала устройства и улучшение его характеристик достигается увеличением степени интеграции кристалла. Это не единственный и не самый перспективный путь развития технологий. В статье описана одна из возможных альтернатив — использование технологии Softsilicon.

НЕМНОГО ИСТОРИИ

Подход к изготовлению специализированных компонентов для транспортного оборудования связи постоянно менялся (см. рис. 1). В 1990-х гг. каждый производитель разрабатывал собственные ИС. Издержки были сравнительно невелики, обычно не достигали 10 млн долл., зато в собственных специализированных ИС можно было реализовать огромное множество функций и возможностей. Однако, когда степень интеграции перешла в субмикронный диапазон, стоимость разработки заметно возросла. Для многих производителей оборудования объем требуемых инвестиций стал неоправданно высок по сравнению с их долей на рынке. На первый план вышли компании, отпочковавшиеся от производителей оборудования, такие как Infineon или Agere. Они занимались выпуском специализированных ИС с общим набором функций и продавали их нескольким поставщикам оборудования. При этом объем продукции этих компаний позволял вкладывать деньги в развитие технологий и переход с уровня 130 нм на 90 нм.

Как показано на рисунке 1, требуемый для перехода к технологическим нормам 65 и 40 нм объем вложений приближается к 40—50 млн долл. Это дорого даже для компаний, упоминавшихся выше. В связи с этим производители ищут новые рынки с более крупным объемом продаж, например, рынки сетевых ИС для пассивных оптических сетей (PON), цифровых абонентских линий (DSL) или устройств физического уровня. Эти компоненты стандартны и используются в широком спектре связного оборудования. Второе направление — заказные ИС с низким уровнем интеграции, которые используются в ряде устройств специального назначения. Факт остается фактом — есть такие сегменты рынка компонентов для транспортных сетей, для которых требуется другая модель развития технологий. Один из возможных вариантов — модель Softsilicon, разработанная компанией Tpack. Компонент, изготовленный по технологии Softsilicon, представляет собой устройство со стандартным набором возможностей, содержащим практически все функции, которые требуются в сет��вом оборудовании. Идея

Softsilicon — найти такую модель, в которой наиболее дорогостоящая стадия проектирования устройства, а именно разработка стандартных ячеек заказных ИС, окупается не только за счет целевого рынка, но и за счет других сегментов. Это достигается путем использования программируемых вентильных матриц (FPGA) вместо специализированных ИС. Матрицы FPGA — это устройства общего назначения. Они используются в различных приборах, например, в телевизорах с плоским экраном, автомобильной электронике и, конечно, устройствах связи. Таким образом, большая часть расходов на разработку нескольких продуктов производится только один раз при проектировании FPGA общего назначения. Идея использования ПЛИС для аппаратуры связи не нова. Множество производителей изготавливают собственные образы FPGA, а не покупают специализированные ИС для реализации той или иной функции сети. Концепция Softsilicon немного отличается и от классической модели проектирования устройства на базе заказной ИС, а также от модели разработки собственной FPGA.

85 ПЛИС И СБИС

Интеграция устройств на кристалле кремния растет с каждым годом, а стоимость ИС остается практически неизменной. В 2000-х гг. ИС изготавливались по технологическим нормам 130 нм, сегодня — 40…60 нм. В ближайшем будущем потребуется дальнейшее уменьшение шага до 20…32 нм. Этот переход обойдется недешево производителям, поскольку объем инвестиций непропорционально высок по сравнению с ожидаемой выгодой. Необходимо найти иной способ расширения функционала ИС. Одному из возможных вариантов, а именно технологии Softsilicon, и посвящена эта статья. Технология Softsilicon была разработана для связного оборудования, однако она с успехом может применяться и в других типах устройств.

Рис. 1. Этапы развития специализированных ИС на основе кремния и примерная стоимость разработки стандартной ячейки

Электронные компоненты №9 2010


Рис. 2. Принцип Softsilicon

Бытует мнение, что матрицы FPGA стоят дорого, потребляют много энергии и не могут обеспечить такого же быстродействия, как заказные ИС. Однако за последние несколько лет картина изменилась, и на рынок вышли ПЛИС Altera и Xilinx, изготовленные по технологическим нормам 65 нм и 40…45 нм с частотой работы последовательных портов до 11,3 Гбит/с, что позволяет изготавливать на их основе многофункциональные, малопотребляющие и недорогие устройства Softsilicon.

SOFTSILICON В СРАВНЕНИИ С ЗАКАЗНОЙ ИС

Как мы уже говорили, концепция Softsilicon разработана компанией Tpack и совмещает преимущества стандартных ИС с гибкостью матриц FPGA. Технология предназначена для производителей связного оборудования и с малыми рисками позволяет ускорить разработку систем. Softsilicon — это стандартный кристалл (см. рис. 2), который отличается от специализированных ИС возможностью полного перепрограммирования. Это позволяет модифицировать функции и интерфейсы, подстраивая функционал под потребности рынка. Кристалл Softsilicon состоит из: – матрицы FPGA; – программного файла — образа для задания и конфигурирования FPGA;

Устройства на основе технологии Softsilicon обеспечивают лучшие характеристики с меньшими издержками, чем устройства на основе специализированных ИС. В качестве примера рассмотрим устройства, осуществляющие распределение трафика и мультиплексирование в открытой транспортной сети (OTN). Оптический транспортный блок (OTU2) преобразует трафик любого типа из нескольких абонентских портов (GbE, OC-3, OC-12, OC-48, 1GFC, 2GFC, 4GFC и др.) в соответствии со стандартом G.709 ITU-T. Мультиплексор разбивает данные OTU2 на блоки (ODU), которые далее разделяются на ячейки с фиксированной длиной. В небольших автономных системах обычно используются только OTU2.

а)

б)

SOFTSILICON

SOFTSILICON В СРАВНЕНИИ С FPGA СОБСТВЕННОЙ РАЗРАБОТКИ

Как уже говорилось, производители оборудования иногда используют FPGA в устройствах специального назначения собственной разработки. При этом они получают эквивалентный по сравнению с заказными ИС функционал устройства, однако стоимость его вдвое меньше. Технология Softsilicon может быть выгодна и при

ПЛИС И СБИС

86

– драйверов высокого уровня, включая программный интерфейс приложения (API); – информационной системы для демонстрации и оценки характеристик Softsilicon, в т.ч. примеров кода и программ управления. Для упрощения программирования кристалл Softsilicon имеет предустановленный набор функций с конфигурируемыми параметрами.

На рынке есть всего несколько специализированных ИС, предназначенных для выполнения названных выше функций. Чтобы удовлетворить большое число применений и, тем самым, увеличить долю на рынке, в этих устройствах учтены все возможные требования производителей оборудования и реализованы все функции, которые могут понадобиться. На рисунке 3а показана общая структура заказной ИС. Видно, что она содержит расширенный набор функций, необходимый для распределения данных, мультиплексирования и обеспечения совместимости с сетями SONET/SDH/VCAT. Площадь кристалла велика, и учитывая стоимость разработки заказной ИС, о которой говорилось ранее, это решение оказывается отнюдь не дешевым. Кроме того, в стандарт G.709 были добавлены две новые функции, ODU0 и ODUflex, которые, естественно, не поддерживаются специализированными ИС, разработанными в 2009 г. В настоящее время эти функции являются обязательным требованием операторов связи. На рисунке 3б, 3в приведены два примера продуктов Softsilicon, выполняющих те же задачи. Можно реализовать полный набор функций, как на специализированной ИС, однако в образе матрицы определены только необходимые функции. Устройства на базе Softsilicon реализуются программно, поэтому обе новые функции можно без труда включить в набор.

Рис. 3. Реализация функций отображения и мультиплексирования на специализированной ИС (а) и Softsilicon (б, в)

WWW.ELCP.RU

в)


таком подходе. На кристалле имеются готовые программные функции, что позволяет изрядно сэкономить, если у производителя нет времени или ресурсов для разработки и программирования FPGA. Кроме того, устройства Softsilicon предоставляют возможность добавлять собственные IP-блоки в стандартную специализированную ИС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Обеспечение все более высокой пропускной способности сети при сохранении или даже снижении стоимости — нелегкая задача для производителей оборудования. Основная проблема заключается в несоответствии между объемом потенциальных доходов и объемом инвестиций, которые производители должны внести для разра-

ботки необходимых технологий. Новый подход, такой как Softsilicon, может обеспечить высокое быстродействие и низкую стоимость оборудования. ЛИТЕРАТУРА 1. Pedersen Lars. Product how-to: Softsilicon — the next era of communications silicon. 2. www.tpack.com/softsilicon.

НОВОСТИ СЕТЕЙ И ИНТЕРФЕЙСОВ

www.russianelectronics.ru

Электронные компоненты №9 2010

87 ПЛИС И СБИС

| ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕСПРОВОДНАЯ СЕТЬ. ПОСТУЛАТ 5 | Измеряйте границы замирания сигнала, чтобы на связь не влияла погода или временные помехи. Границы замирания — важнейший параметр для беспроводных систем. Он показывает, насколько принятый сигнал можно ослабить без заметного ухудшения связи. Работа на большом расстоянии без учета границ замирания — причина номер один плохой связи или ее отсутствия. Для сохранения правильного функционирования беспроводной системы при любой погоде и в условиях большой интерференции в РЧ-канале следует обеспечить запас по замиранию не менее 10 дБ. Существует несколько способов оценки границ замирания без специальных приспособлений, например: – В некоторых приемниках есть возможность регулировать мощность выходного сигнала. Снижайте мощность до тех пор, пока связь не испортится. Затем увеличьте мощность на 10 дБ, это и будет запас по замиранию. Напомним, что для удвоения выходной мощности требуется усиление передаваемого сигнала на 3 дБ, а для увеличения выходной мощности в 10 раз — на 10 дБ. – Установите небольшой аттенюатор на 10 дБ, подходящий по частоте. Если сигнал связи пропадет, то запас по замиранию слишком мал. – Антенный кабель вносит большие потери, особенно на ВЧ. Конкретные значения зависят от типа и марки кабеля, поэтому в каждом конкретном случае необходимо проводить измерения. Для примерной оценки можно пользоваться следующими значениями: на 900 МГц провод RG58 на расстоянии 15—30 м вносит примерно 10 дБ, на частоте 2,4 ГГц кабель длиной 6—12 м также ослабит сигнал на 10 дБ. Если система продолжает надежно работать при такой длине провода, то в можно полагать, что запас по замиранию составляет по меньшей мере 10 дБ.


