CN107608469B - 一种lvds高速通信背板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LVDS高速通信背板，所述通信背板上设有主控制器连接器Ⅰ、主控制器连接器Ⅱ、电源输入连接器Ⅰ、电源输入连接器Ⅱ、多个功能模块连接器、多个输入输出连接器；功能模块连接器与输入输出连接器一一对应，主控制器连接器与电源输入连接器之间、功能模块连接器与输入输出连接器之间均通过穿墙连接器连接；通信背板上设有：2个电源输入接口、2个主控制器接口、多个信号输入输出接口、多个功能模块接口，解决通信背板在核电厂数字化仪控系统应用中的不足，支持高速通信能力并且需要满足多种系统逻辑架构，能够降低控制系统的成本，更重要的是提高系统的适用性。

Description

一种LVDS高速通信背板

技术领域

本发明涉及核电厂数字化仪控领域，具体地，涉及一种LVDS高速通信背板。

背景技术

在工业控制系统中机箱设备常采用多功能模块配合通信背板的实现方式。而这种实现方式中通信背作为连接各功能模块的桥梁，因此，通信背板的好坏直接影响整个控制系统的性能。随着通信技术的快速发展，目前通信背板在高速度(高带宽)，高可靠性，低成本，低误码率等方面的问题都已得到了良好的解决。如发明专利“201220540760.8”《高速通信背APSB》其传输速率可达12.5Gbps以上。然而，在越来越多的控制系统设计中，根据整个控制系统的可靠性要求的高低，提出了不同的系统逻辑架构，如“二取一”等。这促使在通信背的设计中不但需要满足之前高速的数据传输率要求，还需要其能够满足一定的系统逻辑架构。在核电厂数字化仪控系统中，一种控制系统根据其控制的对象不同其可靠性要求也存在差异，从而其需要满足的系统逻辑架构也就不一样。因此，根据目前背的设计方式，为满足一种核电厂数字化仪控系统的应用要求，一种控制系统需配备多种类型的通信背。

发明内容

本发明提供了一种LVDS高速通信背板，解决上述问题通信背板在核电厂数字化仪控系统应用中的不足，支持高速通信能力并且需要满足多种系统逻辑架构，能够降低控制系统的成本，更重要的是提高系统的适用性。

为实现上述发明目的，本申请提供了一种LVDS高速通信背板，所述通信背板上设有主控制器连接器Ⅰ、主控制器连接器Ⅱ、电源输入连接器Ⅰ、电源输入连接器Ⅱ、多个功能模块连接器、多个输入输出连接器；功能模块连接器与输入输出连接器一一对应，主控制器连接器与电源输入连接器之间、功能模块连接器与输入输出连接器之间均通过穿墙连接器连接；通信背板上设有：2个电源输入接口、2个主控制器接口、多个信号输入输出接口、多个功能模块接口。

进一步的，通信背板通过电源输入连接器Ⅰ和电源输入连接器Ⅱ从外部引入两路直流电源，通过PCB布线将两路电源分别分配至2个主控制器连接器和多个功能模块连接器的相同管脚上。

进一步的，通信背板上设有拨码开关与通信背板上安装的模块配合完成模块槽位号、机箱号、控制站站号识别。

进一步的，主控制器连接器Ⅰ和主控制器连接器Ⅱ分别定义有14对LVDS信号接口；其中，12对LVDS信号接口用于主控制器连接器与12个功能模块连接器之间的通信链路，其余2对LVDS信号接口用于2主控制器连接器之间的通信链路；

各功能模块连接器定义有3对LVDS信号接口分别记为Ⅰ#LVDS信号接口、Ⅱ#LVDS信号接口、Ⅲ#LVDS信号接口；其中，Ⅲ#LVDS接口用于相邻功能模块连接器之间的通信链路，Ⅰ#、Ⅱ#LVDS接口分别用于主控制器连接器Ⅰ、Ⅱ之间的通信链路，并且奇数功能模块连接器的Ⅰ#LVDS接口与主控制器连接器Ⅰ相连，Ⅱ#LVDS接口与主控制器连接器Ⅱ相连；偶数功能模块连接器的Ⅰ#LVDS接口与主控制器连接器Ⅱ相连，Ⅱ#LVDS接口与主控制器连接器Ⅰ相连。

进一步的，当核电厂数字化仪控系统的系统逻辑架构为单配置通信架构时：

通信背板主控制器连接器Ⅰ和主控制器连接器Ⅱ中只有一个连接器被使用，另外一个连接器不连接任何模块；当仅使用主控制器连接器Ⅰ时，主控制器连接器Ⅰ与奇数功能模块连接器上Ⅰ#LVDS接口和偶数功能模块连接器上Ⅱ#LVDS接口通信链路处于活跃状态；当仅使用主控制器连接器Ⅱ时，主控制器连接器Ⅱ与奇数功能模块连接器上Ⅱ#LVDS接口和偶数功能模块连接器上Ⅰ#LVDS接口通信链路处于活跃状态。

