phyCAM-L Kabellänge

Überblick

Dieser Artikel soll einen Überblick bei den Betrachtungen der zulässigen Leitungslängen der phyCAM-L Schnittstelle geben.

Laut TI treffen folgende Reglementierungen auf den FPD-Link zu (Hierbei muss das Gesamtsystem aus Kabel, Stecker und PCB betrachtet werden):

• Die Dämpfung des Forward Channels des FPD-Link III darf zwischen 1,2 bB und 20 dB (2GHz) liegen.
• Die Rückflussdämpfung muss bis 25MHz -25dB betragen. Zwischen 25MHz und 1GHz gilt S11=-12dB+8*log(f(GHz)). Ab 1GHz sind typisch -12 dB erlaubt. Im Worst Case sind laut TI -10 dB zulässig.
• Der Back Channel darf mit maximal 4 dB gedämpft werden.
• Weitere Details zu den Grenzwerten des FPD-Link III entnehmen Sie bitte den TI Datenblatter und Applikation Notes des DS90UB95x.

Da die Dämpfung des Forward Channels in der Regel der kritischere Grenzwert ist, wird nur dieser hier betrachtet. Bei der Verifikation muss der Back Channel aber ebenfalls geprüft werden.

Die von TI empfohlene maximal Dämpfung ist nicht näher spezifiziert bzgl. der EMV Störfestigkeit. Sollen industrielle Störfestigkeiten eingehalten werden, sollte die maximale Leitungslänge nicht ausgeschöpft werden und die Möglichkeit einer frühzeitigen Störableitung mittels z.B. auf den Schirm aufgelegtem Pigtails an Kamera und Basisboard realisieret werden.

Die Arbeitsfrequenz des FPD-Link III kann zwischen 1840 MHz bis 2080 MHz liegen. Das typische phyCAM-L Interface arbeitet mit einer Frequenz von 1920 MHz. Die Dämpfungswerte müssen bei der Arbeitsfrequenz betrachtet werden.

Folgende Werte werden bei den Betrachtungen pauschal angenommen:

• Für eine Steckverbindung des Typs UMCC werden pauschal 0,24 dB verwendet.

• Für einen Zentimeter Leiterbahn kann ca. 0,07 dB veranschlagt werden.^[1]

• Für die Leitungslängen auf der Leiterplatten wird pauschal eine Länge von 3 cm angenommen. Dies entspricht einer Dämpfung von ca. 0,21 dB.

Für Stecker und Leiterbahnen kommt somit eine konstante Dämpfung von 0,69 dB zustande. Die sich daraus ergebende Leitungslänge stellt das theoretische Maximum da. Es wird empfohlen immer ein Puffer von ca. 1 dB zu berücksichtigen.

(mathjax-inline(a=a_{MaxDämpfung}-2*a_{UMCC-Dämpfung}-a_{Leiterbahn}-a_{Puffer}=20dB-2*0,24dB-0,21db-1db=18,31dB)mathjax-inline)

Für das Kabel bleiben somit 18,31 dB übrig. Werden längere Leiterbahnen oder sogar Vias verwendet, muss dieser Wert neu betrachtet werden.

Definition der Leitungslängen durch Verifikation der Signalintegrität

Die maximale Leitungslänge kann näherungsweise anhand der Signalintegrität vorgenommen werden.

Da bedingt durch den Equalizer (EQ) und dessen Konfiguration keine korrekte Bewertung des Augendiagramms möglich ist, empfiehlt TI zur Verifikation der Qualität der Signalintegrität die Verwendung des MAP Tests.^[2]Das Programm ist u.a. im TI LaunchPAD^[3]enthalten und basiert auf der Application Note SNLA301 von TI. PHYTEC liefert hierzu eine Python3 basierte Software zur Durchführung dieses Tests (Siehe Phytec Applikation Note LAN-107). Bei der Durchführung des Tests ist darauf zu achten, dass der Bildsensor arbeitet und eine etwaige zusätzliche Last am Expansionconnector des Kameramoduls ebenfalls in Betrieb ist. Idealerweise sollte der Test zusätzlich unter verschiedenen zu erwartenden Temperaturen durchgeführt werden.

Es wird empfohlen, den MAP Test immer durchzuführen, auch wenn die Dämpfungs- und Ripplewerte der Signalstrecke betrachtet wurden!