Программируемая логика Actel ЕВГЕНИЙ КОТЕЛЬНИКОВ Статья, подготовленная в виде ответов на вопросы, знакомит российских разработчиков с преимуществами высоконадежных ПЛИС корпорации Actel — широко популярными за рубежом, но еще недостаточно применяемыми в России. КАКИЕ СЕМЕЙСТВА ПЛИС ПРОИЗВОДИТ КОРПОРАЦИЯ ACTEL?

Многообразие семейств ПЛИС Actel представлено на рисунке 1. Цвет рамки семейства ПЛИС показывает, какие максимально стойкие микросхемы доступны в семействе. Расшифровка уровней стойкости дана в условных обозначениях к рисунку. Существуют следующие исполнения микросхем: ES: (Engineering Silicon) — прототип для работы при комнатной температуре; PROTO: (прототип) — микросхемы, изготовленные по технологии радиационностойких, которые не тестировались на устойчивость к радиации. Прототипы стоят значительно меньше, чем полностью протестированные аналоги, и используются в наземных испытаниях; C: (Commercial — коммерческий) — микросхемы, предназначенные для работы в температурном диапазоне: 0…70°С; I: (Industrial — промышленный) — микросхемы для работы в температурном диапазоне: –40…80˚С; A: (Automotive — автомобильный) — микросхемы для работы в температурном диапазоне –40…125°C; M: (Military — военный) — микросхемы для работы в температурном диапазоне: –55…125°C; B: (Класс B — с приемкой) — микросхемы для работы в температурном диапазоне: –55…125°C соответствуют стандарту MIL-STD-883 Class B (аналог отечественной 5 приемки); E: (для космической промышленности) — микросхемы для работы в температурном диапазоне: –55…125°C изготавливаются в соответствии с требованиями Actel для микросхем, применяемых в космической промышленности — Actel Space-Level Flow (аналог отечественной приемки 9); EV: (для особо тяжелых условий эксплуатации) — эти микросхемы, предназначенные для работы в темпера-

88

Рис. 1. Семейства ПЛИС Actel

WWW.ELCP.RU

турном диапазоне: –55…125°C, проходят более жесткие предпродажные испытания и соответствуют требованиям стандарта MIL-PRF-38535 Class V. Все семейства нерадиационностойких микросхем могут быть заказаны в дешевом коммерческом исполнении. Более подробно о методике испытаний микросхем Actel можно узнать на сайте компании [1] или в официальном представительстве в России и Украине по телефонам: 8 (800) 100-62-09; +7 (812) 740-62-09. Семейства радиационностойких ПЛИС приведены в нижней части рисунка. ПЛИС Actel делятся на две большие группы — однократно программируемые и многократно программируемые, позволяющие перепрограммировать их в системе. К перепрограммируемым (флэш) относятся пять семейств: – ProASICPLUS — ПЛИС второго поколения с максимальной тактовой частотой до 350 МГц, доступные в четырех исполнениях от прототипов до класса B; – ProASIC3 — ПЛИС третьего поколения, отличаются от ProASICPLUS улучшенной внутренней архитектурой и значительно меньшим потреблением; – IGLOO — ПЛИС для систем с тактовой частотой до 250 МГц, где низкое потребление энергии является главным требованием; – Fusion — первая аналогово-цифровая система на кристалле, которая содержит не только ПЛИС, но и свободно конфигурируемый блок аналоговой обработки; – SmartFusion — следующая версия Fusion — содержит ПЛИС, аналогово-цифровой блок и процессор CortexM3, совместимый с архитектурой ARM7, с развитой периферией: Ethernet 10/100, I2C, UART, SPI и т.д. К однократнопрограммируемым относятся семейства (Antifuse): – eX — очень маленькие ПЛИС; – MX — небольшие ПЛИС, способные работать от одного источника питания 5 В;


– SX — ПЛИС среднего объема; – Axcelerator — быстрые ПЛИС большого объема. Большинство семейств ПЛИС Actel имеют подсемейства, позволяющие разработчику выбрать микросхему, оптимальную по объему, потреблению и количеству доступных выводов. К радиационностойким (RТ) семействам, рекомендованным для новых разработок, относятся три семейства ПЛИС (это версии нерадиационностойких ПЛИС, тестируемых в условиях радиации). RT-версия в основном схожа с нерадиационностойким прототипом, но может иметь некоторые отличия в функциональности, объеме и скорости. Так, например, RT-версия семейства Axcelerator имеет три подсемейства, в одном из которых (а именно, в RTAX-DSP) в программируемую матрицу внедрены аппаратные блоки умножения с накоплением, которые могут умножать числа разрядностью до 18 бит и накапливать результат до 40 бит. Эти блоки могут работать на частотах более 130 МГц. Полное число блоков умножения в RTAXDSP варьируется от 64 до 120, таким образом, полное быстродействие системы, построенной на этой микросхеме, может превышать 15 тыс. MMACs (миллионов умножений с последующим накоплением результата, в секунду). Все RT-версии однократно программируемых микросхем имеют аппаратно троированные триггеры с мажоритарной схемой подавления сбоев. Но если в схему необходимо внести изменения, то преимущества A2F200M3F еще очевиднее, потому что в этом случае не придется «копаться» с паяльником в плате или резать дорожки — все изменения могут быть сделаны за счет смены конфигурации, загружаемой в ПЛИС. Эта схема определяет, какой уровень должен быть на выходе блока, и асинхронно устанавливает сбившийся триггер в пра-

вильное состояние (например: если два «запараллеленных» по входам триггера дают на выходе 1, а один — 0, то на выходе блока должна быть 1). КАК СООТНОСЯТСЯ ЦЕНЫ НА ПЛИС ACTEL С ЦЕНАМИ ДРУГИХ ПРОИЗВОДИТЕЛЕЙ?

В настоящее время микросхемы фирмы Actel используют в России в основном для работы в тяжелых радиационных условиях и в системах, требующих беспрецедентных уровней надежности. У большинства разработчиков гражданской аппаратуры сложилось мнение: «Микросхемы Actel — это не для меня». Однако по своим характеристикам и уровню цен они вполне могут подойти для медицинских и бытовых применений. Кроме того, использование ПЛИС Actel в подавляющем большинстве случаев ведет к значительному снижению электропотребления системы и росту надежности. Для примера: цена на микросхему AGLN020V5-QNG68 составляет 350 руб. При покупке единичных экземпляров микросхем семейства ProASIC3 они оцениваются примерно так же, как и микросхемы A3P030VQ100 (390 руб). Эти цены ориентировочные и могут быть снижены при покупке партии микросхем. Хорошим примером того, что увеличение цены микросхемы может вести к снижению стоимости устройства, служит аналоговоцифровая ПЛИС семейства SmartFusion — A2F200M3FFG256, которая стоит около 1200 руб. Цена этой микросхемы выше стоимости аналогичной классической ПЛИС, однако, если принять во внимание, что вместо установки на плату ПЛИС и микроконтроллеров, АЦП и ЦАП, операционных и измерительных усилителей достаточно поставить всего одну микросхему, применение которой сэкономит место на плате и упростит разводку, то это может окупить ее применение. Но если в схему необходимо

Электронные компоненты №9 2010

89


Таблица 1. Сравнение потребляемой мощности ПЛИС, выполненных по флэш-технологии, разных производителей Название Мощность потреЧисло выводов Число логиче- Макс. число Максимальная часто- Напряжение Самый маленьмикробления в статичеОЗУ, Кбит общего назна- Производитель ских ячеек триггеров та системы, МГц питания ядра, В кий корпус, мм схемы ском режиме, мкВт чения AGLN250 24 2048 6144 250 1,2/1,5 36 CS81 5x5 68 Actel XC2C256 38 256 256 256 1,8 0 CP132 8х8 106 Xilinx EPM240Z 45 240 240 152 1,8 0 BGA100 6x6 80 Altera

внести изменения, то преимущества A2F200M3F еще очевиднее, потому что в этом случае не придется «копаться» с паяльником в плате или резать дорожки – все изменения могут быть сделаны за счет смены конфигурации, загружаемой в ПЛИС. ПОЧЕМУ МИКРОСХЕМЫ ACTEL ЧАСТО ИСПОЛЬЗУЮТСЯ В АППАРАТУРЕ ПОВЫШЕННОЙ НАДЕЖНОСТИ?

ПЛИС Actel отличаются от ПЛИС других производителей по технологии производства. В отличие от большинства других производителей, которые при изготовлении больших многократно программируемых интегральных схем используют технологию SRAM (статического ОЗУ), Actel изготавливает многократно программируемые ПЛИС по флэш-технологии. Этo одна из главных причин повышенной надежности и других достоинств данных ПЛИС. Для производства однократно программируемых ПЛИС Actel использует технологию Antifuse (восстановление перемычек за счет перехода кремния из аморфного, слабопроводящего состояния в кристаллическое с высокой проводимостью). В отличие от технологии пережигания перемычек, технология Antifuse [2] дает гарантию, что однажды запрограммированная перемычка никогда не изменит свое состояние. КАКОВЫ ПРЕИМУЩЕСТВА ТЕХНОЛОГИЙ ПЛИС ACTEL?