进一步的，当核电厂数字化仪控系统的系统逻辑架构为从热备冗余通信架构时：

主控制器连接器Ⅰ和主控制器连接器Ⅱ同时使用，且通信背中所有LVDS接口通信链路处于活跃状态；同时主控制器连接器Ⅰ和主控制器连接器Ⅱ之间通过数据交互通道进行主机或从机的切换以满足热备冗余的需求。

进一步的，当核电厂数字化仪控系统的系统逻辑架构为1oo2D通信架构时：

主控制器连接器Ⅰ和主控制器连接器Ⅱ同时使用，主控制器连接器Ⅰ与奇数功能模块连接器之间的通信链路、主控制器连接器Ⅱ与偶数功能模块连接器之间的通信链路均处于活跃状态。

进一步的，通信背板上功能模块供电、通信、槽位号识别所使用的连接器管脚定义相同。

进一步的，主控制器连接器的TX±连接到对应功能模块连接器RX±。

进一步的，通信背板各个连接器的对外接口连接器为三种类型的CPCI穿墙连接器，三种类型的CPCI穿墙连接器连接针长度不同，分别为：长针、中针、短针；三种针的网络分别定义为：电源信号、通信互连信号、插入或拔出检测信号；各个模块插入的过程中，长针、中针、短针依次与通信背板接触上电，拔出过程相反。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本申请中的LVDS高速通信背板完成为模块供电，为功能模块提供信号输入输出接口，提供槽位号、机箱号、控制站站号识别功能，完成模块与模块之间高速通信，在实际测试中差分眼图信号质量良好，信号完整性设计优良，模块与模块长时间通信测试中无丢包，通信残余错误率控制在10^-9/h以内。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1是通信背板组成连接示意图；

图2是输入输出连接器与功能模块连接器连接示意图；

图3是槽位号、机箱号、站号识别实现方式示意图；

图4通信背通信原理框图；

图5通信背连接关系。

具体实施方式

本发明提供了一种LVDS高速通信背板，解决上述问题通信背板在核电厂数字化仪控系统应用中的不足，支持高速通信能力并且需要满足多种系统逻辑架构，能够降低控制系统的成本，更重要的是提高系统的适用性。

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明提供一种既满足高速率通信能力的需求又支持核电厂数字化仪控系统中常用的“单配置”、“二取一”、“热备”三种系统逻辑架构的通信背板。其主要由电源输入接口(2个)、信号输入输出接口(12个)、主控制器接口(2个)、功能模块接口(12个)组成。主控制器连接器Ⅰ、Ⅱ与电源输入连接器Ⅰ、Ⅱ；功能模块连接器Ⅱ-Ⅻ与输入输出连接器Ⅱ-Ⅻ分别通过穿墙连接器连接。各组成部分连接示意图如图1所示。

一种LVDS高速通信背板具有如下功能：

1、为连接于背板上的模块供电；

通信背本身为无源模块，其通过电源输入连接器Ⅰ和电源输入连接器Ⅱ可从外部引入两路直流电源。然后通信背通过PCB布线将这两路电源分别分配至2个主控制器连接器和12个功能模块连接器的相同管脚上，从而为连接于通信背上的模块提供电源输入。两路直流电源中，当一路出现故障时，另外一路电源可接替其正常工作。这中设计提高了系统的安全性和可靠性。

2、为功能模块提供信号输入输出接口；

通信背每个功能模块连接器均与一个输入输出连接器通过穿墙型连接器连接，如图2所示。因此，连接于功能模块连接器的模块，其输入输出信号被转接至输入输出信号连接器。这使得为测试或给输入输出模块加载信号更加便捷，提高了系统的可操作性和实用性。插座固定在面板(即墙)上并穿过面板的连接器。

3、背板上拨码开关与模块配合完成模块槽位号、机箱号、控制站站号识别功能；

本发明在背上采用可选择下拉(通过拨码开关选择是否下拉)设计，结合模块上的上拉设计可实现对插接于背上的模块所处槽位号、机箱号、控制站站号的识别功能。拨码开关(也叫DIP开关，拨动开关，超频开关，地址开关，拨拉开关，数码开关，指拨开关)是一款用来操作控制的地址开关，采用的是0/1的二进制编码原理。通俗的说也就是一款能用手拨动的微型的开关。

4、完成模块与模块之间的高速通信功能。

本发明高速通信实现方式采用LVDS技术来设计槽位之间的通信链路。由于LVDS摆幅低，因而切换速度快，适合高速传送。而为达到能够支持核电厂常用系统逻辑架构的目的。通信背采用如下实现方式：