Des Weiteren gibt das Analysieren von CRC-Fehler (Back-Channel) und Parity-Fehlern (Forward-Channel) Aufschluss über die Qualität des Links. Es sollten während der Verifikation keine Fehler auftreten. Bei diesem Test und auch im Serieneinsatz können die durch die MAP Analyse verwendeten idealen Strobe und EQ Einstellung im DS90UB954 konfiguriert werden, damit unzulässige Einstellungen direkt unterbunden werden. Sollte es zu einzelnen Parity Fehlern kommen, korrigiert der DS90UB954 automatisch die EQ-Einstellung nach. Wird der zulässige Bereich überschritten, z.B. durch auftettende EMV Ereignisse, kann dies dazu führen, dass die Übertragungsstrecke dauerhaft gestört ist. Die EQ Einstellungen bzw. Parity Fehler sollten deswegen immer gemonitort werden und gegenfalls zurückgesetzt werden. CRC-Fehler können nicht durch Ändern von EQ Einstellungen optimiert werden. Hierbei hilft eine Überprüfung, ob Schreib- und Lesevorgänge korrekt durchgeführt wurden. Ein Initiales zurücksetzen der Strobe- und EQ-Einstellung wird vor dem ersten Start empfohlen.

Eine zusätzlicher Leistungsentnahme am Expansionconntector kann die Eigenschaften des PoC Filters stark beeinflussen, so dass immer eine umfangreiche Verifikation des Systems notwendig ist.

Der CMLOUT-Ausgang des DS90UB954 kann zur Jittermessung verwendet werden. Da dieser aber bereits das aufbereitete Signal bewertet, gibt diese Messung keine Aussage zur eigentlichen Augenhöhe/breite und etwaigem Puffer. Grenzwerte für den Jitter können dem Datenblatt entnommen werden.

Leitungslänge (ohne PoC) durch theoretische Betrachtung der Dämpfung

Da eine Berücksichtigung der durch Power-over-Coax (PoC) verursachten Störungen pauschal nicht getroffen werden kann, werden zunächst die maximalen Leitungslängen ohne PoC betrachtet. In folgender Tabelle sind typische Werte für entsprechende Kabeltypen angeben. Da selbst gleiche Kabeltypen herstellerspezifische Abweichungen aufweisen können, muss immer das Datenblatt des konkreten Kabels verwendet werden, um korrekte Werte ermitteln zu können.

Zu beachten ist, dass der UMCC Steckverbinder kein stärkeres Kabel als das RG1.37 aufnehmen kann. Stärkere Kabel werden mit einem Pigtail adaptiert. Dieses muss in die Berechnung mit einbezogen werden.

Ein Pigtail sollte wie folgt berücksichtigt werden:

• Einen Steckverbinder, welcher mit ca. 0,30 dB dämpft.
• z.B. 5 cm RG1.37 Kabel, welches mit weiteren 0,12 dB dämpft. 

(mathjax-inline(a_{Pigtail}=a_{Steckverbinder}+a_{Kabel}=0,30dB+0,12db=0,42dB)mathjax-inline)

Werden somit zwei Pigtails verwendet kommen ca. 0,84 dB hinzu.

Ein großer Vorteil bei der Verwendung von Pigtails ist, dass mittels dieser Adapter der Kabelschirm am Gehäuse aufgelegt werden kann und somit ein gegen EMV Einflüsse robusteres Gesamtsystem möglich ist.

Leitungslänge (mit PoC) durch theoretische Betrachtung der Dämpfung und des Gleichstromwiderstands (DCR)

Damit die durch PoC verursachten Störungen möglichst unproblematisch bleiben, wurden folgende Grenzwerte festgelegt:

• Der maximale Spannungsverlust über der kompletten Übertragungsstecke darf 1 V nicht überschreiten
  • Die Messung von V_POC wird am Expansionconnector des Kameramoduls durchgeführt. Es wird somit die schon gefilterte Spannung auf dem Kameramodul bewertet.
• Die Flankensteilheit (fallend und steigend) an V_POC dürfen 200 µs (10% - 90%) nicht unterschreiten
  • Die Messung wird am Expansionconnector des Kameramoduls durchgeführt. Es wird die schon gefilterte Spannung auf dem Kameramodul bewertet.
• Maximal dürfen 6 W entnommen werden.
  • Kompatibilität der phyCAM-Schnittstelle
• Maximaler Stromfluss darf 750 mA nicht überschreiten.
  • Kompatibilität der phyCAM-Schnittstelle

Damit die maximale Spannungsschwankung näherungsweise berechnet werden kann, werden die DCR Werte des verwendeten Systems benötigt, sowie die Leistungsaufnahme der Kamera. Es gibt mehrere Variablen, so zum Beispiel der Stromfluss, die Leitungslänge, der Leitungstyp und die Spannung für PoC.