90

Основным отличием микросхем флэш и Antifuse ПЛИС от SRAM-ПЛИС является то, что конфигурация хранится непосредственно внутри элементарной ячейки ПЛИС, в КМОП-транзисторе с плавающим затвором или в перемычке. Отсюда и основные преимущества таких микросхем — нет необходимости переносить информацию о прошивке из внешнего энергонезависимого ПЗУ а, следовательно, нет потока данных при включении и нет задержки между подачей питания и переходом микросхем в рабочее состояние при загрузке конфигурации. ПЛИС Actel готовы к работе сразу после включения питания. Кроме того, полностью исключена возможность считывания прошивки сторонними разработчиками, например, в целях хищения интеллектуальной собственности. Одной из неприятных особенностей SRAM-ПЛИС является бросок тока (current surge) при включении питания, который вызван тем, что SRAM-триггеры находятся в неопределенном состоянии, и требуется время и заряд для перехода их в стабильное состояние. По величине этот бросок тока часто более чем в десять раз превышает статическое потребление SRAM-ПЛИС. Эта неприятная особенность микросхем SRAM требует увеличения мощности источников питания и места, занимаемого ими на плате [3]. Поскольку в элементарную ячейку флэш-памяти входят всего два транзистора с объединенным затвором, площадь, занимаемая такой ячейкой на кристалле, примерно в 7 раз меньше площади, занимаемой SRAM-ячейкой. За счет этого ток потребления таких микросхем ниже. Технология флэш-ПЛИС позволяет изготавливать микросхемы с рекордно низкими уровнями потребления в статическом режиме, так, например, микросхема AGLN010 �� 86 логическими ячейками и 260 доступными триггерами в корпусе размером 3×3 мм потребляет менее 2 мкВт в статическом режиме. Поскольку фирма Actel производит флэш-ПЛИС на протяжении многих лет, и основные усилия

WWW.ELCP.RU

разработчиков направлены на совершенствование технологии, то Actel добилaсь заметных успехов в изготовлении малопотребляющих ПЛИС. Чтобы убедиться в этом, достаточно сравнить характеристики микросхем Actel с микросхемами, выполненными по флэш-технологии, других производителей (см. табл. 1). ПОЧЕМУ МИКРОСХЕМЫ ACTEL ОБЛАДАЮТ БОЛЬШЕЙ РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТЬЮ, ЧЕМ МИКРОСХЕМЫ МНОГИХ ДРУГИХ ПРОИЗВОДИТЕЛЕЙ?

Радиационностойкие микросхемы — это те микросхемы, которые не дают сбоев и отказов в условиях жесткого облучения как при загрузке конфигурации, так и при работе загруженной конфигурации. Отсутствие ошибок программирования при загрузке конфигурации ПЛИС Actel очевидным образом связано с отсутствием самой загрузки — данные о прошивке уже находятся в элементарных ячейках ПЛИС. Отсутствие изменений конфигурации при работе в условиях жесткого облучения не менее важно, чем «чистая» загрузка этой конфигурации. Элементарная ячейка флэш, и тем более Antifuse, практически не чувствительна к облучению заряженными частицами и нейтронами высоких энергий. Никакая тяжелая заряженная частица или нейтрон не могут изменить конфигурацию ПЛИС Actel потому, что для перепрограммирования флэш- и Antifuse-ячеек требуется намного большая энергия, чем для изменения состояния SRAM-ячейки. Вот почему радиационная стойкость микросхем Actel на много порядков превосходит радиационную стойкость SRAM-ПЛИС. (С результатами тестирования микросхем различных производителей на радиационную стойкость можно ознакомиться в документе по адресу www.actel.com/documents/RadResultsIROCreport.pdf). У флэш-ПЛИС компании Actel не наблюдается изменений конфигурации и отказов, вызванных тиристорным эффектом, при уровнях облучения SEL > 96 МВ-см2/мг. Для получения близких значений надежности в микросхемах SRAM-ПЛИС необходимо использовать троирование всех регистров и постоянно регенерировать конфигурационные данные. Следовательно, ресурсы микросхем Actel идут в дело, а не на борьбу с радиацией. Например, если при тестировании на высоте 18 км у микросхем Actel не зарегистрированы сбои и отказы, то при тестировании микросхем, изготовленных по технологии SRAM, даже на уровне моря поток сбоев вполне заметен. Флэш-ПЛИС Actel могут работать при дозах радиации вплоть до 25 Крад, а если этого недостаточно, то можно использовать однократно программируемые микросхемы, выполненные по технологии Antifuse — семейство RTSX с радиационной стойкостью до 100 Крад и ПЛИС большого объема семейства RTAX с радиационной стойкостью до 300 Крад [4]. РЕЖИМ FLASH&FREEZE. ЧТО ЭТО ТАКОЕ?

Режим Flash&Freeze позволяет мгновенно (менее чем за 1 мкс) «выключать» и «включать» микросхему флэш-ПЛИС Actel без потери данных конфигурации и памяти, а также состояния всех регистров. Потребление микросхем Actel в режиме Flash&Freeze составляет единицы микроватт. Вход в режим может быть как асинхронным по уровню, задаваемому на специализированном выводе микросхемы, так и


синхронизированным с внутренними процессами ПЛИС. В этом случае сигналом перехода в низкопотребляющее состояние служит смена уровня на входе управления режимом Flash&Freeze, однако сам переход осуществляется только после того, как внутренняя логика ПЛИС подтвердит его возможность. Выход из режима Flash&Freeze всегда происходит по снятию активного уровня на входе управления режимом. Некоторые семейства ПЛИС Actel не только сохраняют состояние внутренних регистров микросхемы в режиме Flash&Freeze, но и могут поддерживать заранее определенные уровни на выводах микросхем, как то: «ноль», «единица», «высокоимпедансное состояние» или «уровень, который был на выходе в момент перехода в режим Flash&Freeze». ПОЧЕМУ БОЛЬШИЕ ПРОЕКТЫ, КОТОРЫЕ НЕ ПОМЕЩАЮТСЯ В ПЛИС ДРУГИХ ПРОИЗВОДИТЕЛЕЙ, ЧАСТО УДАЕТСЯ ПОМЕСТИТЬ В МИКРОСХЕМЫ ACTEL С ТЕМ ЖЕ КОЛИЧЕСТВОМ СИСТЕМНЫХ ВЕНТИЛЕЙ?

В отличие от большинства других многократно программируемых ПЛИС, где в элементарную ячейку входит комбинаторная часть и триггер, аналогичные микросхемы Actel имеют элементарную логическую ячейку, которая может быть сконфигурирована и как комбинаторная, и как триггерная, только за счет изменения структуры связей внутри ячейки. Такая организация позволяет использовать до 100% внутренних ресурсов в проекте, в то время как при альтернативной организации в матрице, как правило, остаются незадействованные триггеры или комбинаторные блоки, и общий коэффициент использования ресурсов ПЛИС составляет около 70%. ВЫПУСКАЕТ ЛИ ACTEL АНАЛОГОВО-ЦИФРОВЫЕ СИСТЕМЫ НА КРИСТАЛЛЕ?

Да, выпускает, в состав этих микросхем могут входить АЦП, ЦАП и блоки подготовки аналогового сигнала — набор операционных и дифференциальных усилителей с программируемым коэффициентом усиления. Для применений, в которых требуется не только цифровая, но и достаточно развитая аналоговая обработка сигналов, Actel предлагает два семейства аналогово-цифровых систем на кристалле. Это семейства Fusion и SmartFusion. Помимо развитой цифровой части, включающей ARM-совместимые процессоры и развитую периферию, микросхемы этих семейств имеют несколько каналов аналогового ввода (а в семействе SmartFusion и вывода). Более подробно об этих семействах можно узнать на сайте: www.actel.ru. ПРЕДОСТАВЛЯЕТ ЛИ ACTEL СРЕДСТВА ЗАЩИТЫ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ПРИ ОБНОВЛЕНИИ ПРОШИВОК ПЛИС?

92

Actel является пионером в производстве микросхем ПЛИС, которые позволяют сменить прошивку в системе заказчика без риска потери интеллектуальной собственности. Для этого в микросхемах Actel предусмотрено специальное 128-разрядное поле ключа, после программирования которого все действия с прошивкой осуществляются в кодированном виде. Раскодирование новой прошивки осуществляется внутри такой микросхемы аппаратно, в реальном времени при ее программировании. Кроме того, защищенная микросхема не может быть стерта без указания кода защиты. Кодирование информации производится по стандарту 128-Bit Advanced Encryption Standard (AES), и является наиболее устойчивым решением против взлома из доступных для защиты прошивок ПЛИС. ПОСТАВЛЯЮТСЯ ЛИ МИКРОСХЕМЫ ACTEL В МИКРОМИНИАТЮРНЫХ КОРПУСАХ?

Actel выпускает микросхемы в самых разных корпусах, в том числе в корпусах типа UC — это BGA-корпуса

WWW.ELCP.RU

с шагом 0,4 мм. Например, корпус UC36 имеет 36 выводов при размере 3×3 мм. Использование таких корпусов стало возможным в результате беспрецедентно низкого потребления ПЛИС Actel, и поэтому даже такие маленькие корпуса не нагреваются сколь либо заметно во время работы. Кроме того, некоторые серии ПЛИС Actel доступны в бескорпусном исполнении. КАКОЙ ТЕМПЕРАТУРНЫЙ ДИАПАЗОН У ПЛИС ACTEL?

