Analogtipp Isolation von PCIe-Signalen in der Industrieautomation

In der Industrie wachsen Smart-Manufacturing, Automatisierung und vorausschauende Wartung. Dies steigert den Bedarf nach schnellerer Datenverarbeitung und höherer Effizienz an der Edge. Der Tipp beschreibt, wie Sie PCIe-Protokolle galvanisch trennen.

Die Verarbeitung großer Datenmengen bietet Einblicke und ermöglicht Entscheidungen in Echtzeit, wodurch Latenzzeiten und Gesamtkosten reduziert werden. Was bedeutet dies für den industriellen Bereich? Die rasche Zunahme von Sensoren, die wichtige Informationen erfassen, um den effektiven Betrieb eines Systems sicherzustellen, erhöht den Bedarf an Skalierbarkeit und Flexibilität bei der Edge-Verarbeitung.

In der Fabrikautomatisierung, wo SPSen zur Steuerung in harscher Umgebung eingesetzt werden, ist eine hohe Robustheit dieser Systeme für einen zuverlässigen Betrieb notwendig. Traditionell verfügen die SPSen über begrenzte Verarbeitungsfunktionen und sind für eine einfache Datenverarbeitung ausgelegt. Mit dem Aufkommen der Edge wird dies durch CPUs/GPUs mit wesentlich höherer Leistungsfähigkeit unterstützt. Daher ist die Synergie zwischen diesen Geräten, die eine verbesserte Reaktionsfähigkeit und Datenoptimierung, geringere Latenzzeiten und ein hohes Maß an Robustheit bieten, entscheidend.

Die Isolationstechniken von ADI bieten Schutz vor Ausfällen, die durch hohes Stromrauschen oder dynamische Lasten verursacht werden. Sie bieten sie eine robuste Lösung, die sehr einfach Ausgleichsströme verhindert und eine hohe Immunität gegen Gleichtakttransienten gewährleistet.

PCIe (Peripheral Component Interconnect Express) ist eine der Hauptschnittstellen in GPU- und Motherboards. 2003 als Standard definiert, bietet er Gigabit-Geschwindigkeit von Gen 1 mit 2,5 GT/s bis Gen 6 mit 64 GT/s und arbeitet für einen schnellen und effizienten Datentransfer im vollen Duplexbetrieb. Über das Interface lassen sich viele andere Schnittstellen verbinden – von Ethernet bis USB. Dabei handelt es sich um einen seriellen Bus, der zwei LVDS-Paare (Low-Power Differential Serializer) nutzt. Bei PCIe-Gen1 ermöglichen diese Paare Senden und Empfangen mit 2,5 GBit/s in jede Richtung. Obwohl PCIe unterschiedliche Busbreiten mit bis zu 32x Paaren unterstützt, fokussiert sich dieser Artikel auf 2x-Paare. Dabei wird deutlich, wie einfach es ist, unterschiedliche Busbreiten zu realisieren.

Bei der Isolation von PCIe muss sichergestellt werden, dass die Signalintegrität erhalten bleibt. Zur korrekten Trennung des PCIe-Protokolls muss zusätzlich zur Datenübertragung mit Gigabit-Geschwindigkeit folgendes beachtet werden.

Akkurates Übertragen des elektrischen Ruhezustands: Dies wird benötigt zur Übertragung der Signalzustandsübergänge und zeigt an, wann ein Link einen temporär inaktiven Zustand eingenommen hat und signalisiert Entry/Exit sowohl in Low-Power-Zuständen als auch bei Änderungen der Link-Geschwindigkeit. Die PCIe-Spezifikation schreibt vor, dass die differenzielle Spannung eines Empfängers in einem aktiven-Zustand größer als 175 mV ist und eine differentielle Spannung in einem Ruhezustand unter 65 mV hat.

Signalrobustheit beibehalten: Das ist entscheidend für die zuverlässige Kommunikation in PCIe-Systemen.

Lösungen zur PCIe-Isolation bei Gigabit-Geschwindigkeit

Der Isolator ADN4622 isoliert die beiden LVDS-Paare bei PCIe-Gen1; es ist jedoch wichtig, zu verstehen wie er in harmonisch mit PCIe-Gen1-Signalen arbeitet. Die PCIe-Signalkomposition muss beachtet werden, damit das Protokoll vollständig unterstützt wird. Der Pegelwandler wird benötigt, um den Durchgang des Signals durch den ADN4622 und den elektrischen Ruhezustand zu gewährleisten, um den Ruhezustand weiterzuleiten. Dies wird durch die Kopplung von Netzwerkblöcken an jedem Ein- und Ausgang des ADN4622 erfasst (Bild 1).

Zusätzlich zum Koppelnetzwerk liefert der MAX14954 die Entzerrung (Equalization) und verbessert die Signalintegrität. Ein 100-MHz-Referenztaktsignal (REFCLK) wird zur Synchronisierung genutzt und ist eine Voraussetzung für den Beginn einer Datenübertragung. Der ADN4620 kann dieses Signal sehr einfach isolieren. Der Systemmanagementbus, ein Zweidraht-Signal, das nach den Prinzipien von I²C arbeitet, liefert die Informationen zu und von den Komponenten des Systems. Der I²C-Baustein ADuM1252 isoliert diese Signale.

Signale von high zu low oder low zu high müssen akkurat übertragen werden, um das PCIe-Protokoll korrekt umzusetzen Dies beinhaltet WAKE und CLKREQ für die Übertragung eines Low-Power-Zustands; PERST wird verwendet, um den Link zu resetten, was für einen korrekten Betrieb nötig ist. Es ist wichtig, die Initialisierung des Links vom Endpunkt zum sogenannten root complex und umgekehrt anzuzeigen. PRNST zeigt an, dass eine Karte vorhanden und korrekt an beiden Enden gesteckt ist, wobei alle Stromversorgungs- und Signal-Kontakte angeschlossen sind. Dies verhindert, dass eine nicht korrekt gesteckte Karte hochgefahren wird. Diese Signale werden mit dem digitalen Isolator ADUM321N isoliert. (kr)

* Aine McCarthy ist Principal Applications Engineer in der Precision Signal Chain Group bei Analog Devices in Wilmington.

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