基于HyperLynx 的断路器状态监测无线节点PCB 设计

许运飞，吴明赞 ，李 竹

(南京理工大学自动化学院，南京210094)

随着GPRS 等多种无线通信技术的普遍使用，断路器的无线状态监测比以往有线方式的状态监测具有成本低、可靠性高、灵活性强等优点。无线监测节点设计中PCB 板设计问题成为主要的难点，主要是由于ARM 芯片核心频率的提高，以及高频无线通信技术的使用，PCB 板设计的信号完整性和干扰问题越来越严重［1］。本文将高速PCB 设计理论方案应用于断路器的状态监测无线节点PCB 设计中，以ARM 芯片组成的PCB 设计为主要研究对象。

1 无线监测节点原理介绍

本文设计的断路器状态监测无线节点主要是由ARM 和GPRS 模块组成的，实现断路器状态无线监测的功能，断路器状态监测无线节点原理框图如图1。

图1 断路器状态监测无线节点原理框图

ARM 芯片选用的是三星的S3C2440 芯片，自带的AD 转换接口AIN0 接收传感器模拟信号(断路器状态监测信息)，将该信息存储于SDRAM 中，并通过串行接口将数据发送给GPRS 模块，然后通过Internet网络发送至远程监控中心。GPRS 模块选用的是西门子MC55 模块，它提供了一个串行通信口，作为与ARM 微控制器的通信接口。ARM 微控制器主要通过串行口发送AT 指令来控制GPRS 模块，同时GPRS模块通过该接口向ARM 微控制器发送数据。采用ARM 微控制器的一个I/O 引脚GPB0，通过软件延时方式产生低电平信号进行启动和控制GPRS 模块。

2 自动生成PCB 布线的仿真分析

本文将自动生成的由ARM 芯片组成的核心PCB板在HyperLynx 软件中进行Boardsim 仿真［2］，如图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，以其中数据信号PDATA［24］引脚为例进行仿真，得到仿真波形图如图3 所示，性能参数仿真结果如表1。

图2 自动生成的PCB 布线仿真文件图

图3 自动生成的PCB 布线仿真波形图

表1 自动生成的PCB 布线仿真结果

3 手动布线PCB 的仿真分析

手动调整PCB 布线参数主要通过使用Linesim针对高速PCB 中一些基本参数进行仿真分析后调整，如PCB 布线的厚度、宽度、板层介质的介电常数，以及传输线阻抗匹配端接。这些参数调整可以使用层叠编辑器来改变制板材料的Er、层间距离、布线层厚度，实现手动调整PCB 布线的设计。

3.1 手动调整PCB 板参数

使用Linesim 进行串扰仿真分析得到可调整的PCB 布线参数主要有耦合区域宽度、线宽、线距、与参考层的距离。通过调整这些参数，可以将PCB 布线产生的串扰现象和信号完整性问题得到解决或者抑制［4］。

利用S3C2440 芯片的IBIS 模型，在Linesim 中建立一组基本的待测串扰的传输线模型，如图4 所示，得到的仿真波形如图5(a)所示。

图4 耦合区域长度为1 in 的传输线串扰仿真模型图

显然，由图5(a)可以看出串扰现象明显，产生了明显的抖动，经过手动调整参数后再仿真得到仿真波形图如图5(b)所示，串扰现象和传输延迟现象有明显改善。手动调整参数结果如表2 所示。

表2 手动调整PCB 布线参数结果

图5

由表2 得到调整PCB 后的参数结果如下:线宽为4 mil，线距为14 mil，信号层与参考层之间的距离为6 mil，信号层与信号层之间的距离为14 mil，这样尽可能避免了串扰的发生，并且使布线间距参数满足3 W 规则［5］。

图6 手动布线PCB 仿真文件图

3.2 手动布线调整后PCB 板仿真分析

进行上述各项参数以及布线路径调整后，对该PCB 板再进行Boardsim 仿真，同样以其中数据信号PDATA［24］引脚为例进行仿真，得到仿真结果如图7 所示，仿真参数结果如表3。

图7 手动布线PCB 仿真波形图

表3 手动布线PCB 仿真结果

4 两种布线方式比较分析

如表4 所示，通过对两种方式布线仿真结果比较可以得出，自动生成PCB 布线的传输信号延迟性比手动布线的延迟性稍好，但传输线阻抗匹配问题比较严重;自动生成PCB 布线产生的振铃现象很明显，而手动布线产生的振铃现象得到控制;自动布线产生的近端串扰振幅达到1 000 mV，而手动布线产生的振幅约为400 mV，远小于1 000 mV，远端串扰也得到改善，满足了要求。可见，手动调整后的PCB布线优于自动生成的PCB 布线设计。

表4 两种布线仿真结果比较

最后分别对芯片的每个引脚仿真，通过修改调试后得到手动调整后的PCB 布线图，如图8 所示。

图8 手动调整后的PCB 布线图

5 结束语

本文主要介绍了Hyperlynx 软件在断路器状态监测无线节点PCB 设计方面的应用，通过自动生成PCB 布线和手动调整布线比较分析来完成PCB 的布线设计，进一步优化了PCB 板的布局布线，最终得到优化后PCB 板图，体现了高速PCB 设计方式不同于传统低速PCB 设计。

本文的不足之处在于分析设计中并未将串扰和信号延迟等信号完整性问题完全解决，只是将其限制在不干扰PCB 电路板的正常运行，有待于进一步完善和改进。

［1］ 李成，程晓宇，毕笃彦，等.基于HyperLynx 的高速DSP 系统信号完整性仿真研究［J］.电子器件，2009，(2):445－451.

［2］ 李广辉，庄奕琪，曾志斌. 基于信号完整性分析的一种视频处理系统设计［J］.电子器件，2007，(4):1325－1328.

［3］ 曹燕丽，孟利民.高速电路中传输耦合的反射和串扰仿真［J］.杭州电子科技大学学报，2009，(5):96－100.

［4］ 梁龙.基于信号完整性分析的高速PCB 设计［J］.单片机与嵌入式系统应用，2010，(10):12－15.

［5］ 张东，李琼，秦前清. 基于IBIS 模型的仿真分析在SDRAM 印刷电路板设计中的应用［J］.武汉大学学报，2011，(1):83－87.