6B / 10B Kodlamasına Dayalı RS422 Telemetri İletişim Teknolojisi Araştırması
Yüksek hızlı diferansiyel veri yolu LVDS'nin yaygın olarak kullanıldığı çağda, RS422, yüksek güvenilirliği ve düşük maliyeti nedeniyle hala çeşitli alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır.Birçok olgun ve son halini almış ürün, veri iletimi için hala RS422 arayüzünü benimsemeye ihtiyaç duymaktadır. Örneğin, telemetri sisteminde, RS422'nin anti-parazit yeteneği, LVDS'ninkinden daha iyidir, bu nedenle, düşük hız durumunda, RS422 hala iletişim arayüzü olarak kullanılmaktadır. Normal şartlar altında RS422, UART iletişim protokolü ve kendi elektriksel özellikleriyle sınırlıdır ve çok yüksek bir hıza ulaşamaz.Teorik olarak, maksimum iletim hızı mesafe çok kısa olduğunda 10 Mb / s'ye ulaşabilir, ancak pratik uygulamalarda Bunlar arasında, baud hızı yalnızca 1 Mb / sn'ye ulaşabilir, bu nedenle birçok malzemede izin verilen maksimum baud hızı yalnızca 115,2 Kb / sn ile 916 Kb / sn arasında ulaşabilir. Bazı teknolojiler (DSLC, HDLC, vb. Gibi) RS422'nin iletişim hızını 8 Mb / sn'nin üzerine çıkarabilir, ancak iletişim mesafesi pahasına, iletişim mesafesi yalnızca birkaç metredir. Şu anda piyasada çok sayıda RS422 arayüz çipi bulunmaktadır ve her arayüz çipi 10 Mb / s'lik maksimum iletim oranını karşılayabilir.Bu nedenle, mevcut donanım temelinde iletişim hızının nasıl artırılacağı RS422 uygulaması için büyük önem taşımaktadır.
1 Kapsamlı faktör analizi
RS422'nin iletim hızını etkileyen iki ana faktör vardır.Birincisi, kablonun elektriksel özellikleridir.İdeal durumda, kablonun iletilen sinyal üzerinde herhangi bir etkisi yoktur.Gerçek durum, kablodaki sinyali zayıflatan dağıtılmış direnç ve kapasitanstan etkilenir. Yansıma, diğeri RS422 aktarım protokolünün dezavantajıdır UART protokolü, RS422 iletişim oranını sınırlayan önemli bir faktör olan veri iletişim aralığını artıran seviyeye karar vererek kod çözer. Bu makale hem iletim ortamını hem de iletim yöntemini analiz eder, iletim hızını kısıtlayan ana faktörleri bulur ve mevcut kusurları teknik yöntemlerle iyileştirir, böylece sinyal 30 m kablo üzerinde hatasız 10 Mb / s hızında iletilebilir. .
2 Kablo özellikleri
Kablo yalnızca sinyalleri taşımak ve iletmek için bir ortam değil, aynı zamanda sinyal frekanslarının kalitesini belirlemede önemli bir faktördür. Kabloda, kablonun frekans özellikleri ve kablodaki yansıma, elektrik sinyallerinin yüksek hızda iletimi üzerinde büyük etkiye sahiptir. Bükümlü çiftlerden oluşan kablolar için, kablo zayıflama karakteristiklerinin eşdeğer devre modeli Şekil 1'de gösterilmiştir. Yüksek hızlı sinyallerin iletiminde, bu etkileyen faktörlerin hepsinin frekans fonksiyonları olduğu görülebilmektedir. Seri direnç R (f) ile temsil edilir, seri endüktans L (f) ile temsil edilir, paralel kapasitans C (f) ile temsil edilir ve paralel iletkenlik G (f) ile temsil edilir.
Seri empedansı Z (f) şu şekilde ifade edilebilir:
Bükümlü çift iletim hattı teorisine göre, kayıplı bir iletim hattı olarak, bükümlü çift kablonun toplam zayıflama kaybı iki kısımdan oluşur, biri cilt etkisinin kaybı, cilt kaybı frekansın karekökü ile orantılıdır ve cilt etkisi kablo dağılımını yapar. Direnç artar; bunun bir kısmı, frekansla orantılı olan dielektrik kaybıdır ve bu, frekans arttıkça daha dik bir zayıflamaya yol açar. Her ikisi de frekansın pozitif bir korelasyon fonksiyonu ve kablo uzunluğunun bir fonksiyonudur.Frekans belirli bir değere ulaştığında, kablo uzunluğu arttıkça hat kaybı artar. Bu nedenle, yüksek hızlı iletim sırasında zayıflama kaybının faydalı sinyal iletimi üzerinde büyük bir etkisi vardır. Pratik uygulamalarda kablo empedansının eşit olmayan dağılımı ve alıcı cihazın empedansı ile uyumsuzluğu, sinyalin iletim hattına yansımasına neden olur ki bu da iletim sinyalini etkileyen önemli bir nedendir. Denklemden (3), bükümlü çiftin karakteristik empedansının uzunlukla ilgisi olmayan bir miktar olduğu sonucuna varılabilir, ancak empedans eşleşmediğinde kablo uzunluğunun artması nedeniyle bükümlü çifte yansıyan dalganın süresi artacaktır. Sinyalin iletim kalitesini etkiler.
