CompactPCI總線熱插拔單板的電氣設(shè)計(jì)

關(guān)鍵詞：CompactPCI 熱插拔 總線

在一般的應(yīng)用電子系統(tǒng)中，若出現(xiàn)電路板硬件失效或軟件故障，通常都是先關(guān)閉系統(tǒng)電源再檢修或更換故障設(shè)備，這樣往往需要較長的停機(jī)時(shí)間。在一些可靠性要求非常高的高可靠系統(tǒng)中，不允許停機(jī)檢修和停機(jī)更換故障板或只允許很短的停機(jī)時(shí)間。例如在高可靠通訊、軍事應(yīng)用電子系統(tǒng)中，一旦出現(xiàn)單板故障，要求在整個(gè)系統(tǒng)不停機(jī)的情況下允許帶電拔出故障板及插入備份板，這種系統(tǒng)通常叫做支持熱插拔系統(tǒng)或高可靠系統(tǒng)。熱插拔系統(tǒng)首先需要有一個(gè)支持熱插拔的系統(tǒng)平臺(tái)，還需要有支持熱插拔的單板。熱插拔系統(tǒng)都是采用無源背板總線平臺(tái)，在眾多的無源背板總線系統(tǒng)中，CompactPCI總線具有完整的支持熱插拔的規(guī)范，CompactPCI總線熱插拔系統(tǒng)應(yīng)用最廣泛。本文重點(diǎn)介紹CompactPCI熱插拔單板的電氣設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)。

熱插拔即允許帶電拔插工作單板，其最基本的目的是要求帶電拔插單板而不影響系統(tǒng)運(yùn)行，以便維修故障板或重新配置系統(tǒng)；熱插拔技術(shù)可以提供有計(jì)劃地訪問熱插拔設(shè)備，允許在不停機(jī)或很少需要操作人員參與的情況下，實(shí)現(xiàn)故障恢復(fù)和系統(tǒng)重新配置；熱插拔技術(shù)可以提供高可靠應(yīng)用，當(dāng)單板出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)在不間斷運(yùn)行的情況下自動(dòng)隔離故障板。熱插拔系統(tǒng)的級(jí)別由低到高分為三種：基本熱插拔系統(tǒng)，它具有基本熱插拔要求的性能；完全熱插拔系統(tǒng)，它可以對(duì)熱插拔單板進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置；高可靠系統(tǒng)，它利用高可靠平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的更高級(jí)別的控制。

插拔有三個(gè)過程：物理連接過程，包括熱插入（在系統(tǒng)運(yùn)行中插入單板）和熱拔出（在系統(tǒng)運(yùn)行中拔出單板）；硬件連接過程中，即系統(tǒng)在硬件層上的連接與斷開；軟件連接過程，即系統(tǒng)在軟件層上的連接與斷開。這些過程可以用一組狀態(tài)進(jìn)一步描述，這些狀態(tài)雖屬于系統(tǒng)的不同連接層但彼此關(guān)聯(lián)，如圖1所示。例如，當(dāng)物理連接層不存在時(shí)，硬件連接層就不能產(chǎn)生電氣連接；當(dāng)單板從運(yùn)行中的系統(tǒng)拔出時(shí)，軟件連接和硬件連接自動(dòng)斷開。在圖1中：

P0：單板未安裝到系統(tǒng)，處于系統(tǒng)隔離狀態(tài)。

P1/H0：單板已經(jīng)插入槽位，所有的針都連接上，但沒有上電，CompactPCI總線沒有激活。在這一點(diǎn)，物理層處于P1狀態(tài)，硬件層處于H0狀態(tài)。

H1：單板上電初始化后連接到CompactPCI總線。

H1F：單板被命令上電、初始化，但是失敗，或者單板檢測到故障從CompactPCI總線斷開。這塊單板不適合插入從CompactPCI總線。

H2/S0：單板上電，但CompactPCI總線只能訪問配置空間。此時(shí)，配置寄存器還沒有配置好。在這一點(diǎn)，硬件層處于H2狀態(tài)，軟件層處于S0狀態(tài)。

S1：系統(tǒng)已經(jīng)配置好單板。

S2：必需的軟件（驅(qū)動(dòng)器，等）加載完成，單板可被操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件使用。但所有的操作都沒有開始。