Подавляющее число микросхем Actel работают в температурном диапазоне –55…125˚С или же имеют аналоги с таким температурным диапазоном. Только аналоговоцифровые системы на кристалле и микросхемы семейства IGLOO производятся в исполнениях C и I. Для применения в аппаратуре, работающей в условиях повышенной радиации, выпускаются однократно программируемые микросхемы с требуемым температурным диапазоном, с аппаратно троированными триггерами, рассчитанные на работу при дозе поглощенной радиации до 300 КРад. КАКОВЫ НАЧАЛЬНЫЕ ЗАТРАТЫ ПРИ ПЕРЕХОДЕ НА ПЛИС ACTEL?

Если вы решили попробовать работать с микросхемами фирмы Аctel, то на сайте фирмы (www.actel.com) вы можете бесплатно скачать интегрированную среду разработки Libero. Для того чтобы начать работать, достаточно установить программное обеспечение и зарегистрировать его на сайте Actel (регистрация не требует денежных затрат). Если файл лицензии не пришел к вам по электронной почте в течение 30 мин, зайдите на сайт — скорее всего, вы сможете получить лицензию с сайта быстрее, чем придет письмо. Вы абсолютно бесплатно получите версию среды разработки Libero-Gold. По сравнению с платной эта версия имеет следующие ограничения: – вы не сможете создавать проект для микросхем с количеством системных вентилей более 1,5 млн.; – вы не сможете одновременно использовать в одном проекте два языка описания Verilog и VHDL, но сможете создавать различные проекты на любом из них; – вы не сможете увидеть исходный код бесплатно поставляемых IP-модулей. Как видите, ограничения эти незначительны и, как правило, не сдерживают начинающего разработчика. Для программирования флэш-ПЛИС потребуется еще и программатор, например, недорогой FlashPro4, однако если вы решили начать со стартового набора, то в состав многих из них программатор уже входит. КАК ДОРОГО ОБХОДЯТСЯ IP-ЯДРА ВСТРАИВАЕМЫХ ПРОЦЕССОРОВ ДЛЯ ПЛИС ACTEL?

Если вам подойдет один из процессоров ARM, i8051, SPARC V8 или вам нужен очень простой процессор, занимающий минимум места в матрице ПЛИС, то не потребуется никаких денежных затрат — готовые IP-ядра этих процессоров доступны бесплатно. Actel не только производит микросхемы, но и оказывает помощь разработчикам устройств на всех стадиях проектирования и производства. Так, пользователям наших микросхем предоставляются IP-ядра процессоров и интерфейсов, разработанные в компании Actel. На рынке представлено также большое число IP-ядер партн��ров компании. Интегрированная среда разработки Libero-Gold доступна (бесплатно) на сайте компании. Libero включает весь необходимый набор модулей для создания, верификации, программирования и отладки как собственно ПЛИС, так и встроенных IP- или hardware-процессоров и аналоговых блоков внутри микросхем Actel. Существует платная версия интегрированной среды Libero-Platinum, предназначенная для больших проектов (>1,5 млн системных вентилей). Actel осуществляет поддержку пользова-


телей по телефону и проводит обучение специалистов на территории заказчика. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Компания Actel производит микросхемы ПЛИС, сравнимые по цене с аналогами других производителей. ПЛИС Actel, изготовленные по флэш-технологии, имеют ряд преимуществ перед ПЛИС, выполнеными по технологии SRAM, а именно — низкое энергопотребление, мгновенное включение, отсутствие ошибок загрузки. Аналогово-цифровые системы на кристалле от Actel позволяют существенно уменьшить размеры плат электронных устройств и значительно облегчают настройку и модификацию устройств. Однократно программируемые ПЛИС Actel, изготовленные по технологии Antifuse, имеют высокую радиационную стойкость и надежность, позволяющую использовать их в космических аппаратах с продолжительными миссиями. Подготовку необходимых документов для получения

лицензий государственного департамента США на поставку этих микросхем в Россию берет на себя официальное представительство Actel. Переход на ПЛИС Actel не потребует значительных затрат средств и времени, т.к. существует бесплатная среда разработки Libero Gold, а официальное представительство Actel в Росиии и Украине оказывает всестороннюю поддержку разработчикам. ЛИТЕРАТУРА 1. Описание микросхем семейства Actel RTAX_DSP//www.actel. com/documents/RTAX_DSP_PB.pdf. 2. Карпов С. Actel: новые технологии, передовые решения// Электроника НТБ, 2007, №7//www.electronics.ru/pdf/7_2007/1684.pdf. 3. Описание микросхем ALTERA Cyclone III//www.altera.com/ literature/ds/es_cyciii.pdf. 4. I.Scouras. Antifuse FPGAs offer cost-effective alternative to rad-hard ASICs//www.eeproductcenter.com/showArticle. jhtml?articleID=165700951.

СОБЫТИЯ РЫНКА | ЮБИЛЕЙ НТЦ «МОДУЛЬ» | 26 октября 2010 г. НТЦ «Модуль» празднует юбилей. Дизайн-центр с теперь уже мировым именем был создан 20 лет назад для решения задач в области обработки больших потоков информации. Позже появились и другие перспективные направления деятельности — разработка СБИС и процессорных ядер, разработка и производство встраиваемых и бортовых систем. Начиная с прикладных исследований в области распознавания образов, компания выросла до разработок уникальных аппаратных средств цифровой обработки сигналов и изображений и построения вычислительных комплексов на их основе. НТЦ «Модуль» располагает лучшими средствами вычислительной техники и технологиями, позволяющими проводить наукоемкие исследования, самым современным оборудованием для разработок и мелкосерийного производства. В планы компании входит освоение корпусирования чипов и микросборок. Но главное в арсенале компании — высококвалифицированные кадры, которым она обязана основными достижениями. В кооперации с РКК «Энергия», НИИ «Аргон» и ТОО «Рубикон-Инновация» были разработаны и изготовлены бортовые ЭВМ для космических аппаратов связи «Ямал-200», функционально-погрузочного блока «Заря» и служебного блока «Звезда», которые входят в состав Международной космической станции. До 1995 г. в разработках в НТЦ «Модуль» использовалась зарубежная элементная база, потом было принято решение о создании собственных микропроцессоров. Спустя три года была разработана и запатентована оригинальная микропроцессорная RISC/DSP-архитектура NeuroMatrix, а позже изготовлен первый процессор этой серии — Л1879ВМ1, по некоторым характеристикам не имеющий мировых аналогов. На базе процессора Л1879ВМ1 разработан и изготовлен аппаратно-программный комплекс контроля дорожного движения «Трафик_Монитор». В алгоритмах комплекса использованы результаты собственных теоретических исследований в области обработки искусственных нейронных сетей. В 2002 г. создана первая отечественная СнК 1879 ВМ3 (DSM), включающая быстродействующий программируемый контроллер, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, статическое ОЗУ. В 2005 г. создана микросхема 1879ВА1Т — универсальная связная машина (терминал) мультиплексного канала обмена по ГОСТ Р 52070-2003 (ГОСТ 26765.52-87) /MIL-STD-1553. НТЦ «Модуль» имеет государственную аккредитацию научной организации (свидетельство Министерства промышленности, науки и технологий), а также лицензию Министерства образования по специальностям 05.13.01, 05.13.15 (системы обработки информации и управления, вычислительные системы их математическое обеспечение и организация вычислительных процессоров). Важно и то, что за прошедшие 20 лет своей истории НТЦ «Модуль» приобрел репутацию надежного и высокопрофессионального партнера. www.russianelectronics.ru

| «АБРИС-ТЕХНОЛОДЖИ»: НОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ — НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА СВЧ ЭБ | Компания «АбрисТехнолоджи», входящая в холдинг RCM Group, сообщает о расширении своих производственных возможностей за счет приобретения и установки нового оборудования на своем монтажном производстве в Санкт-Петербурге. Компания приобрела парофазную печь Asscon VP800 с вакуумной зоной, установщик SMD Fritsch PlaceALL 510, установку струйной отмывки печатных плат Riebesam 23-ОЗТ, ремонтный центр FinePlacer Core, а также новые сушильные шкафы. Все это оборудование предназначено, главным образом, для закрытия ниши прототипного производства сложных изделий и должно способствовать совершенствованию технологии серийного производства СВЧ ЭБ. Вакуумная зона парофазной печи VP800 уникальной комплектации позволяет снизить объём пустот внутри пайки до 1—2%, что имеет особое значение в производстве систем повышенной надёжности для таких сфер как авиация и космонавтика. Установщик Fritsch PlaceALL 510 позволит выполнять автоматический монтаж электронных блоков, при этом печатные платы могут быть даже не подготовлены к монтажу, а компоненты — предоставлены в любом виде. Установка струйной отмывки печатных плат Riebesam 23-ОЗТ обеспечит возможность качественной отмывки в тех случаях, когда ультразвуковая отмывка неприемлема. Ремонтный центр Fineplacer CORE тоже имеет качественно новые характеристики, благодаря которым открываются новые возможности. Принятие решения о закупке нового оборудования — следствие и реальное отражение потребностей клиентов холдинга и стремление компании идти в ногу со временем, решая новые и более сложные задачи в условиях стремительного развития микроэлектроники. www.rcmgroup.ru

Электронные компоненты №9 2010

93


ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ С ПОМОЩЬЮ СИЛОВЫХ КЛЮЧЕЙ MOSFET ФИЛИПП ПИЧО (PHILIPPE PICHOT), менеджер отд. стратегического маркетинга, Texas Instruments

Многим разработчикам, особенно не специалистам в области управления электропитанием, использование силовых ключей может показаться сложной задачей. Однако в таких приложениях как портативные электронные приборы, потребительская электроника, промышленные или телекоммуникационные системы все чаще используются силовые ключи. В статье описываются важные характеристики силовых ключей и концепции их применения, а также возможные оптимальные решения.