Kablo frekansı özellikleri ve hat yansıması, uzun hat iletiminde sinyal frekansını belirleyen ana faktörlerdir.Kablo ve UART protokolünün özellikleri dikkate alındığında, teorik olarak, RS422'nin maksimum iletim hızı 10 Mb / sn'dir ve bu, kablonun performansını iyileştirmeye çalışmakla karşılaştırılabilir. Bunun aksine, RS422 arayüzü için uygun olan ve maksimum iletim oranına ulaşmak için mevcut işlemcinin üzerindeki yükü önemli ölçüde artırmayan bir iletişim protokolü tasarlamak en etkili yöntemdir. Bu makale, yaygın yüksek hızlı veriyolu kodlama yöntemlerinden yararlanmakta ve RS422 iletimine uyum sağlayan bir kodlama yöntemi geliştirmektedir.
36B / 10B kodlamaya giriş
Geleneksel 8B / 10B kodlama, 8 bit verileri sırasıyla 3 bit ve 5 bit olmak üzere iki gruba ayırır ve ardından sırasıyla 3 bit ila 4 bit ve 5 bit ila 6 bit eşler. Dengesizlik derecesi kavramı, DC dengesi yapıldığında ortaya konur.Önceki aşama polaritesinin durumu kaydedilerek ve zıt polaritenin veri kodlamasını eşleştirerek, DC dengesi gerçekleştirilir ve kanal bant genişliği kullanımı maksimize edilerek güvenilir veri iletimi sağlanır. DC dengesini sağlamak için, 8B / 10B kodlama, çok fazla mantık gerektiren polariteyi belirlemek için toplam 268 karakter ve karşılık gelen ters çevirme kodunu kullanır. RS422 arayüz iletişiminde, iletim hızı 10 Mb / sn'den yüksek değildir ve AC bağlantı devresi yoktur, bu nedenle, kodlamayı basitleştirmeyi mümkün kılan katı bir DC dengesine ve yüksek iletim verimliliğine gerek yoktur.
Geliştirilmiş 6B / 10B kodlama, geleneksel 8B / 10B kodlamasının basitleştirilmiş bir versiyonudur. 6B / 10B kodlamada, etkili veri aktarım bant genişliği azaltılır, tek seferlik aktarımın etkin veri sayısı 4 bite düşürülür ve iki bayrak eklenir Bit, yüksek 4 bit mi yoksa düşük 4 bit mi olduğunu belirler; aynı zamanda doğrusal blok kodu ileri hata düzeltme (FEC), gruplama ilkesine göre denetim bitini artırmak için kullanılır, denetim formülü aracılığıyla hata konumunu belirlemek için 4 bit denetim biti eklenir , Tam veri hatası düzeltme kontrolü. 6B / 10B kodlamanın her seferinde 10 bit iletmesi gerekir.Doğrusal blok kodların kodlama ilkesine göre, 4 denetim biti kullanmak teorik olarak 16 sendrom kod grubu oluşturabilir ve 10 bitlik veri için 10 sendrom kod grubu gerekir. Analizden sonra, 10 uygun düzeltme kodu ve hata pozisyonu Tablo 1'de gösterilmektedir. Bunlar arasında, S1, S2, S3 ve S4, denetleyici ilişki denklemi ile hesaplanan sendromu temsil eder ve A0 ~ A9 hata pozisyonlarıdır ve sendrom değeri aşağıdaki formülle elde edilebilir:
İletim sırasında bilgi sembolü rastgeledir ve denetim sembolü, denetim formülünden türetilebilir. Denetim formülü aşağıdaki gibidir:
Yukarıdaki analizden sonra, verilerin belirli aktarım formatı Tablo 2'de gösterilmektedir.