S2Q：此狀態(tài)同S2，但不允許進(jìn)行新的操作，單板處于靜止?fàn)顟B(tài)。

S3：單板加入系統(tǒng)，已經(jīng)正常工作。

S3Q：軟件完成當(dāng)前操作，但不允許啟動(dòng)新的操作，此時(shí)單板處于靜止?fàn)顟B(tài)。

CompactPCI單板必須包括一個(gè)CompactPCI總線接口器件，CompactPCI總線與PCI總線的接口邏輯和時(shí)序完全相。PCI總線接口器件常用的有AMCC公司的S5920、S5933，PLX公司的PCI9052等，或者使用FPGA內(nèi)部的PCI邏輯核（core）。當(dāng)然，也可以是接口器件和應(yīng)用邏輯器件合二為一。CompactPCI熱插拔單板的典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。J1、J2是標(biāo)準(zhǔn)的2mm HM型接插件，這是CompactPCI熱插拔規(guī)范規(guī)定的，CompactPCI單板就是通過這兩個(gè)接插件連接到CompactPCI系統(tǒng)平臺(tái)的。其中，連接CompactPCI總線的J1接插件的針是長短分級(jí)的（staged pin），即分為長針、短針、中長針。長針是一些電源針，最短的針是BD_SEL#和IDSEL，其它總線信號(hào)是中長針，而J2都是中長針。

CompactPCI熱插拔單板的物理連接過程都是相同的，如圖3所示。物理連接過程是從單板插入導(dǎo)軌開始，到最短的針BD_SEL#連接上為止；拔出過程則相反。

物理連接過程是一個(gè)機(jī)械連接過程。在機(jī)械連接的過程中，插入單板，首先進(jìn)行靜電放電，然后進(jìn)行預(yù)充電，等預(yù)充電完成后總線信號(hào)針才能連接，最后是BD_SEL#連接上；拔出過程則相反。

靜電放電條是為了保護(hù)熱插拔單板在帶電拔插過程中免遭靜電損壞。預(yù)充電過程是為了減小熱插拔單板在拔插單板過程中對(duì)總線信號(hào)的沖擊（電容效應(yīng)）。

4 熱插拔單板的電氣設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)

CompactPCI熱插拔單板的電氣設(shè)計(jì)必須滿足熱插拔規(guī)范《CompactPCI Host Swap Specificaiton》的要求。要保證在拔插單板時(shí)，不能對(duì)CompactPCI總線產(chǎn)生較大的沖擊，不能影響CompactPCI總線上數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_，必須從如下幾方面進(jìn)行考慮。

4.1 靜電放電

熱插拔單板，在帶電拔插過程中，為了保護(hù)單板免遭靜電損壞，必須進(jìn)行靜電放電。因此必須在單板上設(shè)計(jì)放電條，在CompactPCI機(jī)箱的插槽上有放電導(dǎo)軌。這樣，在插入前，先進(jìn)行靜電放電；在拔出前，也先進(jìn)行靜電放電。

在熱插拔單板的PCB的最外層的下端設(shè)計(jì)三個(gè)放電條：strip1、strip2、strip3。例如，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的CompactPCI后面板插件（高度233.5mm，長度80mm），應(yīng)設(shè)計(jì)的三個(gè)放電條的長度分別為20mm、27.5mm、20mm，高度為1.5mm。其中，strip3與機(jī)殼直接相連，strip1與strip3之間跨接10MΩ電阻，strip2與數(shù)字地通過10MΩ電阻連接，如圖4所示。插入時(shí)，Strip1首先與放電導(dǎo)軌接觸，其次是strip2，最后是strip3；拔出時(shí)則相反。

4.2 預(yù)充電

熱插拔規(guī)范《CompactPCI Hot Swap Specification 2.1》規(guī)定，熱插拔單板在拔插單板過程中，為了減小對(duì)總線的沖擊（電容效應(yīng)），必須對(duì)單板的總線信號(hào)進(jìn)行預(yù)充電，使CompactPCI接插件的插針點(diǎn)的預(yù)充電電壓達(dá)到1.0V（0.2V）。插入單板時(shí)，在CompactPCI總線信號(hào)線連接上之前，使單板上的CompactPCI總線信號(hào)預(yù)充電至1.0V左右，這樣在總線信號(hào)線連接上的瞬間，沖擊很小；拔出單板時(shí)，在CompactPCI總線信號(hào)線斷開之前，使單板上的CompactPCI總線信號(hào)預(yù)充電至1.0V左右，這樣，在總線信號(hào)線斷開的瞬間，沖擊很小。