Первый вопрос, который следует задать перед выбором силового ключа, очевиден: «Каково назначение ключа?». К основным функциям силовых ключей относятся следующие: – управление, распределение и установление последовательности включения/выключения шин электропитания для его распределения между нагрузками; – защита от цепей короткого замыкания или от перегрузки по току либо напряжения (ограничение тока USB, защита датчиков или шины питания от КЗ); – управление пусковым током; – выбор источников тока или распределение нагрузки. В таблице 1 показано, какие функции силового ключа требуются в каждом конкретном применении. СОПРОТИВЛЕНИЕ В ОТКРЫТОМ СОСТОЯНИИ, МАКСИМАЛЬНЫЕ ТОКИ И ДИАПАЗОН ВХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Т Е О Р И Я и П РА К Т И К А

94

Сопротивление в открытом состоянии (r ON ), максимальный непрерывный ток и диапазон входного напряжения являются основными расчетными параметрами. Прежде чем приступить к разработке какоголибо устройства, следует установить базовые параметры системы. В зависимости от приложения, у разработчика имеется возможность определить протекающий через ключ ток и величину напряжения. Если напряжение на ключе составляет 1,2 или 36 В, устанавливаются два различных рабочих диапазона. Сопротивление r ON определяет падение напряжения на ключе. Разработчики должны учесть в конкретном приложении максимально

WWW.ELCP.RU

допустимое значение напряжения, которое определяется следующим образом: , где: V DROP — падение напряжения на ключе; r ON — сопротивление проходного FET-транзистора в открытом состоянии, а I — протекающий по ключу ток. Если в приложении требуется большой ток переключения или переключение низковольтной шины (1,0 В), величину V DROP необходимо минимизировать. Следовательно,

значение r ON должно быть как можно меньше. Например, в случае с ключом серии TPS2292x величина r ON составляет 14 мОм при напряжении 3,6 В. Однако если переключаемый ток мал, сопротивление в открытом состоянии не имеет такого решающего значения и можно выбирать устройство серии TPS2294x с большей величиной r ON — 1 Ом. Величина r ON является главным фактором, определяющим размер кристалла силового переключателя, а, следовательно, и стоимость устройства. При выборе

Таблица 1. Функции силового ключа в зависимости от приложения Управление, распределение и установление последовательности

Защита от короткого замыкания

Управление пусковым током

Переключение мощности (ORing)

Сопр. проходн. FET-транз. в откр. состоянии

Δ

Δ

Δ

Δ

Упр. скоростью нарастания вых. напр.

Δ

Δ

Защита от перегр. по току

Δ

Защита от перегр. по напряжению

ο

ο

ο

ο

Защита от обр. тока

ο

Δ

Рассеяние мощности

Δ

Δ

Δ

Δ

Габариты системы

Δ

ο

ο

ο

Диапазон вх. напряжения

Δ

Δ

Δ

Δ

Макс. большой непрерывный ток

Δ

Δ

Δ

Δ

Тепловая защита

ο

Δ

ο

ο

Управление логикой, совместимость с выводами GPIO

Δ

ο

ο

Δ: важная характеристика или функция. ο: необязательная характеристика или функция.


. Если у r ON достаточно низкое значение, рассеяние мощности мало и существенным образом не сказывается на рабочей температуре компонента. Однако при реализации защиты шины от перегрузки по току или короткого замыкания, например, при использовании USB-портов или датчиков устройства считывания отпечатков пальцев требуется выбирать такой токоограничивающий ключ как TPS22944. Если разработчик не использует токоограничивающий ключ, рассеяние мощности может оказаться главным

препятствием в реализации надежной системы. Например, при закорачивании сопротивлением 0,9 Ом ключа без токоограничивающей нагрузки при входном напряжении 3,3 В (r ON ~0,1 Ом у TPS22902) рассеиваемая мощность составляет

Как правило, это значение слишком велико для большинства предлагаемых на рынке корпусов и потому приводит к отказу системы.

РАССЕЯНИЕ МОЩНОСТИ И ФУНКЦИИ ЗАЩИТЫ

Рассеяние мощности — еще одна важная характеристика, которую следует учесть при разработке системы. В нормальных условиях работы транзистора в качестве проходного ключа рассеяние мощности рассчитывается следующим образом:

95 Т Е О Р И Я и П РА К Т И К А

наиболее экономичного решения в первую очередь следует учитывать этот параметр. Помимо величины максимального непрерывного тока через ключ разработчик должен учесть другой важный параметр — максимальное значение импульсного тока, который может пропустить ключ. В некоторых приложениях нагрузка большую часть времени потребляет средний непрерывный ток. Однако при возникновении потребности у подсистемы в дополнительном питании неизбежны броски тока. Наглядный пример тому — броски тока при передаче сигнала GSM/ GPRS, при котором ток возрастает до 1,7 А за 576 мкс при коэффициенте заполнения 12,5%. Разработчику следует убедиться, что выбранный компонент сможет выдержать такой импульс тока.

Рис. 1. Переключатель мощности двух источников питания

Электронные компоненты №9 2010


При использовании токоограничивающего ключа разработчик также должен убедиться в том, что корпус поддерживает условие КЗ. При этом максимальная величина рассеиваемой мощности наблюдается, когда выход накоротко замкнут на землю. Для устройства TPS22945 максимальное среднее значение рассеиваемой мощности определяется выражением

Т Е О Р И Я и П РА К Т И К А

96

где tRESTART — время автоматической перезагрузки; tBLANK — интервал КЗ, после которого срабатывает защита. У устройств без автоматической перезагрузки, например у TPS22944, короткое замыкание на выходе вынуждает данный компонент работать в режиме постоянного тока, величина которого равна току ограничения. При этом рассеивается наибольшая мощность, затем срабатывает тепловая защита, и устройство выключается. В этом состоянии TPS22944 находится до тех пор, пока вывод ON активен и присутствует КЗ. На рынке предлагается несколько токоограничивающих ключей. Следует учесть их главные характеристики — минимальную величину ограничения по току (фиксированное предельное значение тока или программируемое значение с помощью внешнего резистора), точность ограничения по току и время отклика. В большинстве приложений точность ограничения по току не является главным параметром из-за того, что устройство используется как автоматический прерыватель тока (т.е. ключ выключается при КЗ). Однако в таких приложениях как ограничение тока USB необходимо обеспечить заданную точность, поскольку ключ используется как источник постоянного тока. В приложениях, в которых предполагается управление переключением больших токов или перегрузка по току, рекомендуется выбирать устройство с тепловой защитой. При превышении определенной температуры в большинстве устройств активируется тепловая защита, отключающая FET-транзистор. Помимо защиты от токовой перегрузки следует учесть другие функции защиты, например, блокировку обратного тока, или защиту от обратного напряжения. Это необходимая мера при создании переключателя мощности (ORing) или при распределении нагрузки.

WWW.ELCP.RU

На рисунке 1 приведен пример использования силовых ключей, сконфигурированных таким образом, чтобы подавать питание от двух источников на нагрузку. Если устройство не имеет защиты от обратного напряжения, необходимо, чтобы входное напряжение проходного FET-транзистора было выше выходного. В противном случае ток потечет через внутренний диод FETтранзистора. Если в примере на рисунке 1 напряжение источника постоянного тока составляет 5 В, а литиевоионной батареи — 4,2 В (макс.), возможно протекание большого тока от нагрузки к батарее, что, разумеется крайне нежелательно. Решение этой задачи состоит в использовании устройства с защитой от обратного напряжения. Обычно такая защита реализуется за счет встречного включения FETтранзисторов или переключения нижнего затвора PMOS FET при обнаружении условий возникновения обратного напряжения. При этом следует учесть пороговое значение, при котором происходит отключение компаратора обратного напряжения, а также интервал времени с момента возникновения обратного напряжения до отключения MOSFET. Существует и другой тип защиты, полезный для таких приложений как USB или приложений с батарейным питанием — защита от перегрузки по напряжению. Эта функция позволяет защитить ключ и систему при возникновении на нем перенапряжения. УПРАВЛЕНИЕ ПУСКОВЫМ ТОКОМ

Силовые ключи используются также для управления пусковым током при включении системы. Если ключ включается неконтролируемо, возникает большой пусковой ток, что может привести к падению напряжения на питающей шине на входе ключа и, следовательно, отразиться на функциональности всей системы. При зарядке больших выходных емкостей пусковые токи становятся большими, и потому ими требуется управлять или ограничивать их. Пусковой ток определяется по формуле . Например, при CLOAD = 1 мкФ, V = 3 В и времени нарастания сигнала 1 мкс величина пускового тока достигает 3 A. Наиболее простым способом сгладить последствия возникновения пускового тока является увеличение времени нарастания сигнала

на ключе, что позволит медленно зарядить выходной конденсатор и уменьшить максимальное значение тока. Если, например, время нарастания сигнала равно 200 мкс, величина пускового тока составит 15 мА, что вполне приемлемо. В некоторых случаях, когда необходимо зарядить очень большие емкости (в несколько сотен мкФ), принимаются меры по снижению времени нарастания сигнала. Однако можно выбрать и ключ с ограничением по большому току, который будет входить в ограничивающий режим при включении питания. При этом конденсатор заряжается при ограниченном значении тока, и рассеяние мощности становится минимальным. СОВМЕСТИМОСТЬ СИСТЕМ