Spesifik kodlama kuralı şudur: bir bayt veri iki kez iletilir, önce baytın düşük 4 biti gönderilir ve ikinci olarak baytın yüksek 4 biti gönderilir. 4 bit geçerli veri ve iki bayrak biti belirlendikten sonra (10: düşük 4 bit veri; 11 verinin yüksek 4 biti), iletilen verilerin 10B son 4 biti denetim formülüne göre belirlenebilir. Denetleme formülüne ve kodlama kurallarına göre, verileri iletmek için 64 etkili kod kombinasyonu elde edilebilir 8B / 10B kodlama kurallarına dayanarak, seçilen etkili kod kümeleri 5 ardışık "0" veya "1" kadar düşük olmalıdır. . Karşılaştırma olarak, bayrak bitleri (A9, A8) "10" ve "11" olduğunda, DC dengesi, "00" ve "01" bayrak bitlerine sahip etkin kod grubunun verilerinden daha iyidir. 1 bitlik hata kodlarının fazlalığı dikkate alındığında, geçersiz artık kodlar, alındıklarında geçersiz kodlar olarak değerlendirilir. RS422'nin iletim hızı 10 Mb / sn'den yüksek olmadığından ve AC bağlantı devresi olmadığından, kod grubunun doğrudan uygulanmasının neden olduğu DC olmayan dengenin iletim hızı ve doğruluğu üzerinde büyük bir etkisi yoktur. Geleneksel 8B / 10B kodlama ile karşılaştırıldığında, 6B / 10B kodlama yöntemi, polariteyi belirleme karmaşıklığını azaltır ve mantığı basitleştirir. 4 bitlik etkili verilerin iletimi, belirli bir aktarım hızını azaltır, ancak RS422'nin düşük hızlı iletimi üzerinde hiçbir etkisi yoktur.
4 RS422 iletişiminde kodlama algoritmasının uygulanması
Bilinen gereksinimlere göre bir donanım platformu oluşturun.Bu platform alma ve gönderme işlevini tamamlar ve verileri işleyebilir.İletim modeli Şekil 2'de gösterilmiştir. Sistemdeki ana kontrol çipi XC3S400 FPGA kullanır ve harici bir 40 MHz kristal osilatör iletim hızının saat gereksinimlerini karşılar; RS422 alıcı-verici çipi MAX3295 ve MAX3284 kullanır ve bu tür çip arayüzü tarafından desteklenen maksimum hız, tasarım gereksinimlerini karşılamak için 20 Mb / s'ye ulaşabilir.
FPGA vericisi bir sıfırlama komutu gönderir, sıfırlama komutunu gönderirken kendini sıfırlar ve verileri almaya hazırlanır. Kelime senkronizasyonu ve kaydırma darbeleri göndermeye devam edin ve çerçeve formatına göre her bir kaydırma darbesinin düşen kenarında veri gönderin. Etkili bant genişliği 6B / 10B kodlama kullanılırken 4 bit olduğundan, her bir baytın etkili verisinin iki kez iletilmesi gerekir, verinin düşük 4 bitinin ilk iletimi ve verilerin yüksek 4 bitinin ikinci iletimi. Alıcı uç, sıfırlama komutunu aldıktan sonra sıfırlanır ve ardından kelime senkronizasyon sinyaline göre senkronizasyon işlemini gerçekleştirir ve son olarak kaydırma darbesi sinyaline göre karar verir, verileri kaydırma darbesinin yükselen kenarında alır ve sendromu hesaplar, verileri doğrular ve işlemi kodlama formatına göre gerçekleştirir kod çözme. Aktarım verilerinde bir bit hatası olduğunda, verilerin doğru şekilde alınmasını sağlamak için hatayı otomatik olarak düzeltebilir. Gönderme ve alma süreci Şekil 3'te gösterilmektedir.
5 Veri doğrulama
Teorinin uygulanabilirliğini doğrulamak için, mevcut donanım platformu temelinde eksiksiz bir kapalı döngü test sistemi oluşturuldu. RS422 alıcı-verici kartı, CPCI şasisi ile tasarlanmış ve bağlanmıştır; iletişim için 30 m mesafe iletişim kablosu oluşturulmuştur ve ilgili üst bilgisayar yazılımı, gerçek zamanlı veri depolama ve analizini gerçekleştirmek için yazılmıştır. Gönderici, alıcıya 10 Mb / s'de artan bir sayı gönderir Artımlı sayının içeriği 00H ~ FFH'dir ve paketin kaybolup kaybolmadığını belirlemek için çerçeve sayısı arttırılır ve bir veri çerçevesinin yargılanmasını kolaylaştırmak için çerçeve bayrağı artırılır. Alıcı uç verileri alır ve verileri analiz eder ve işler ve alınan 1 GB'lık veri kapasitesi içinde hata yoktur. Şekil 4, test sonuçlarının ekran görüntüsüdür. Yukarıdaki süreci 100 test verisinde tekrar ederek, veriler eksiksiz ve hatasızdır ve tasarımın uygulanabilirliğini doğrular.