通信背通信原理框图如图4所示。主控制器连接器Ⅰ和主控制器连接器Ⅱ分别定义有14对LVDS信号接口。其中12对用于主控制器连接器与12个功能模块连接器之间的通信链路，其余2对用于2主控制器连接器之间的通信链路。各功能模块连接器定义有3对LVDS信号接口分别记为Ⅰ#、Ⅱ#、Ⅲ#。其中Ⅲ#LVDS接口用于相邻功能模块连接器之间的通信链路，Ⅰ#、Ⅱ#LVDS接口分别用于主控制器连接器Ⅰ、Ⅱ之间的通信链路，而且奇数功能模块连接器的Ⅰ#LVDS接口与主控制器连接器Ⅰ相连，Ⅱ#LVDS接口与主控制器连接器Ⅱ相连；偶数功能模块连接器的Ⅰ#LVDS接口与主控制器连接器Ⅱ相连，Ⅱ#LVDS接口与主控制器连接器Ⅰ相连。通信背连接关系如图5所示。

核电厂数字化仪控系统常用系统逻辑架构有单配置、主从热备冗余、1oo2D通信架构。针对三种常用架构本发明实现原理如下：

选择单配置通信架构时，通信背主控制器连接器Ⅰ和主控制器连接器Ⅱ只有其中一个连接器被使用，另外一个连接器不连接任何模块。当仅有使用主控制器连接器Ⅰ时，主控制器连接器Ⅰ与奇数功能模块连接器上Ⅰ#LVDS接口和偶数功能模块连接器上Ⅱ#LVDS接口通信链路处于活跃状态。当仅有使用主控制器连接器Ⅱ时，主控制器连接器Ⅱ与奇数功能模块连接器上Ⅱ#LVDS接口和偶数功能模块连接器上Ⅰ#LVDS接口通信链路处于活跃状态。

选择主从热备冗余通信架构时，主控制器连接器Ⅰ和主控制器连接器Ⅱ同时使用，且通信背中所有LVDS接口通信链路处于活跃状态。同时主控制器连接器Ⅰ和主控制器连接器Ⅱ之间通过数据交互通道可随时进行主机或从机的切换以满足热备冗余的需求。

选择1oo2D通信架构时，主控制器连接器Ⅰ和主控制器连接器Ⅱ同时使用，但此种通信架构情况下，主控制器连接器Ⅰ与奇数功能模块连接器之间的通信链路主控制器连接器Ⅱ与偶数功能模块连接器之间的通信链路处于活跃状态。

除上述特点之外，为提高系统一致性和模块通用性，实现不同功能模块在各功能模块连接器位置的任意连接，每张功能模块供电、通信、槽位号识别所使用的连接器管脚定义相同，所有的LVDS信号走线在背上作交叉，即主控制器连接器的TX±连接到对应功能模块连接器RX±，主控制器连接器的RX±连接到对应功能模块连接器的TX±，这种交叉连接方式能在保证系统可灵活配置的前提下以最少的代价实现模块间的一致性和可靠性，并提高插模块的兼容性。

本方法选用具有长针、中针和短针三种类型的CPCI穿墙连接器作为通信背各个连接器的对外接口连接器，将这三种针的网络分别定义为电源(地)信号、通信互连信号、插入(或拔出)检测信号。各个模块插入的过程中，长针最先与背板接触上电，然后是中针，最后是短针，拔出过程则正好相反，这样就能够通过判断短针的信号状态来判别模块的状态，并作为开启或断开通信的控制开关，从而避免接收错误信息带来的误触发，完成模块的热插拔功能。同时本方法对LVDS信号进行了良好的屏蔽，所有LVDS信号管脚旁边相邻管脚都被定义为地(GND)信号，确保LVDS信号及其回流信号组成的面积最小，提高抗EMI能力，也减少对外辐射。同时电源信号的针脚位置定义都充分考虑到了各电源纹波和噪声的影响，将纹波和噪声较大的电源信号定义在远离关键信号的长针上，同时就近定义其附近的长针管脚为地。

本发明通过优化PCB板的叠层和走线，极大的减小了反射、串扰和时序等信号完整性问题。

图3示意了背各主控制器连接器与各功能模块连接器和各主控制器连接器以及相邻奇偶功能模块连接器之间的通信链路连接关系。

本发明LVDS高速通信背主要用作核电厂数字化仪控系统中主控制器模块和各个功能模块的通信通道，并为各个模块供电，同时为各功能模块提供信号输入输出转接口。

通信背上共有14个模块连接器，其中主控制器连接器Ⅰ、Ⅱ只能连接“主控制器模块”或“扩展模块”，12个功能模块连接器可任意连接通信模块、数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块等不同的功能模块。