При выборе силового ключа необходимо тщательно учитывать вопрос совместимости систем. Например, при использовании ключа для распределения нагрузки в цепи портативного устройства с целью оптимизации его энергопотребления необходимо, чтобы управляющий входной сигнал был совместим со с тандартными низковольтными (1,8 В) выводами GPIO. Кроме того, при выключении ключа следует убедиться в том, что его незаземленный выход не влияет на рабочие параметры системы. С этой целью некоторые пользователи закорачивают данный выход при отключенном ключе с помощью дополнительного транзистора или применяют компонент с внутренней цепью, подтягивающей потенциал выхода к земле, например TPS22902. При проектировании устойчивой системы следует также учитывать входную и выходную емкости. Несмотря на то, что входной конденсатор, как правило, не требуется для стабилизации предлагаемых на рынке силовых ключей, при создании аналоговой системы рекомендуется подключать от входа питания на землю конденсатор емкостью 0,1…1 мкФ с невысоким значением последовательного эквивалентного сопротивления (ESR). Этот компонент улучшает переходную характеристику и снижает шум. В зависимости от нагрузки ключа, могут потребоваться дополнительные емкости на его выходе. Если ключ не имеет защиты по обратному току, настоятельно рекомендуется, чтобы его входная емкость была больше выходной. В противном случае возможна ситуация, когда значительный ток потечет в прямом направлении через внутренний диод FET-транзистора.


ИЗМЕРЕНИЕ КПД СИЛОВЫХ СХЕМ Мы начинаем цикл статей, в которых инженеры делятся оригинальными схемотехническими решениями. В данной подборке описан метод измерения КПД силовой схемы без применения мощного источника питания и эквивалентной нагрузки, а также приведены схемы точного измерения тока и удвоителя напряжения без использования катушки индуктивности.

Эффективность или КПД силовой схемы [1] — важнейший параметр для оценки производительности устройства и подбора охладительной системы. На рисунке 1 изображен традиционный способ расчета КПД. Измеряется мощность на входе Pin и выходе Pout, после чего находится их отношение:

Измеренная входная мощность равна выходной мощности плюс мощность потерь. Для измерения КПД мощных схем, которые питают такие устройства как электродвигатели, генераторы или промышленные ЭВМ, требуется мощный источник и эквивалентная нагрузка. При единичных измерениях это дорого и неоправданно. В этой статье предлагается другой подход (см. рис. 2), при котором источник должен иметь выходную мощность, равную мощности потерь. Выходные выводы закорочены. Схема управления вырабатывает реактивную мощность и поддерживает требуемую амплитуду и частоту входного и выходного токов. Биполярные транзисторы с изолированным затвором и магнитные элементы контролируют уровень потерь в системе, который есть функция амплитуды и частоты входного и выходного токов. Для определения требуемого входного и выходного токов необходимо рассчитать коэффициент мощности схемы, обратную ЭДС двигателя и напряжение питания системы.

IRIN = IRIN_RE+jIRIN_IM =

Если полученное значение не совпадает с ожидаемым ηE, то в уравнение (1) надо подставить измеренный КПД η, и повторять измерения до тех пор, пока значения η и ηЕ не совпадут. Этот метод используется в компании Calnetix для оценки КПД схем с выходной мощностью 125 кВт. Как показали сравнения, при традиционном методе оценки получается практически такой же результат.

Многие мощные силовые системы имеют высокий КПД, т.е. активная составляющая тока намного больше реактивной. Для уменьшения фазового тока IRIN можно подключить вторую такую же схему, как показано на рисунке 3. При этом входной реактивный ток, создаваемый измерительной установкой, смещается. За счет уравнительной мощности источник питания должен обеспечивать только мощность потерь, а не полную мощность силовой схемы. Входной ток во второй схеме (см. рис. 3) имеет вид: IRIN= IRIN_RE + jIRIN_IM. При токе на входе первой схемы IRIN1 ≈ IRIN_RE − jIRIN_IM, ток источника равен

Рис. 1. Классический способ измерения КПД

Рис. 2. Предлагаемый способ измерения КПД

97

; ИНЖЕНЕР — ИНЖЕНЕРУ

IROUT = IROUT_RE + jIROUT_IM =

ности потерь PLOSS при данном уровне выходной мощности POUT. Таким образом, КПД вычисляется следующим образом:

,(1)

где IROUT — требуемый выходной ток; IRIN — требуемый входной ток; PRIN — требуемая входная мощность; POUT — выходная мощность в условиях теста; VBEMF — обратная ЭДС двигателя; VGRID — линейное напряжение; ηE — ожидаемый КПД схемы. Если входной ток равен IRIN, а выходной IROUT, измеренная действительная входная мощность будет близка к мощ-

Рис. 3. Схема с компенсацией

Электронные компоненты №9 2010


Погрешность выходного тока в зависимости от тока в нагрузке показана на рисунке 5. Видно, что использование схемы компенсации позволяет уменьшить суммарную погрешность с 1 до 0,4%. Сопротивление RL должно быть подобрано в соответствии с диапазоном входного напряжения АЦП. Так, если максимальное дифференциальное напряжение равно 500 мВ, то максимальный выходной ток равен 500 мкА, и максимальное напряжение на входе АЦП составит 5 В при сопротивлении нагрузки 10 кОм. УДВОИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ С КПД = 96% Рис. 4. Принципиальная схема устройства

Рис. 5. Погрешность выходного тока

ISOURCE = IRIN1 + IRIN ≈ IRIN_RE + IRIN_RE + j(IRIN_IM – − IRIN_IM) = 2IRIN_RE. В схеме используется входной ток от источника с тем, чтобы избежать потерь в обеих схемах и упростить измерительную установку. ИЗМЕРЕНИЕ ТОКА С КОМПЕНСАЦИЕЙ ПОГРЕШНОСТИ

ИНЖЕНЕР — ИНЖЕНЕРУ

98

Иногда нужно измерить большой ток нагрузки (несколько ампер) при существенном синфазном напряжении (например, 500 В). Это можно сделать с помощью измерителя AD8212, предназначенного для использования в высокоточных катушках или схемах управления двигателем [2]. На рисунке 4 приведена измерительная схема. С помощью внешнего резистора и pnp-транзистора выходной ток AD8212 преобразуется в напряжение, пропорциональное входному дифференциальному сигналу. Биполярный транзистор расширяет диапазон синфазного напряжения до нескольких сотен вольт, а резистор RBIAS используется для ограничения напряжения. Внутренняя схема смещения и регулятор на 5 В обеспечивают стабильное выходное напряжение на всем температурном диапазоне. Это снимает необходимость установки дополнительных внешних элементов. Падение напряжения на транзисторе, включенном по

WWW.ELCP.RU

схеме с общим эмиттером, является синфазным. Из-за ненулевого тока базы IB уменьшается выходной ток AD8212, вследствие чего возникает погрешность выходного напряжения. Этот эффект компенсируется с помощью токового зеркала, которое пропускает IB в цепь обратной связи усилителя A1. Внутренний регулятор опорного напряжения устанавливает напряжение на выводе COM на 5 В ниже напряжения питания, таким образом, схема измерителя питается от 5 В. Сопротивление RBIAS подбирается так, чтобы ток был достаточен для включения и работы регулятора. Для работы на высоком напряжении ток IBIAS следует установить на уровне 200 мкА…1 мА. Нижняя граница обеспечивает включение схемы смещения, а верхняя зависит от типа используемого устройства. Например, при напряжении питания 500 В и RBIAS = 1000 кОм, IBIAS = (V — 5 В)/RBIAS = = 495 В/1000 кОм = 495 мкА. Выходное напряжение схемы практически совпадает с напряжением на выводе COM плюс два VBE, т.е. VOUT ≈ V + + (–5 В) + 2VBE. Вместо PNP-транзистора можно использовать полевой, тогда погрешность, вносимая током базы, исчезнет, однако увеличится стоимость.

Удвоитель напряжения, принципиальная схема которого приведена на рисунке 6, преобразует постоянное напряжение 2,5 В в 5 В или 1,8 В в 3,3 В. Достоинство данной схемы в том, что в ней не используется катушка индуктивности [3]. Конденсатор С заряжается через ключи SB. Пока конденсатор заряжается, ключи SA разомкнуты. В процессе разряда наоборот разомкнуты ключи SB, а конденсатор С становится включенным между входным напряжением VS и конденсатором COUT на выходе схемы. Напряжение на выходе близко к 2VS. Переключение ключей происходит с частотой f, задаваемой генератором IC2. Рабочий цикл составляет примерно 50%, но это не критично. Две половины коммутатора ADG888 (Analog Devices) работают независимо. Резистор RP номиналом 10 Ом ограничивает пусковой ток, защищающий ключи S1,2B от перегрузки по току, которая может возникнуть при включении питания. Операционный усилитель IC3A работает как компаратор. Когда выходной сигнал IC3A высок, ключи S3 и S4 замыкаются. Компаратор работает как логометр, поскольку опорное напряжение на инвертирующем входе равно напряжению питания VIN. Такое подключение возможно, поскольку размах выходного напряжения AD8617 равен напряжению питания. Схема IC3A обеспечивает защиту нагрузки от перенапряжения. Во время легкого запуска напряжение в нагрузке не может опуститься ниже установленного порога. Сопротивление RL, необходимое для срабатывания защитной схемы, определяется выражением:

где m = VOUT/VIN, α — доля VOUT, при которой режим легкого запуска отключается. Для m = 2, α = 0,8 и RP = 10 Ом RL = 160 Ом. Таким образом, если до включения питания подключить нагрузки с сопротивлением менее 160 Ом, в схеме возникнут перегрузки.


