THine Value 针对工业用途的环状网络方案--易于使用的8B10B串行收发器新的适用方法
2021.01.20
- 文章
- 专栏
「可广泛应用且易于使用的串行收发器」——这是THine Electronics于 2019 年 11 月推出的收发器IC--「THCS251」时的宣传语。该产品也被称为「8B10B收发器」。
这款收发器IC将Transmitter（发送器）与Receiver（接收器）整合在单一芯片中。在主端与从端各配置一个收发器IC，并以两组差动线将两者连接。将这两组差动线路分別作为Uplink（上行）与Downlink（下行）使用，即可实现全双工通信（图1）。
图1 使用THCS251的点对点传输系统
最大的特色正如其宣传语所说，就是「可广泛应用且易于使用」。这款收发器IC配备了35 bit的并行输入/输出（I/O）端子。在主端，将要传输的数据输入至这些并行I/O 端子；例如12 bit的影像信号或低速控制信号等。接着，内置的并串行转换器（8B10B 编码电路）会自动将输入的数据序列化，并通过一组差动线路进行传输。另一方面，在从端，接收到的数据会由解串器（8B10B解码电路）自动还原成原始数据，再分割成影像信号、控制信号等；并通过并行I/O 端子输出。
也就是说，使用者需要进行的工作，基本上就只有设定端子而已，完全不需要进行任何软件开发。而且所需使用的元件只有分別安裝在主端与从端电路板上的两颗收发器IC，不需要其他 IC。
除此之外，THine Electronics之所以说「可广泛应用且易于使用」，还有其他原因。那就是非常容易实现无线通信化或光通信化。只要在主端的收发器IC后方以及接收器端的收发器IC 前方连接光收发器模组，就可以实现光通信。正如只要连接短距离无线装置，就能简单地满足「希望构建能与可拆卸模组进行数据通信的系统」、「希望构建通过无线化大幅降低维护工时的系统」等需求。
这款收发器IC将Transmitter（发送器）与Receiver（接收器）整合在单一芯片中。在主端与从端各配置一个收发器IC，并以两组差动线将两者连接。将这两组差动线路分別作为Uplink（上行）与Downlink（下行）使用，即可实现全双工通信（图1）。
图1 使用THCS251的点对点传输系统
最大的特色正如其宣传语所说，就是「可广泛应用且易于使用」。这款收发器IC配备了35 bit的并行输入/输出（I/O）端子。在主端，将要传输的数据输入至这些并行I/O 端子；例如12 bit的影像信号或低速控制信号等。接着，内置的并串行转换器（8B10B 编码电路）会自动将输入的数据序列化，并通过一组差动线路进行传输。另一方面，在从端，接收到的数据会由解串器（8B10B解码电路）自动还原成原始数据，再分割成影像信号、控制信号等；并通过并行I/O 端子输出。
也就是说，使用者需要进行的工作，基本上就只有设定端子而已，完全不需要进行任何软件开发。而且所需使用的元件只有分別安裝在主端与从端电路板上的两颗收发器IC，不需要其他 IC。
除此之外，THine Electronics之所以说「可广泛应用且易于使用」，还有其他原因。那就是非常容易实现无线通信化或光通信化。只要在主端的收发器IC后方以及接收器端的收发器IC 前方连接光收发器模组，就可以实现光通信。正如只要连接短距离无线装置，就能简单地满足「希望构建能与可拆卸模组进行数据通信的系统」、「希望构建通过无线化大幅降低维护工时的系统」等需求。
环状网路构建的探讨
使用收发器IC「THCS251」，就能简单地实现连接两个节点的高速数据传输，也就是「点对点（Peer to Peer）连接」。例如，若使用 THCS251 将连接电脑的主板与装载相机的机器人上连接的从板进行点对点连接，就能简单做到一边在电脑上观看相机拍摄的影像一边控制机器人。
然而，使用这款收发器IC 所能实现的通信（网络）构造并不只有点对点连接。事实上，也可以构建环状网络。THine已经完成了一套由1块主板与5块从板所组成的环状网络开发（图 2）。
环状网络的具体构建方法如下：主板与从板上各装载一颗收发器IC。从主板输出的数据，会像接力赛里传递接力棒一样，依序通过 5 块从板，最后再返回主板。在各个从板上所装载的收发器IC会将接收到的数据从并行I/O 端子输出至电路板；同时再将该数据重新输入并行I/O 端子，并传送至相邻的从板，就这样构建出环状网络。