單板上需要進(jìn)行預(yù)充電的CompactPCI總線信號(hào)，即接插件J1、J2與CompactPCI接口器件連接的信號(hào)，包括：AD0～AD31、C/BE0#～C/BE3#、PAR、FRAME#、IRDY#、TRDY#、STOP#、LOCK#、IDSEL、DEVSEL#、PERR#、SERR#、RST#，AD32～AD63、C/BE4#～C/BE7#、REQ64E、ACK64K、PAR64，需要預(yù)充電至1.0V左右。

單板的預(yù)充電是從長針5V電源取電，再經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換得到預(yù)充電電壓Vps。

需要預(yù)充電的信號(hào)，經(jīng)過較大的電阻Rp上拉至Vps 預(yù)充電電壓（見圖5）。選擇Rp阻值的原則是，Rp的最大值應(yīng)該保證Vps在5ms內(nèi)，使需要預(yù)充電的信號(hào)在接插件插件處達(dá)到理想充電電壓1.0V的80%；Rp的最小值應(yīng)該保證PCI設(shè)備的管腳在高低電平時(shí)的漏時(shí)流不致過大，上拉電阻Rp一般不能小于10kΩ。

INTA#、INTB#、INTC#、INTD#/REQ#/PCI_RST#等信號(hào)通過10kΩ電阻上拉至PCI接口設(shè)備的工作電源電壓（5V或3.3V）。BD_SEL#經(jīng)過10kΩ電阻下拉。

4.3 串聯(lián)匹配

為了減小單板上的CompactPCI總線的信號(hào)線分支（stub）對(duì)總線的影響，必須對(duì)總線信號(hào)進(jìn)行串聯(lián)電阻匹配。PCB的布線特征阻抗應(yīng)設(shè)計(jì)為65Ω10%，匹配電阻阻值為10Ω。需要加串聯(lián)匹配電阻的信號(hào)包括：AD0～AD31、C/BE0#～C/BE3#、PAR、FRAME#、IRDY#、TRDY#、STOP#、LOCK#、IDSEL、DEVSEL#、PERR#、SERR#、RST#、AD32～AD63、C/DE4#～C/BE7#、REQ64#、ACK64#、PAR64以及INTA#、INTB#、INTC#、INTD#。

4.4 信號(hào)線長度限定

根據(jù)CompactPCI規(guī)范的要求，單板的預(yù)充電、串聯(lián)電阻的Stub的長度必須按圖5所示進(jìn)行限制（PCB的布線特征阻抗應(yīng)設(shè)計(jì)為65Ω10%）。Stub的長度越短，對(duì)CompactPCI總線的沖擊越小。在單板上，對(duì)預(yù)充電的信號(hào)，從接插件J1或J2到CompactPCI接口器件管腳，總的信號(hào)線長度應(yīng)小于38.1mm，其中，從接插件插針到串聯(lián)電阻的PCB連線長度應(yīng)小于15.2mm。

預(yù)充電電阻的Stub長度最好是零，最長不能超過2.5mm。

4.5 濾波電容大小的確定

熱插拔單板的預(yù)先電源（early power,不受控電源），在拔插單板時(shí)一直存在。在熱插拔單板上，直接連接在電源管理的未充電電容，在單板插入過程中，會(huì)產(chǎn)生較在的浪涌電流，若電流過大，會(huì)導(dǎo)致接插件的燒損。為了濾波，通常在電源的接插件處都接有一濾波電容。因此，為了減少拔插過程的浪涌電流，必須限制濾波電容總量。根據(jù)熱插拔規(guī)范的規(guī)定，對(duì)預(yù)先電源層電容總量的限制要求如下：

5V、3.3V、V（I/O）的電源層，電容總量不能超過8.8μF。

+12V、-12V的電源層，電容總線不能超過1.5μF。

CompactPCI熱插拔單板的電氣設(shè)計(jì)必須滿足熱插拔規(guī)范《CompactPCI Host Swap Specification》的要求。要保證在拔插單板時(shí)，不能對(duì)CompactPCI總線產(chǎn)生較大的沖擊，不能影響CompactPCI總線上數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_，在進(jìn)行熱插拔單板的電氣設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮到靜電放電、預(yù)充電、信號(hào)串聯(lián)匹配、信號(hào)線長度限定以及濾波電容大小的限制等幾個(gè)方面。筆者曾主持設(shè)計(jì)過16槽位CompactPCI高可靠平臺(tái)，在熱插拔單板的電氣設(shè)計(jì)時(shí)，遵循本文討論的幾個(gè)設(shè)計(jì)原則，所設(shè)計(jì)的單板和系統(tǒng)均滿足熱插拔的各項(xiàng)技術(shù)要求。