本发明中的LVDS高速通信背，用于核电厂数字化仪控系统实现机箱中各功能模块与主控制器模块之间点对点通信、模块供电、模块信号输入输出等功能，其LVDS信号的摆幅低、噪声小、速率高、传输距离远、抗干扰能力强使得复杂的系统具很高的可靠性及可用性，再考虑到信号完整性设计，使得整个通信系统的丢包数、误码率在可接受范围之内，适合在核电厂数字化仪控系统领域使用。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种LVDS高速通信背板，其特征在于，所述通信背板上设有主控制器连接器Ⅰ、主控制器连接器Ⅱ、电源输入连接器Ⅰ、电源输入连接器Ⅱ、多个功能模块连接器、多个输入输出连接器；功能模块连接器与输入输出连接器一一对应，主控制器连接器与电源输入连接器之间、功能模块连接器与输入输出连接器之间均通过穿墙连接器连接；通信背板上设有：2个电源输入接口、2个主控制器接口、多个信号输入输出接口、多个功能模块接口；

主控制器连接器Ⅰ和主控制器连接器Ⅱ分别定义有14对LVDS信号接口；其中，12对LVDS信号接口用于主控制器连接器与12个功能模块连接器之间的通信链路，其余2对LVDS信号接口用于2主控制器连接器之间的通信链路；

各功能模块连接器定义有3对LVDS信号接口分别记为Ⅰ#LVDS信号接口、Ⅱ#LVDS信号接口、Ⅲ#LVDS信号接口；其中，Ⅲ#LVDS接口用于相邻功能模块连接器之间的通信链路，Ⅰ#、Ⅱ#LVDS接口分别用于主控制器连接器Ⅰ、Ⅱ之间的通信链路，并且奇数功能模块连接器的Ⅰ#LVDS接口与主控制器连接器Ⅰ相连，Ⅱ#LVDS接口与主控制器连接器Ⅱ相连；偶数功能模块连接器的Ⅰ#LVDS接口与主控制器连接器Ⅱ相连，Ⅱ#LVDS接口与主控制器连接器Ⅰ相连；

当核电厂数字化仪控系统的系统逻辑架构为单配置通信架构时：

通信背板主控制器连接器Ⅰ和主控制器连接器Ⅱ中只有一个连接器被使用，另外一个连接器不连接任何模块；当仅使用主控制器连接器Ⅰ时，主控制器连接器Ⅰ与奇数功能模块连接器上Ⅰ#LVDS接口和偶数功能模块连接器上Ⅱ#LVDS接口通信链路处于活跃状态；当仅使用主控制器连接器Ⅱ时，主控制器连接器Ⅱ与奇数功能模块连接器上Ⅱ#LVDS接口和偶数功能模块连接器上Ⅰ#LVDS接口通信链路处于活跃状态；

当核电厂数字化仪控系统的系统逻辑架构为从热备冗余通信架构时：

主控制器连接器Ⅰ和主控制器连接器Ⅱ同时使用，且通信背中所有LVDS接口通信链路处于活跃状态；同时主控制器连接器Ⅰ和主控制器连接器Ⅱ之间通过数据交互通道进行主机或从机的切换以满足热备冗余的需求；

当核电厂数字化仪控系统的系统逻辑架构为1oo2D通信架构时：

主控制器连接器Ⅰ和主控制器连接器Ⅱ同时使用，主控制器连接器Ⅰ与奇数功能模块连接器之间的通信链路、主控制器连接器Ⅱ与偶数功能模块连接器之间的通信链路均处于活跃状态。

2.根据权利要求1所述的LVDS高速通信背板，其特征在于，通信背板通过电源输入连接器Ⅰ和电源输入连接器Ⅱ从外部引入两路直流电源，通过PCB布线将两路电源分别分配至2个主控制器连接器和多个功能模块连接器的相同管脚上。

3.根据权利要求1所述的LVDS高速通信背板，其特征在于，通信背板上设有拨码开关与通信背板上安装的模块配合完成模块槽位号、机箱号、控制站站号识别。

4.根据权利要求1所述的LVDS高速通信背板，其特征在于，通信背板上功能模块供电、通信、槽位号识别所使用的连接器管脚定义相同。

5.根据权利要求1所述的LVDS高速通信背板，其特征在于，主控制器连接器的TX±连接到对应功能模块连接器RX±。

6.根据权利要求1所述的LVDS高速通信背板，其特征在于，通信背板各个连接器的对外接口连接器为三种类型的CPCI穿墙连接器，三种类型的CPCI穿墙连接器连接针长度不同，分别为长度依次递减的：第一针、第二针、第三针；三种针的网络分别定义为：电源信号、通信互连信号、插入或拔出检测信号；各个模块插入的过程中，第一针、第二针、第三针依次与通信背板接触上电，拔出过程相反。