这里可能有人会对主板与从板之间的差异感到疑惑。实际上，主板与从板上都装载了收发器IC，在这一点上两者并沒有差异；差別在于时钟信号。THCS251除了可以由外部提供的时钟信号驱动之外，也可以由IC内部整合的振荡器所产生的时钟信号驱动。在我们所开发的环状网络中，采用的是以内部时钟信号驱动的方式，并将主板的收发器IC所产生的内部时钟信号分配至各个从板。也就是说，装载能在内部产生时钟信号的收发器IC的电路板就是主板；而被分配了该时钟信号的电路板则是从板。
然而，使用这款收发器IC 所能实现的通信（网络）构造并不只有点对点连接。事实上，也可以构建环状网络。THine已经完成了一套由1块主板与5块从板所组成的环状网络开发（图 2）。
图2 环状网络的构成
环状网络的具体构建方法如下：主板与从板上各装载一颗收发器IC。从主板输出的数据，会像接力赛里传递接力棒一样，依序通过 5 块从板，最后再返回主板。在各个从板上所装载的收发器IC会将接收到的数据从并行I/O 端子输出至电路板；同时再将该数据重新输入并行I/O 端子，并传送至相邻的从板，就这样构建出环状网络。
这里可能有人会对主板与从板之间的差异感到疑惑。实际上，主板与从板上都装载了收发器IC，在这一点上两者并沒有差异；差別在于时钟信号。THCS251除了可以由外部提供的时钟信号驱动之外，也可以由IC内部整合的振荡器所产生的时钟信号驱动。在我们所开发的环状网络中，采用的是以内部时钟信号驱动的方式，并将主板的收发器IC所产生的内部时钟信号分配至各个从板。也就是说，装载能在内部产生时钟信号的收发器IC的电路板就是主板；而被分配了该时钟信号的电路板则是从板。
最多可连接8块从板
环状网络的传输距离最远可达5m；而可连接的从板数量最多可以达到8块左右。
之所以会产生这些限制，原因在于时钟信号。也就是说，在各个从板的收发器IC种反复进行序列化与反序列化处理的过程中，时钟信号的偏差成分会逐渐累积。这就限制了传输距离以及可连接的从板数量。因此，如果利用能消除偏差成分的清除功能，就能大幅延长传输距离。然而这次采用的收发器IC并未装载清除功能。
这次开发的环状网络是以20MHz的内部时钟信号驱动。由于在向相邻电路板传输数据时，位元宽度为18bit，因此实际传输速度为20MHz×18bit=360Mbit/秒。各电路板之间只需使用microUSB连接器与一条USB线即可连接。由于USB线内包含一组差动线、电源线以及接地线，因此主板不需要另外从外部供电。
至于实际传输速度，也可以通过选择最高80MHz的内部时钟频率，或利用外部时钟信号以最高133.3MHz运作来进一步提高。但在这种情况下，不仅在线缆与连接器的选择上需要进行技术性的考量，同时也会因为上述的偏差累积等原因，对可连接的从板最大数量产生限制。这一点也是现行收发器IC所面临的课题。
之所以会产生这些限制，原因在于时钟信号。也就是说，在各个从板的收发器IC种反复进行序列化与反序列化处理的过程中，时钟信号的偏差成分会逐渐累积。这就限制了传输距离以及可连接的从板数量。因此，如果利用能消除偏差成分的清除功能，就能大幅延长传输距离。然而这次采用的收发器IC并未装载清除功能。
这次开发的环状网络是以20MHz的内部时钟信号驱动。由于在向相邻电路板传输数据时，位元宽度为18bit，因此实际传输速度为20MHz×18bit=360Mbit/秒。各电路板之间只需使用microUSB连接器与一条USB线即可连接。由于USB线内包含一组差动线、电源线以及接地线，因此主板不需要另外从外部供电。
至于实际传输速度，也可以通过选择最高80MHz的内部时钟频率，或利用外部时钟信号以最高133.3MHz运作来进一步提高。但在这种情况下，不仅在线缆与连接器的选择上需要进行技术性的考量，同时也会因为上述的偏差累积等原因，对可连接的从板最大数量产生限制。这一点也是现行收发器IC所面临的课题。
通过顺时针或逆时针提升冗余性
这个环状网络可以有哪些应用方式呢？以下将以THine所展示的示范为例进行说明（图3）。
作为数据输入装置准备了摇杆、磁感应器以及光电断路器；而数据输出装置则使用了LED。例如，操作安裝在主板上的摇杆时，安裝在5块从板上的LED会同时亮起，以显示摇杆的操作方向。在将磁铁靠近安裝在从板1上的磁感应器时，主板上所安裝的LED会亮起，以显示检测到磁铁的结果。