6. Sonuç
Bu makale, RS422'nin iletim mesafesini ve hızını kısıtlayan faktörleri analiz etmektedir.Orijinal donanımın değiştirilmemesi temelinde, kablo performansının iyileştirilmesinde teknik ve teknolojik zorluklar olduğu ve sinyal iletim modunun değiştirilmesinin basit ve kolay olduğu analizler sonucunda bulunmuştur. nın-nin. Yüksek hızlı iletim veriyolunun kodlama yöntemine atıfta bulunularak, RS422 iletimi için uygun bir kodlama yöntemi önerilmiş ve 8B / 10B geliştirilmiş versiyonunun 6B / 10B kodlama yöntemi benimsenmiştir. Bu yöntem, 8B / 10B'deki hantal DC balans eşleşmesini ortadan kaldırır, kod sayısı azdır ve kod tablosu benzersizdir, bir dereceye kadar verilerin DC dengesi sağlanır ve işlemci üzerindeki yük azaltılır; ileri hata düzeltme işlevi eklenir. Güvenilir veri iletimini sağlamak için bir hata bitini otomatik olarak düzeltin; veri 6B'den 10B'ye eşlenir, bu da seviye atlamasını artırır, bu da işlemcinin veri bilgilerini daha hızlı tanımlamasını sağlar ve böylece veri aktarım hızını artırır. Çok sayıda deneyden sonra kodlama yöntemi basit ve güvenilirdir.30 m bükümlü çift kabloda uzun süre hatasız 10 Mb / sn hızında veri iletebilir Projede RS422 arayüz verisinin verim oranı iyileştirilmiştir. , İyi bir uygulama etkisi elde etmek için. 6B / 10B kodlama, DC denge özelliklerine sahip olduğu için, aynı zamanda düşük-orta hızlı LVDS iletimi için de uygundur ve ayrıca LVDS aktarım mantığının basitleştirilmesi için referans önemine sahiptir.
Referanslar
Hu Bo, Xing Guangyi, Wang Rui.RS422 / 485 seri arayüz veri çıkışını artırma teknolojisi üzerine araştırma. Endüstriyel kontrol bilgisayarı, 2017, 30 (11): 30-31.
Fang Wei, Ren Yongfeng, Chu Chengqun, vb. Düşük voltajlı diferansiyel sinyal uzun mesafe iletişim kablosu parametre tahmini Bilim Teknolojisi ve Mühendisliği, 2018, 18 (19): 209-212.
Liu Jianing, Wen Feng, Wang Shuqin, vb. LVDS'ye dayalı yüksek güvenilirlikli uzun hat iletim tasarımı Elektronik Cihazlar, 2017, 40 (5): 1209-1213.
Zhao Junjiang, Zhang Huixin. Yüksek hızlı ve büyük kapasiteli bir görüntü depolama aygıtının temel teknolojisi üzerine araştırma. Modern Elektronik Teknolojisi, 2017, 40 (12): 144-147, 151.
Qiu Yongcheng, Xie Rongqing, Guo Yi.Çift CPCI Veriyoluna Dayalı Sismik Veri Toplama Arayüz Kartının Tasarımı Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2017, 43 (5): 102-105.
Li Jian, Liu Xinliu. Yüksek kare hızlı video izleyicide hedef ikincil çıkarma yönteminin uygulanması. Ordnance Equipment Engineering Journal, 2017, 38 (6): 66-69.
Li Xiaru, Wang Huizhong, Jiang Zhoushu, ve diğerleri.Analog verici ve kontrol cihazının RS422 iletişim ünitesinin güvenilirlik tasarımı üzerine araştırma.Ölçüm ve Kontrol Teknolojisi, 2018, 37 (8): 107-110, 116.
Lu Ming, Teng Bin. Bir hava taşıtı havadan veri röle yönetim biriminin tasarımı ve uygulaması. Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2018, 44 (6): 52-55.
Guo Jiaxin, Shan Yanhu, Ren Yongfeng ve diğerleri.RS422 / RS485 iletişiminin güvenilirliğini artırmaya yönelik bir yöntem üzerinde araştırma. Bilim Teknolojisi ve Mühendisliği, 2017, 17 (9): 206-213.
yazar bilgileri:
Ren Yongfeng, Wang Xiaobing, Zhang Kaihua
(Enstrüman Bilimi ve Dinamik Test Anahtar Laboratuvarı, Eğitim Bakanlığı, Çin Kuzey Üniversitesi, Taiyuan, Shanxi 030051)