Рис. 6. Принципиальная схема удвоителя

Выходное напряжение IC1 переключается, когда входное напряжение равно 2VIN. При этом напряжение на выводе VDD1, задаваемое аналоговым ключом ИЛИ из диодов Шоттки D1 и D2, остается неизменным. Напряжение на выводе VDD1 равно входному, если оно больше выходного, или наоборот. Схема была испытана при следующих параметрах: входное напряжение

2,386 В, RL = 178,46 Ом, частота f = 200 кГц, напряжение питания 2,377 В, ток питания 51,285 мА, выходное напряжение 4,588 В. В результате m = 1,929 и КПД = 96,39%. Согласно измерениям, КПД превышает 96% на частотах 150…350 кГц. Если ключи, шунтирующие резистор RP замкнуты, падение напряжения на них равно 9 мВ. Отсюда следует, что сопротивление параллельно включен-

ных ключей в замкнутом состоянии составляет примерно 0,175 Ом. ЛИТЕРАТУРА 1 Zheng L. Methods measure power electronics’ efficiency//EDN, 29 июля 2010. 2 Tran и Mullins. Current monitor compensates for errors//EDN, 9 сентября 2010. 3 Štofka M. DC-voltage doubler reaches 96% power efficiency//EDN, 15 июля 2010.

НОВОСТИ СЕТЕЙ И ИНТЕРФЕЙСОВ

www.russianelectronics.ru

Электронные компоненты №9 2010

99 ИНЖЕНЕР — ИНЖЕНЕРУ

| ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕСПРОВОДНАЯ СЕТЬ. ПОСТУЛАТЫ 6 И 7 | 6. Проводите расчет параметров. Несмотря на распространенное мнение, вычислить радиус распространения сигнала не так сложно. Условие успешного приема сигнала: Передаваемая мощность + усиление передающей антенны – потери в канале – потери в кабеле + усиление принимающей антенны – запас по замиранию 10 дБ > чувствительности приемника по входу (или шумовой порог, см. п. 4) Большинство слагаемых приведены в технической документации производителя. Измерить необходимо только потери в канале и шумовой порог (для случая сильной зашумленнос��и). 7. Расположение антенны. Антенны увеличивают эффективную мощность с помощью фокусирования излучаемой энергии в нужном направлении. При этом в других направлениях излучаемая мощность уменьшается. За последнее время количество беспроводных устройств резко выросло, и каждый разработчик выбирает лучшее место для установки антенны. Зачастую в одном и том же месте может быть несколько антенн. Даже если они работают на разных частотах, их лучше разнести как можно дальше друг от друга. Многие антенны излучают в горизонтальном направлении, поэтому предпочтительно вертикальное разделение. В идеале требуется разнести антенны как минимум на две длины волны. Для 900 МГц это 0,66 м, а для 2,4 ГГц — 0,25 м.


Новые компоненты на российском рынке БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Беспроводные микропроцессоры с поддержкой технологии EDGE от Sierra Wireless

Компания Sierra Wireless начинает выпуск обновленных беспроводных микропроцессоров серии WMP с поддержкой технологии EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution). Новые модули полностью совместимы с предыдущей линейкой и не требуют дополнительных изменений в схеме.

Предлагаются следующие варианты исполнения: WMP50 Edge Rx, WMP100 Edge Rx,WMP150 Edge Rx. Характеристики модулей представлены в таблице. Текущая версия WMP 100 Новые версии WMP 100 (HW Версия 500.x) (HW Версия 201.x/3055.x) WMP100 WMP100 Edge Rx WMP100 Edge Rx ESIM 4-диапазонный GSM 4-диапазонный GSM 4-диапазонный GSM GSM/GPRS Класс 10 GSM/GPRS/EDGE-Rx Класс 10 GSM/GPRS/EDGE-Rx Класс 10 ARM946, 32 бит, 104 МГц ARM946, 32 бит, 104 МГц ARM946, 32 бит, 104 МГц Внешняя SIM Внешняя SIM Встроенная SIM –20…55°C Класс A –20…55°C Класс A –20…55°C Класс A –40…85°C Класс B –40…85°C Класс B –40…85°C Класс B WMBGA576/шарик 0,6 мм, WMBGA576/шарик 0,6 мм, WMBGA576/шарик 0,6 мм, шаг 1 мм шаг 1 мм шаг 1 мм 25×25×3,65 мм 25×25×3,65 мм 25×25×3,65 мм

Также компания Sierra Wireless сообщила о том, что в связи с прекращением выпуска некоторых компонентов, входящих в состав беспроводных микропроцессоров WMP, они будут заменены на аналоги. Модули с новыми компонентами полностью совместимы с текущими модулями и никаких изменений в принципиальных схемах устройств, построенных на основе беспроводных микроконтроллеров WMP, делать не следует. Sierra Wireless www.sierrawireless.com

Дополнительная информация: см. «Элтех», ООО

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ Новые измерительные приборы стандарта PXI и AXIe от Agilent Technologies

Компания Agilent Technologies расширила свой ассортимент контрольно-измерительных приборов за счет выпуска целой серии новых модульных приборов, представив 46 новых измерительных приборов в стандарте PXI и AXIe.

Линейка из 46 приборов в стандарте PXI и AXIe компании Agilent включает дигитайзеры, генераторы сигналов произвольной формы, осциллографы-дигитайзеры, цифровые мультиметры и широкий диапазон коммутаторов. Модули комплектуются драйверами IVI-C, IVI-COM и LabVIEW(G) и расширенными библиотеками ввода/вывода. Примерами новых приборов могут служить следующие продукты. Первый в отрасли векторный анализатор СВЧ сигналов в формате PXI, все компоненты которого изготовлены одним производителем, Agilent M9392A, оснащен мощным и широко известным программным обеспечением для векторного анализа сигналов 89600 VSA компании Agilent. Это позволяет выполнять детальный анализ сигналов в области связи, радиолокации и авиационной электроники в диапазоне частот до 26,5 ГГц. Новое шасси PXIe M9018A обладает лучшими в отрасли характеристиками и превосходной функциональной гибкостью, обеспечивая 16 гибридных гнезд для установки модулей. Первые два шасси в стандарте AXIe 1.0, представлены двумя моделями: с двумя гнездами (высотой 2U) и пятью гнездами (высотой 4U). Они обладают всеми преимуществами стандарта AXIe, включая высокую мощность, высокопроизводительную систему охлаждения, гибкие средства синхронизации, а также совместимость с системами сторонних производителей. Анализатор PCIe Gen 3 Agilent U4301A, который является первым измерительным модулем, способным работать в стандарте AXIe, позволяет качественно захватывать многогигабитные последовательные потоки и выполнять тестирование протоколов. Agilent Technologies Inc. www.agilent.ru

Дополнительная информация: см. Agilent Technologies Inc.

Осциллограф Infiniium 90000 серии X от Agilent Technologies завоевал награду Electron d’Or 2010 Award за инновации

Компания Agilent Technologies объявила о том, что осциллографы Infiniium 90000 серии X стали обладателем престижной награды Electron d’Or в категории «Приборы». За вручение награды осциллографам 90000 серии X единогласно проголосовало жюри, состоящее из экспертов отрасли, журналистов и ученых-разработчиков. Ежегодное вручение награды Electron d’Oris инициировано французским изданием ElectroniqueS, с тем чтобы определить важнейшие достижения в 12-ти областях электроники. Осциллографы Agilent 90000 серии X обошли серьезных конкурентов в лице Tektronix, National Instruments и LeCroy. Приборы компании Agilent Technologies получают эту награду уже в третий раз. Собственная технология компании Agilent для изготовления микросхем на фосфиде индия (InP) обеспечивает расширение полосы частот при минимальном в отрасли уровне шумов и минимальном измеряемом джиттере. Специальная технология изготовления корпусов из нитрида алюминия позволяет устанавливать 5 кристаллов InP в один многокристалльный интерфейсный модуль, в котором применяется уникальная система экранирования и отвода тепла. Осциллографы Agilent 90000 серии X, самые быстрые осциллографы реального времени, были представлены в апреле 2010 года. Десть моделей обладают верхней грани-

Электронные компоненты №9 2010

101


цей полосы пропускания до 32 ГГц. Вместе с новыми осциллографами была представлена единственная в отрасли система пробников, позволяющая регистрировать сигналы в полосе до 30 ГГц. Кроме того, на осциллографах можно установить множество специализированных измерительных приложений. Осциллографы обеспечивают исключительную точность измерений благодаря широчайшей истинной аналоговой полосе пропускания (32 ГГц), самому низкому в отрасли уровню собственных шумов (2,04 мВ при 50 мВ/дел, 32 ГГц) и наименьшему измеряемому джиттеру (150 фс). Agilent Technologies Inc. www.agilent.ru

Дополнительная информация: см. Agilent Technologies Inc.