如此一来，就可以不论是主板还是从板都能输入数据，并将数据输出至需要它的电路板。此外，本次示范中只准备了顺时针方向的环状网络；但如果再加入逆时针方向的环状网路，就能提高冗余性，进而提升网络的可靠性。
具体应用方面主要设想的是工业用网络。当然，作为监视/控制整个工厂或整条生产线的网络，CC-Link、EtherCAT、PROFINET等现场总线已广泛普及。不过，我们完全沒有要与这些网络技术竞争的想法。THine所设想的是比这些现场总线低一个阶层的工业用网络。例如在工厂等场所设置的可编程逻辑控制器（PLC），其控制盘内部的配线就是其中一种应用。这些设备内部使用了大量的配线，因此很多情况下会显得繁杂。如果能导入这款收发器IC的环状网络，应该就能大幅简化这些配线。
图3 环状网络的外观
作为数据输入装置准备了摇杆、磁感应器以及光电断路器；而数据输出装置则使用了LED。例如，操作安裝在主板上的摇杆时，安裝在5块从板上的LED会同时亮起，以显示摇杆的操作方向。在将磁铁靠近安裝在从板1上的磁感应器时，主板上所安裝的LED会亮起，以显示检测到磁铁的结果。
如此一来，就可以不论是主板还是从板都能输入数据，并将数据输出至需要它的电路板。此外，本次示范中只准备了顺时针方向的环状网络；但如果再加入逆时针方向的环状网路，就能提高冗余性，进而提升网络的可靠性。
具体应用方面主要设想的是工业用网络。当然，作为监视/控制整个工厂或整条生产线的网络，CC-Link、EtherCAT、PROFINET等现场总线已广泛普及。不过，我们完全沒有要与这些网络技术竞争的想法。THine所设想的是比这些现场总线低一个阶层的工业用网络。例如在工厂等场所设置的可编程逻辑控制器（PLC），其控制盘内部的配线就是其中一种应用。这些设备内部使用了大量的配线，因此很多情况下会显得繁杂。如果能导入这款收发器IC的环状网络，应该就能大幅简化这些配线。
ユーザーの声を聞いて機能を最適化へ听取用户意见，向最佳功能迈进
不过这次开发的环状网络确实仍存在一些课题。这是因为原本针对点对点传输所开发的收发器IC被半强制地应用到环状网络上。因此无论如何都无法对环状网络进行最优化，而这部分也就成为尚待解决的课题。
现阶段的课题大致可以分为三个。
第一个课题是无法按需求适时切换传输数据的电路板。上述示范目前只能将数据传输至事先定好的电路板；也就是目前还无法实现像是「在某个时间点将数据传输至从板0；下一个时间点再切换传输至从板1」这样的运作方式。
第二个课题是在从板上，由于必须先将接收到的信号从并行I/O端子取出，再重新输入并行I/O端子后进行传输，这样的过程会浪费并行I/O端子的使用空間。也因此，能够收发的数据量（bit数）会减少。
第三个课题是前文已经提到过：由于收发器IC沒有装载偏差清楚功能，因此可传输的距离以及可连接的从板数量都会受到限制；这就导致其应用范围可能受到限制。
这里所列出的课题都是重要的因素，也是必须解决的问题。如果能克服这些课题，相信就能作为一款不受控制端与被控制端之间位置关系限制，实现位置自由的数据传输系统用收发器IC，提供其真正的价值。
今后，THine将着手研究最适合环状网络的收发器IC网络构造与功能、以及并行I/O端子数量等相关事项。通过广泛听取潜在用户的意见，优化面向环状网络的收发器IC性能与功能，并希望能尽早解决用户所面临的课题与困扰。
以上
现阶段的课题大致可以分为三个。
第一个课题是无法按需求适时切换传输数据的电路板。上述示范目前只能将数据传输至事先定好的电路板；也就是目前还无法实现像是「在某个时间点将数据传输至从板0；下一个时间点再切换传输至从板1」这样的运作方式。
第二个课题是在从板上，由于必须先将接收到的信号从并行I/O端子取出，再重新输入并行I/O端子后进行传输，这样的过程会浪费并行I/O端子的使用空間。也因此，能够收发的数据量（bit数）会减少。
第三个课题是前文已经提到过：由于收发器IC沒有装载偏差清楚功能，因此可传输的距离以及可连接的从板数量都会受到限制；这就导致其应用范围可能受到限制。
这里所列出的课题都是重要的因素，也是必须解决的问题。如果能克服这些课题，相信就能作为一款不受控制端与被控制端之间位置关系限制，实现位置自由的数据传输系统用收发器IC，提供其真正的价值。
今后，THine将着手研究最适合环状网络的收发器IC网络构造与功能、以及并行I/O端子数量等相关事项。通过广泛听取潜在用户的意见，优化面向环状网络的收发器IC性能与功能，并希望能尽早解决用户所面临的课题与困扰。
以上