带热插拔的CompactPCI的单板接口硬件设计技术

1、CPCI总线 　　随着工业技术的发展，工业现场对计算机的要求像商业台式PC一样，同样需要高速度和高性能，尤其是在可视化图形操作界面、复杂的控制算法以及苛刻的时限要求等场合。此外，对工业计算机还要有普通办公设备所不及的特殊要求，主要是： 　　坚固：往往要工作在热、冷、脏、差的环境，还要能承受一定的冲击或振动，因此，对通风、散热、坚固性的要求较高。 　　可靠： 平均无故障时间（MTBF）要高。涉及电气、机械部件，连接器及外围设备的可靠性。 　　平均维修时间(MTTR)短：为缩短平均维修时间，大多数工业计算机都使用无源底板总线设计，甚至希望能带电插拔出现故障的插件。 　　模块化：除了要有普通PC的通用配置外，往往还有多种不同用途的I/O，如ADC、PLC、视频接口等。且不同的应用对象要求各异，这就势必要用模块化解决。 　　标准化：成功的计算机设计大都不是一家能做好的，只有基于标准平台和工业标准才能从多个售主获得好产品。 前面板I/O：为了使用方便，工业计算机往往需要从前面连接I/O，前面板也兼有某些状态指示、插卡拔取和锁紧功能。 　　CPCI总线正是为了满足这一需要应运而生的，总的来说CPCI 总线规范是： PCI总线的电气和软件标准 + 欧式卡工业组装标准 2、热插拔技术 　　在一般的电子系统中，若出现电路板硬件故障，通常都要关闭系统电源再检修或更换故障设备，这样往往需要较长的停机时间。在一些对可靠性要求非常高的高可靠系统中（MTTR要求很短），不允许停机检修和停机更换故障板或只允许很短的停机时间。要求在系统带电工作过程中更换电路板卡。在众多的无源背板总线系统中，Compact PCI总线具有完整的支持热插拔的规范，提供了诸如：分级的引脚指针，enum#,蓝色LED,CPCISW，总线的预充电等规范进行支持。根据同一规范各大生产商推出了自己开发的各种CPCI总线接口芯片和热插拔控制芯片。这些芯片推出，大大简化了CPCI单板硬件的电气设计技术。硬件工程师无需知道详细的热插拔和CPCI总线规范就可以设计CPCI的板卡。极大的节省了系统设计的时间，将接口电路标准化就可以使硬件工程师专注于板卡系统功能的实现上来。 3、CPCI热插拔板卡的硬件接口通用结构如下： 3．1 PCI9030提供的接口电路 　　PCI9030是PLX技术公司推出的一款高性能的32位33MHZ的PCI I/O 接口芯片。提供以下一些主要的功能： 　　同时支持存储器地址映射与I/O口地址映射，其中存储器映射可以映射成五个独立的可编程本地地址。 　　支持总线的突发传输模式，本地总线传输最高可达60MHZ，实现132MB/S的突发传输速率。 　　具有9个可编程的通用I/O接口(GPIOs)。 　　可编程的本地总线的等待插入，可编程的数据预取功能。 　　支持两个本地总线到PCI总线的中断。支持大小ENDIAN码的转换。 　　可由配置芯片EEPROM进行工作状态的初始化。 　　PCI9030遵循PICMG 2.1规范，提供对板卡的热插拔支持：早期的电源支持，对总线的预充电功能，编程界面的支持。 3．2 LTC1644提供的热插拔功能 　　LTC1644是凌特(Linear)公司生产的专用的CPCI热插拔控制器。这款热插拔控制器提供一下的一些功能： 　　可以控制3.3V、5V、12V、-12V电源的上电过程，其中3.3V、5V由外部的场效应管芯片IRF7413协助控制上电过程，12V、-12V由LTC1644内部的断路器控制。 　　可调的电流限制功能控制电路断路器。 　　提供异步的本地总线复位信号逻辑LOCAL_PCI_RST#。 　　在插入和拔出过程中对I/O口进行预充电功能。 　　可以调整的供电电压的上电速率。 3．3 由PCI9030和LTC1644配合完成带热插拔功能的CPCI插卡接口功能，总体的结构如下: 设计的接口实际电路为： 4、设计的注意事项。 4.1 EEPROM初始化PCI9030,确定工作状态，指定分配的资源。 　　根据用户选择的工作模式和所需资源的不同需要使用EEPROM配置芯片对PCI9030进行初始化。9030在自检过程中如果发现配置芯片的存在并且配置芯片的头33bit不全为1则加载配置芯片的值初始化9030,否则使用默认值初始化9030。可以使用串行的3.3V 2k EEPROM,例如93LC66B,热插拔功能需要初始化热插拔控制寄存器（PCI 48h,EEPROM中的偏移量为22h）值为4c06h，其他一些初始化功能根据开发者的需要自己规定，例如可以自己指定板卡的设备号、矢量号等。