Progettazione e caratterizzaizone di un ciruito di interfaccia per la codifica e decodifica DM

U à S N

niversit degli tudi di apoli

F ederico II

Dipartimento di Ingegneria Elettrica e delle

Tecnologie dell’Informazione

Classe delle Lauree Magistrali in Ingegneria Elettronica,

Classe n. LM-29

Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica

Tesi di Laurea

Progettazione e caratterizzazione di un circuito di

interfaccia per la codifica e decodifica DM

Relatore:

Ch.mo Prof. Guerriero Pierluigi Anno Accademico

2018/2019

A chi mi è stato vicino senza pretendere niente in cambio

A chi mi ha supportato senza che io lo chiedessi

Alla mia famiglia energia per la mia vita

Indice

Introduzione ........................................................................................................................... 6

1. Definizione delle specifiche di progetto ........................................................................... 6

1.1 Analisi delle specifiche ................................................................................................. 6

1.1.1 Requisiti per l’interfaccia ..................................................................................... 7

1.2 Codifica e decodifica .................................................................................................... 9

1.2.1 Codifica .................................................................................................................. 9

1.2.2 Decodifica ............................................................................................................ 10

2. Progettazione ................................................................................................................... 12

2.1 Progettazione dello schematico ................................................................................. 12

2.2 Progettazione della PCB ........................................................................................... 16

2.3 Generazione del segnale di input .............................................................................. 21

3. Test della scheda .............................................................................................................. 23

3.1 Configurazione di test ............................................................................................... 23

Conclusioni ........................................................................................................................... 32

Bibliografia .......................................................................................................................... 33

Sitografia .............................................................................................................................. 33

Introduzione

Introduzione

Il mio lavoro di tesi si è focalizzato sulla progettazione e sul test di un circuito. Il circuito in

esame fa parte di un sistema più complesso impiegato per la sicurezza e il controllo dei

treni: l'ETCS. L’ETCS (European Train Control System) è un sistema di gestione, controllo

e protezione del traffico ferroviario e relativo segnalamento a bordo, progettato allo scopo di

sostituire i molteplici sistemi di circolazione e sicurezza delle varie Ferrovie Europee.

Le principali componenti che costituiscono l’ETCS sono il LEU e la balise. La balise è un

dispositivo elettronico o transponder installato tra i binari di una tratta ferroviaria deputato

al trasferimento a bordo delle informazioni provenienti da un’unità elettronica lungo la linea

(Lineside Electronics Unit, LEU) che ha il compito, interfacciandosi direttamente con i

segnali o con gli impianti del segnalamento di cabina, di selezionare ed inviare le

informazioni, attraverso telegrammi, contenenti dati significativi per la corretta condotta del

treno.

La finalità del mio lavoro di tesi è stato quello di studiare le specifiche tecniche che deve

rispettare un’interfaccia balise/LEU e di progettare e testare una possibile soluzione

circuitale.

La mia attività di tesi si è focalizzata quindi su una fase progettuale, una fase

implementativa attraverso l’interfacciamento con l’azienda che ha di fatto realizzato il

circuito e infine una parte di test del circuito prodotto. A supporto del mio lavoro di tesi

sono stati utilizzati programmi come OrCAD PSpice per la progettazione e per la

simulazione del circuito e Altium per il layout della PCB del circuito.

1.Definizione specifiche di progetto

1. Definizione delle specifiche di progetto

La finalità di questo capitolo è quello di analizzare e definire tutte le specifiche da rispettare

per la realizzazione del progetto finale. Le specifiche utilizzate sono state reperite da

documenti tecnici citati alla fine della rassegna alla sezione bibliografia [1],[2].

1.1 Analisi delle specifiche

Le finalità di questo lavoro di tesi è stata quella di progettare un circuito di interfaccia,

prima di passare alla progettazione è stato fondamentale studiare le specifiche che il circuito

deve rispettare. Il circuito in esame è un circuito di interfaccia tra balise, dispositivo

elettronico o transponder installato tra i binari di una tratta ferroviaria, e LEU (Lineside

Electronics Unit) unità che trasmette i dati dinamici al treno.

Figura 1 Interfaccia di controllo della balise

Il LEU riceve messaggi dalla segnalazione o dall'interblocco lungo la strada. Questi

messaggi vengono convertiti in telegrammi Eurobalise e trasmessi attraverso l'interfaccia

verso la Balise, che trasmette i telegrammi Eurobalise all'apparecchiatura di bordo dei treni

di passaggio. In questo paragrafo si analizzeranno le specifiche da rispettare per cavi di

lunghezza fino a 500 m, lunghezze dei cavi più lunghe richiedono altri requisiti più rigorosi,

che non sono standardizzati.

In questo capitolo sono analizzate l'insieme di verifiche richieste per la certificazione di

conformità e idoneità all'uso per tutti i prodotti di trasmissione dati Eurobalise. La

denominazione "Eurobalise" può identificare solo quei prodotti commerciali che hanno 6

1.Definizione specifiche di progetto

ottenuto la certificazione di conformità, sulla base dei requisiti di prova delle specifiche

esposte, da un organismo ufficialmente riconosciuto.

1.1.1 Requisiti per l’interfaccia

Le caratteristiche elettriche del segnale all’interfaccia sono riepilogate nella Tabella 1 di

seguito (riferita all'uscita LEU).

Caratteristiche Valori nominali Range di tolleranza Note

> 14V 120 Ω

Livello del segnale V Carico resistivo da

2 !!

< 18V 120 Ω

Livello del segnale V Carico resistivo da

2 !!

Forma d'onda e DBPL

codifica dei bit 564.48 kbits/s ±200 ppm Media di oltre 1500 bit

Mean data rate consecutivi

< 60ns

jitter > 100ns 120 Ω

Tempi di salita e di Carico resistivo da

discesa > 6db 120 Ω

Perdita di ritorno Con riferimento a

(all'uscita LEU) Tabella 1 Caratteristiche elettriche all'interfaccia 7

1.Definizione specifiche di progetto

Anche il segnale in un carico resistivo da 120 Ω deve soddisfare i requisiti di Figura 2 e

Tabella 3 di seguito. Le aree ombreggiate costituiscono una maschera in cui il segnale non

deve entrare (considerando la velocità media effettiva e il livello effettivo del segnale V ).

2

Figura 2 Eye diagram

Parametri Requisiti all’usicta LEU

1

2 ∙ Actual mean data rate

T 60 ns

T

jitter 0.6 ∙ T

T

1 0.74 ∙ V

V 1 "

Tabella 2 Parametri eye diagram

La prova delle caratteristiche del diagramma oculare deve essere eseguita con una forma

d'onda che forma un segnale esponenziale con la seguente equazione caratteristica:

1 #

%

V = &−1.87 ∙ V ∙ e + V . fronte di salita

&

!"# $ $

2

! 1 #

%

&1.87 .

V = ∙ V ∙ e − V fronte di discesa

&

!"# $ $

2 8

1.Definizione specifiche di progetto

Con:

§ V e V in volt

out 2

§ 332.3 ns se non diversamente specificato. Ai fini del test, l'intervallo accettabile è

330 ns ± 30 ns.

Ai fini della regolazione del livello del segnale V2 durante la prova, l'impedenza di carico

collegata deve essere di 120 Ω