• Die Spannung V_CAM und somit auch V_POC müssen ausreichend hoch sein, damit der Stromfluss möglichst gering gehalten wird. Empfehlenswert ist eine Spannung von 12 V.
• Der Leitungstyp definiert die Dämpfung und den DCR zu einem hohen Maß.
  • Beachten Sie, dass der DCR in der Regel bei einer bestimmten Temperatur angegeben wird. Wird dieser z.B. für 25°C spezifiziert und das Kabel bei 85°C betrieben, steigt der Widerstandswert von Kupfer z.B. um ca. 25% an. Es sollte Reserve eingeplant werden.
• Die Leitungslänge definiert den Großteil der gesamten Dämpfung und DCRs.
• Die Spannung V_CAM an der Kamera darf 4,5 Volt nicht unterschreiten.
  • Die Messung kann am Expansionconnector des Kameramoduls durchgeführt werden. Es wird somit die schon gefilterte Spannung auf dem Kameramodul bewertet. Der DCR des entsprechenden Kameramodul kann berücksichtigt werden.
• Der Leistungsbedarf der Kamera muss beachtet werden.
• Der DCR des Basisboards und gegebenenfalls auch der DCR der Kamera müssen mit eingerechnet werden.

Zu beachten ist, dass der UMCC Steckverbinder kein stärkeres Kabel als das RG1.37 aufnehmen kann. Stärkere Kabel müssen mit einem Pigtail adaptiert werden. Dieses Pigtail muss in die Berechnung mit einbezogen werden.

• Der Steckverbinder wird pauschal mit ca. 0,30 dB Dämpfung angenommen.
• Des Weiteren werden z.B. 5 cm RG1.37 Kabel verwendet, welches mit weiteren 0,12 dB dämpft. 
• Der DCR wird mit ca. 25 mΩ je Pigtail angenommen.

Ein großer Vorteil bei der Verwendung von Pigtails ist, dass mittels dieser Adapter der Kabelschirm am Gehäuse aufgelegt werden kann und somit ein gegen EMV Einflüsse robusteres Gesamtsystem möglich ist.

Der DCR der verwendeten Hardware muss ebenfalls mitbetrachtet werden. Sollten DCR Werte für andere PHYTEC Boards benötigt werden, kontaktieren Sie unseren Support. Den DCR des Kameramoduls entnehmen Sie folgender Tabelle.

Leistungsaufnahme und DCR von Kameramodulen und Basisplatinen:

Solange die Kamera ohne weitere Leistungsentnahme am Expansionconnector betrieben wird, muss der DCR der Kamera nicht berücksichtigt werden, da die Verluste bereits im Design berücksichtigt wurden um den Entwicklungsaufwand zu reduzieren. Dies hat aber zur Folge, dass bei Verwendung einer zusätzlichen Last am Kameramodul, der DCR des Kamermoduls ins Gesamtsystem mit einberechnet werden muss. Die zusätzlichen Spannungsverluste des DCRs des Kameramoduls müssen z.B. durch das Kabel kompensiert werden. Bei einer zusätzlichen Last von 100 mA sind bei einem VM-017-xxx-L.A1 Modul somit 58 mV notwendig. Es bleiben somit nicht mehr 1 V für den Ripple, sondern nur noch 0,948 V und der minimale Pegel muss statt bei 4,5 V nun bei 4,548 V liegen. Des Weiteren wird empfohlen bei Verwendung einer zusätzlichen Last ca. 100 µF bis 200 µF (X7R) auf dem Erweiterungsmodul vorzusehen. Durch Verifikation mittes MAP-Analyse und Überwachung der Parity- und CRC-Fehler muss die Beeinflussung durch das Erweiterungsmodul individuell bewertet werden.