Новые измерители комплексных коэффициентов передачи и отражения «Обзор-804» и «Обзор-804/1» от ООО «Планар»

ООО «Планар» (г. Челябинск) приступил к выпуску новых измерителей комплексных коэффициентов передачи и отражения «Обзор-804», «Обзор-804/1». Прибор предназначен для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения (S–параметров) СВЧ-устройств в диапазоне частот от 0,3 до 8000 МГц. Наличие встроенного переключателя тестирующего сигнала на измерительные порты прибора позволяет производить измерения всех параметров измеряемого устройства за одно подключение. Для измерения нелинейных свойств четырехполюсников и расширения диапазона измерений в приборах используется регулировка выходной мощности от –60 дБм до 10 дБм. Основные особенности прибора. – Динамический диапазон: более 135 дБ при полосе измерительного фильтра 10 Гц. – Типовые значения при полосе измерительного фильтра: 10 Гц –138 дБ, 1 Гц –148 дБ. – Низкая погрешность измерений: типовая величина погрешности измерения S21 менее 0,03 дБ. – Время измерения на одной частоте 100 мкс. – Возможность удаленного управления приборами позволяет использовать их в составе измерительных стендов. – Прибор поддерживает различные виды калибровок: нормализация отражения и передачи, полная однопортовая калибровка, однонаправленная двухпортовая калибровка, полная двухпортовая калибровка, TRL-калибровка. ООО «Планар» www.planar.chel.ru

Дополнительная информация: см. «Планар», ООО

102

КВАРЦЕВЫЕ ПРИБОРЫ СТАБИЛИЗАЦИИ ЧАСТОТЫ

Новый миниатюрный прецизионный термостатированный генератор от ОАО «Морион»

ОАО «Морион» (СанктПетербург) представляет новый миниатюрный прецизионный термостатированный генератор ГК199-ТС. ГК199-ТС — самый миниатюрный (объем всего 5 см3) малошумящий термостатированный генератор со стабиль-

WWW.ELCP.RU

ностью в интервале рабочих температур до 1.10 –9. Малые габариты в сочетании с возможностью выбора различных выходных сигналов (SIN или КМОП) и напряжения питания (5 или 12 В) делают ГК199-ТС одним из самых универсальных прецизионных генераторов из номенклатуры ОАО «Морион». Для ГК199-ТС доступно два варианта исполнения по уровню фазовых шумов: стандартный и малошумящий (опция LN): гарантированный уровень фазовых шумов для 10 МГц составляет не более –100 дБ/Гц для отстройки 1 Гц и не более –150 дБ/Гц для отстройки 100 Гц. Возможна поставка ГК199-ТС широким интервалом рабочих температур (от –40 до 85°С). Данный прибор освоен в серийном производстве и предлагается по конкурентным ценам с короткими сроками поставки. ОАО «Морион» ведет разработку нового генератора с параметрами аналогичными ГК199-ТС, но в корпусе с габаритными размерами 25,4×25,4×12,7 мм, который является стандартным для широкого спектра применений. Завершение разработки и начало производства нового прибора, ГК285-ТС, запланировано ориентировочно на конец 2010 г. Дополнительную информацию о продукции ОАО «Морион» можно найти на сайте компании. ОАО «Морион» www.morion.com.ru

Дополнительная информация: см. «Морион», ОАО

Новый миниатюрный кварцевый генератор от NDK

В октябре 2010 г. японская компания NDK планирует запуск в массовое производство самого маленького в мире кварцевого генератора синхронизирующих ��мпульсов NZ2016SF. По сравнению с ранее разработанной моделью NZ2520SF (2,5×2,0×0,9 мм), новинка имеет еще меньший вес и габариты (2,0×1,6×0,7 мм). Тем не менее, это никак не отразилось на качестве продукта и его способности работать при напряжении питания от 0,8 В. Помимо миниатюрных размеров и низкого энергопотребления, генератор NZ2016SF позволяет существенно увеличить срок службы батареи многофункциональных мобильных и навигационных устройств, а также брелков сигнализации. Широкий диапазон рабочих частот от 1,5 до 50 МГц позволяет использовать этот генератор в охранных и пожарных сигнализациях, системах слежения за подвижными объектами и в системах контроля доступа. Особенности кварцевого генератора представлены в таблице. CMOS Уровни выходного сигнала 0,9 ±0,1 Напряжение питания, В –20…70 Рабочий температурный диапазон, °С ±50 .10–6…±100 .10–6 Допустимое отклонение по частоте 0,1 Максимальное значение напряжения низкого уровня, В 0,9 Минимальное значение напряжения высокого уровня, В Высокоимпедансный Режим ожидания выход 2,0×1,6×0,7 Габариты, мм NDK www.ndk.com

Дополнительная информация: см. «Элтех», ООО

МИКРОСХЕМЫ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ LDO-стабилизаторы с выходным током до 3 А от Semtech

Компания Semtech предлагает новые LDOстабилизаторы (SC4213H, SC4211, SC4212, SC4215A (H),


SC4216 (H), SC4217) c входным напряжением от 1,4 В и падением напряжения вход-выход до 150 мВ.

– – – –

автономные устройства навигации; датчики для охранно-пожарных систем; маломощные передатчики. модемы.

Semtech www.semtech.ru

Дополнительная информация: см. «Элтех», ООО Стабилизаторы имеют защиту от перегрузки по выходу и перегрева и снабжены входом дистанционного включениявыключения. Максимально допустимая температура кристалла 150°С, а мощность рассеивания зависит от температуры окружающей среды (0,5 Вт при 75°С). Диапазон температур хранения составляет: –65…150°С, что позволяет использовать микросхемы в промышленной и автомобильной аппаратуре. Характеристики LDO-стабилизаторов представлены в таблице. Маркировка SC4213H SC4211 SC4212 SC4215A, SC4215H SC4216, SC4216H SC4217

Uвх, В

Uвых мин., В

Iвых, А

Корпус

6 6 5,5

0,5 0,5 0,5

0,5 1 1

SOIC-8 SOIC-8 EDP MLPD-8, 3×3 мм

1,4

6

0,5

2

SOIC-8 EDP

1,45 1,8

5,5 5,5

0,5 1,24

3 3

SOIC-8 EDP TO-263-5

Мин.

Макс.

1,4 1,4 1,5

Применение стабилизаторов: – автомобильные системы; – системы резервного питания;

Agilent Technologies Inc. 115054, Москва, Космодамианская наб., 52, стр.1 Тел.: +7 (495) 797-3928 tmo_rus@agilent.com www.agilent.ru «Морион», ОАО 199155, С.-Петербург, пр. Кима, д. 13а Тел.: (812) 350-75-72, (812) 350-9243 Факс: (812) 350-72-90, (812) 350-1559 sale@morion.com.ru www.morion.com.ru «Планар», ООО 454091, Челябинск, ул. Елькина, д.32 Тел.: (351) 729-97-77, (351) 263-26-82 welcome@planar.chel.ru www.planar.chel.ru «Элтех», ООО 198035, С.- Петербург, ул. Двинская, 10, к. 6А Тел.: +7 (812) 635-50-60 Факс: +7 (812) 635-50-70 info@eltech.spb.ru www.eltech.spb.ru

НОВОСТИ СЕТЕЙ И ИНТЕРФЕЙСОВ

104

| ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕСПРОВОДНАЯ СЕТЬ. ПОСТУЛАТ 8 | Антенны следует располагать так, чтобы между ними не было препятствий. Не стоит направлять антенны в небо. Следует избегать работы на максимальных расстояниях, заявленных производителем. В условиях прямой видимости радиосигнал ослабляется пропорционально квадрату расстояния. Для удвоения зоны охвата требуется увеличение мощности в четыре раза, поэтому уменьшение расстояния в два раза уменьшает потери в канале на 6 дБ, увеличение расстояния в два раза увеличивает потери в канале на 6 дБ. Внутри здания путь распространения сигнала становится более сложным, поэтому правило ужесточается: уменьшение расстояния в два раза уменьшает потери в канале на 9 дБ, увеличение расстояния в два раза увеличивает потери в канале на 9 дБ. Производители приводят зону действия в условиях прямой видимости. Это значит, что между антеннами нет препятствий. Наглядно распространение сигнала от одной антенны к другой можно изобразить в виде эллипса или футбольного поля. В центре между антеннами канал широк, сигнал может распространяться разными путями. Небольшое препятствие, расположенное в этой области, вносит минимальные потери. При приближении к одной из антенн зона распространения сигнала сокращается, и даже небольшие препятствия вносят сильные помехи, вплоть до потери связи. Расстояние между антеннами должно быть известно, особенно если система предназначена для дальней связи. Наиболее эффективный способ снизить помехи в канале — это поднять антенны. На высоте около 2 м максимальное расстояние прямой видимости из-за кривизны Земли составляет около 5 км, поэтому все, что выше травы на подстриженной лужайке, мешает приему сигнала. Кроме того, важную роль играют погодные условия, например повышенная влажность увеличивает искажения. Чем выше частота, тем больше потери в канале. Листва деревьев также может служить препятствием. Если в середине канала расположено несколько молодых деревьев, это не страшно. Однако через лес РЧ-сигнал вряд ли пройдет. В этом случае антенны следует располагать выше деревьев. Много помех возникает на промышленных территориях из-за того, что большое количество отражающих объектов расположено близко друг к другу. Сигнал начинает распространяться по нескольким траекториям, возникает многолучевость. Принятый сигнал будет векторной суммой всех лучей. В таких средах небольшой поворот антенны может существенно повлиять на мощность принятого сигнала. Наконец, временные помехи могут возникать из-за движущихся объектов, например, грузовика или мусорного контейнера. Сигнал не может пройти через металл. Итак, правила для канала: 1. Чтобы обеспечить хороший запас по замираниям, рабочее расстояние в условиях прямой видимости не должно быть больше половины заявленного производителем значения. Само по себе это требование гарантирует 6 дБ, а необходимо 10 дБ. 2. Если в середине канала (но не у антенн) расположены препятствия, следует внести поправки. 3. Значение, заявленное производителем для связи в условиях прямой видимости, следует уменьшить на 10%, если в канале присутствуют препятствия или если антенны расположены внутри здания. www.russianelectronics.ru

WWW.ELCP.RU



ЭК 9 2010