值得注意的是，在存储器访问中BAR2地址的系统默认值偏移量范围只有20位（xxx00000h-xxxfffffh）,如果需要更多的地址空间必需使用初始化芯片进行配置（local 00h和local 02h,EEPROM的偏移量为2Ah，28h）。 4.2 电源管理和使用的原则。 　　CPCI总线进来的电源每组要长短针电源分开。在每组电源上要采用0.1或0.01UF电容退耦，在每组电源的长短针电源之间可以采用小的退耦电阻如2.74或1.74欧连接在一起。9030的指明早期电源必须连在长针上以便在插入能早期供电。禁止用户后级功能模块在CPCI总线上直接取电，后级要使用5V和3.3V电源在相应的输出场效应管IRF7413上取电。12V电源和-12V电源分别在LTC1644的20脚和19脚取电。 4.3 电源控制参数的调整。 　　在电路设计的过程中有几个可以根据需要调整的参数。 4.3.1 LTC1644的第四脚（TIMER）所接的电容 　　这个电容控制着电源的上电时间，这个上电时间可以根据电路的需要进行调整，但上电时间不能太短以免烧穿控制电源通路的场效应三级管（IRF7413）。如果没有特殊的要求可以采用0.1UF电容（上电时间大约50ms左右），可参看下表： 4.3.2 3.3V和5V电源电流限制的设置 　　为保护通路场效应三级管(IRF7413)及板上的后级电路。两组电源的电流限制值由连接在LTC1644的17与16脚间（3V）和13与14脚（5V）间的电阻来控制。之间的关系可以表示为： 另外两组电源，在芯片的内部固定设为：12V限制电流设为840mA,-12V限制电流设为100 mA ，不能调整。 4.4 滤波电容大小的确定。 热插拔单板的早期电源(early power，不受控电源)，在拔插单板时一直存在。在热插拔单板上，直接连接在电源管脚的未充电电容，在单板插入过程中，会产生较大的浪涌电流，为了滤波，通常在电源的接插件处都接有一些滤波电容。为了减少拔插过程的浪涌电流，必须限制滤波电容总量。根据热插拔规范的规定，对早期电源层电容总量的限制要求如下： 5V、3.3V、V(I／0)的电源层，电容总量不能超过8.8uF。 +12V、-12V的电源层，电容总量不能超过1.5uF。 4.5 静电放电导槽的设计。 　　在热插拔单板的PCB的最外层的下端设计三个放电条：strip1、strip2、strip3。对于标准的CompactPCI面板插件3U插槽，应设计三个放电条的长度分别为20mm、27.5mm、20mm，高度为1.5mm。其中，strip3与机壳直接相连．strip1与strip3之间跨接10M电阻，strip2与数字地通过10M电阻连接，如上面的图所示。插入时，Strip1首先与放电导轨接触，其次是strip2，最后是strip3；拔出时则相反。 4.6 布线长度的限制。 　　根据CompactPCI规范的要求，单板的预充电、串联电阻的Stub的长度必须进行限制(PCB的布线特征阻抗应设计为65欧误差10％)。Stub的长度越短，对CompactPCI总线的冲击越小。在单板上，对预充电的信号，从接插件J1或J2到CompactPCI接口器件管脚，总的信号线长度应小于38.1mm，其中，从接插件插针到串联电阻的PCB连线长度应小于15.2mm 。 4.7 串联匹配。 为了减小单板上的CompactPCI总线的信号线分支(stub)对总线的影响，必须对总线信号进行串联电阻匹配。PCB的布线特征阻抗应设计为65欧误差10％，匹配电阻阻值为10欧。 4．8 总线的预充电。 热插拔规范规定，热插拔单板在拔插单板过程中，为了减小对总线的冲击(电容效应)，必须对单板的总线信号进行预充电，使CompactPCI接插件的插针点的预充电电压达到1.0V。插入单板时，在CompactPCI总线信号线连接上之前，使单板上的CompactPCI总线信号预充电至1.0V左右，这样在总线信号线连接上的瞬间，冲击很小；拔出单板时，在CompactPCI总线信号线断开之前，使单板上的CompactPCI总线信号预充电至1.0V左右，这样，在总线信号线断开的瞬间，冲击很小。 　　LTC1644与PCI9030都可以提供对总线的预充电功能，设计中采用9030对所有的I/O口进行预充电，因此可以取消LTC1644对I/O口的预充电功能，即将LTC1644的11和12脚开路，取消之间的器件，包括预充电的三级管MMBT2222A和所有的总线上拉电阻，不影响芯片LTC1644的正常工作。