基于HyperLynx 的斷路器狀態監測無線節點PCB 設計

許運飛，吳明贊 ，李 竹

(南京理工大學自動化學院，南京210094)

隨著GPRS 等多種無線通信技術的普遍使用，斷路器的無線狀態監測比以往有線方式的狀態監測具有成本低、可靠性高、靈活性強等優點。無線監測節點設計中PCB 板設計問題成為主要的難點，主要是由于ARM 芯片核心頻率的提高，以及高頻無線通信技術的使用，PCB 板設計的信號完整性和干擾問題越來越嚴重［1］。本文將高速PCB 設計理論方案應用于斷路器的狀態監測無線節點PCB 設計中，以ARM 芯片組成的PCB 設計為主要研究對象。

1 無線監測節點原理介紹

本文設計的斷路器狀態監測無線節點主要是由ARM 和GPRS 模塊組成的，實現斷路器狀態無線監測的功能，斷路器狀態監測無線節點原理框圖如圖1。

圖1 斷路器狀態監測無線節點原理框圖

ARM 芯片選用的是三星的S3C2440 芯片，自帶的AD 轉換接口AIN0 接收傳感器模擬信號(斷路器狀態監測信息)，將該信息存儲于SDRAM 中，并通過串行接口將數據發送給GPRS 模塊，然后通過Internet網絡發送至遠程監控中心。GPRS 模塊選用的是西門子MC55 模塊，它提供了一個串行通信口，作為與ARM 微控制器的通信接口。ARM 微控制器主要通過串行口發送AT 指令來控制GPRS 模塊，同時GPRS模塊通過該接口向ARM 微控制器發送數據。采用ARM 微控制器的一個I/O 引腳GPB0，通過軟件延時方式產生低電平信號進行啟動和控制GPRS 模塊。

2 自動生成PCB 布線的仿真分析

本文將自動生成的由ARM 芯片組成的核心PCB板在HyperLynx 軟件中進行Boardsim 仿真［2］，如圖2所示。采用的是三星S3C2440 芯片的IBIS 模型［3］和海力士(Hynix)HY57V561620 芯片的IBIS 模型，以其中數據信號PDATA［24］引腳為例進行仿真，得到仿真波形圖如圖3 所示，性能參數仿真結果如表1。

圖2 自動生成的PCB 布線仿真文件圖

圖3 自動生成的PCB 布線仿真波形圖

表1 自動生成的PCB 布線仿真結果

3 手動布線PCB 的仿真分析

手動調整PCB 布線參數主要通過使用Linesim針對高速PCB 中一些基本參數進行仿真分析后調整，如PCB 布線的厚度、寬度、板層介質的介電常數，以及傳輸線阻抗匹配端接。這些參數調整可以使用層疊編輯器來改變制板材料的Er、層間距離、布線層厚度，實現手動調整PCB 布線的設計。

3.1 手動調整PCB 板參數

使用Linesim 進行串擾仿真分析得到可調整的PCB 布線參數主要有耦合區域寬度、線寬、線距、與參考層的距離。通過調整這些參數，可以將PCB 布線產生的串擾現象和信號完整性問題得到解決或者抑制［4］。

利用S3C2440 芯片的IBIS 模型，在Linesim 中建立一組基本的待測串擾的傳輸線模型，如圖4 所示，得到的仿真波形如圖5(a)所示。

圖4 耦合區域長度為1 in 的傳輸線串擾仿真模型圖

顯然，由圖5(a)可以看出串擾現象明顯，產生了明顯的抖動，經過手動調整參數后再仿真得到仿真波形圖如圖5(b)所示，串擾現象和傳輸延遲現象有明顯改善。手動調整參數結果如表2 所示。

表2 手動調整PCB 布線參數結果

圖5

由表2 得到調整PCB 后的參數結果如下:線寬為4 mil，線距為14 mil，信號層與參考層之間的距離為6 mil，信號層與信號層之間的距離為14 mil，這樣盡可能避免了串擾的發生，并且使布線間距參數滿足3 W 規則［5］。

圖6 手動布線PCB 仿真文件圖

3.2 手動布線調整后PCB 板仿真分析

進行上述各項參數以及布線路徑調整后，對該PCB 板再進行Boardsim 仿真，同樣以其中數據信號PDATA［24］引腳為例進行仿真，得到仿真結果如圖7 所示，仿真參數結果如表3。

圖7 手動布線PCB 仿真波形圖

表3 手動布線PCB 仿真結果

4 兩種布線方式比較分析

如表4 所示，通過對兩種方式布線仿真結果比較可以得出，自動生成PCB 布線的傳輸信號延遲性比手動布線的延遲性稍好，但傳輸線阻抗匹配問題比較嚴重;自動生成PCB 布線產生的振鈴現象很明顯，而手動布線產生的振鈴現象得到控制;自動布線產生的近端串擾振幅達到1 000 mV，而手動布線產生的振幅約為400 mV，遠小于1 000 mV，遠端串擾也得到改善，滿足了要求。可見，手動調整后的PCB布線優于自動生成的PCB 布線設計。

表4 兩種布線仿真結果比較

最后分別對芯片的每個引腳仿真，通過修改調試后得到手動調整后的PCB 布線圖，如圖8 所示。

圖8 手動調整后的PCB 布線圖

5 結束語

本文主要介紹了Hyperlynx 軟件在斷路器狀態監測無線節點PCB 設計方面的應用，通過自動生成PCB 布線和手動調整布線比較分析來完成PCB 的布線設計，進一步優化了PCB 板的布局布線，最終得到優化后PCB 板圖，體現了高速PCB 設計方式不同于傳統低速PCB 設計。

本文的不足之處在于分析設計中并未將串擾和信號延遲等信號完整性問題完全解決，只是將其限制在不干擾PCB 電路板的正常運行，有待于進一步完善和改進。

［1］ 李成，程曉宇，畢篤彥，等.基于HyperLynx 的高速DSP 系統信號完整性仿真研究［J］.電子器件，2009，(2):445－451.

［2］ 李廣輝，莊奕琪，曾志斌. 基于信號完整性分析的一種視頻處理系統設計［J］.電子器件，2007，(4):1325－1328.

［3］ 曹燕麗，孟利民.高速電路中傳輸耦合的反射和串擾仿真［J］.杭州電子科技大學學報，2009，(5):96－100.

［4］ 梁龍.基于信號完整性分析的高速PCB 設計［J］.單片機與嵌入式系統應用，2010，(10):12－15.

［5］ 張東，李瓊，秦前清. 基于IBIS 模型的仿真分析在SDRAM 印刷電路板設計中的應用［J］.武漢大學學報，2011，(1):83－87.