CompactPCI總線(xiàn)熱插拔單板的電氣設計

關(guān)鍵詞：CompactPCI 熱插拔 總線(xiàn)

在一般的應用電子系統中，若出現電路板硬件失效或軟件故障，通常都是先關(guān)閉系統電源再檢修或更換故障設備，這樣往往需要較長(cháng)的停機時(shí)間。在一些可靠性要求非常高的高可靠系統中，不允許停機檢修和停機更換故障板或只允許很短的停機時(shí)間。例如在高可靠通訊、軍事應用電子系統中，一旦出現單板故障，要求在整個(gè)系統不停機的情況下允許帶電拔出故障板及插入備份板，這種系統通常叫做支持熱插拔系統或高可靠系統。熱插拔系統首先需要有一個(gè)支持熱插拔的系統平臺，還需要有支持熱插拔的單板。熱插拔系統都是采用無(wú)源背板總線(xiàn)平臺，在眾多的無(wú)源背板總線(xiàn)系統中，CompactPCI總線(xiàn)具有完整的支持熱插拔的規范，CompactPCI總線(xiàn)熱插拔系統應用最廣泛。本文重點(diǎn)介紹CompactPCI熱插拔單板的電氣設計技術(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運行，以便維修故障板或重新配置系統；熱插拔技術(shù)可以提供有計劃地訪(fǎng)問(wèn)熱插拔設備，允許在不停機或很少需要操作人員參與的情況下，實(shí)現故障恢復和系統重新配置；熱插拔技術(shù)可以提供高可靠應用，當單板出現故障時(shí)，系統在不間斷運行的情況下自動(dòng)隔離故障板。熱插拔系統的級別由低到高分為三種：基本熱插拔系統，它具有基本熱插拔要求的性能；完全熱插拔系統，它可以對熱插拔單板進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置；高可靠系統，它利用高可靠平臺實(shí)現對硬件的更高級別的控制。

插拔有三個(gè)過(guò)程：物理連接過(guò)程，包括熱插入（在系統運行中插入單板）和熱拔出（在系統運行中拔出單板）；硬件連接過(guò)程中，即系統在硬件層上的連接與斷開(kāi)；軟件連接過(guò)程，即系統在軟件層上的連接與斷開(kāi)。這些過(guò)程可以用一組狀態(tài)進(jìn)一步描述，這些狀態(tài)雖屬于系統的不同連接層但彼此關(guān)聯(lián)，如圖1所示。例如，當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；當單板從運行中的系統拔出時(shí)，軟件連接和硬件連接自動(dòng)斷開(kāi)。在圖1中：

P0：?jiǎn)伟逦窗惭b到系統，處于系統隔離狀態(tài)。

P1/H0：?jiǎn)伟逡呀?jīng)插入槽位，所有的針都連接上，但沒(méi)有上電，CompactPCI總線(xiàn)沒(méi)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：?jiǎn)伟迳想姵跏蓟筮B接到CompactPCI總線(xiàn)。

H1F：?jiǎn)伟灞幻钌想?、初始化，但是失敗，或者單板檢測到故障從CompactPCI總線(xiàn)斷開(kāi)。這塊單板不適合插入從CompactPCI總線(xiàn)。

H2/S0：?jiǎn)伟迳想?，但CompactPCI總線(xiàn)只能訪(fǎng)問(wèn)配置空間。此時(shí)，配置寄存器還沒(méi)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：系統已經(jīng)配置好單板。

S2：必需的軟件（驅動(dòng)器，等）加載完成，單板可被操作系統和應用軟件使用。但所有的操作都沒(méi)有開(kāi)始。

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

S3：?jiǎn)伟寮尤胂到y，已經(jīng)正常工作。

S3Q：軟件完成當前操作，但不允許啟動(dòng)新的操作，此時(shí)單板處于靜止狀態(tài)。

CompactPCI單板必須包括一個(gè)CompactPCI總線(xiàn)接口器件，CompactPCI總線(xiàn)與PCI總線(xiàn)的接口邏輯和時(shí)序完全相。PCI總線(xiàn)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內部的PCI邏輯核（core）。當然，也可以是接口器件和應用邏輯器件合二為一。CompactPCI熱插拔單板的典型結構如圖2所示。J1、J2是標準的2mm HM型接插件，這是CompactPCI熱插拔規范規定的，CompactPCI單板就是通過(guò)這兩個(gè)接插件連接到CompactPCI系統平臺的。其中，連接CompactPCI總線(xiàn)的J1接插件的針是長(cháng)短分級的（staged pin），即分為長(cháng)針、短針、中長(cháng)針。長(cháng)針是一些電源針，最短的針是BD_SEL#和IDSEL，其它總線(xiàn)信號是中長(cháng)針，而J2都是中長(cháng)針。

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

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

靜電放電條是為了保護熱插拔單板在帶電拔插過(guò)程中免遭靜電損壞。預充電過(guò)程是為了減小熱插拔單板在拔插單板過(guò)程中對總線(xiàn)信號的沖擊（電容效應）。

4 熱插拔單板的電氣設計技術(shù)要點(diǎn)

CompactPCI熱插拔單板的電氣設計必須滿(mǎn)足熱插拔規范《CompactPCI Host Swap Specificaiton》的要求。要保證在拔插單板時(shí)，不能對CompactPCI總線(xiàn)產(chǎn)生較大的沖擊，不能影響CompactPCI總線(xiàn)上數據傳輸的正確，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(guò)程中，為了保護單板免遭靜電損壞，必須進(jìn)行靜電放電。因此必須在單板上設計放電條，在CompactPCI機箱的插槽上有放電導軌。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的最外層的下端設計三個(gè)放電條：strip1、strip2、strip3。例如，對于標準的CompactPCI后面板插件（高度233.5mm，長(cháng)度80mm），應設計的三個(gè)放電條的長(cháng)度分別為20mm、27.5mm、20mm，高度為1.5mm。其中，strip3與機殼直接相連，strip1與strip3之間跨接10MΩ電阻，strip2與數字地通過(guò)10MΩ電阻連接，如圖4所示。插入時(shí)，Strip1首先與放電導軌接觸，其次是strip2，最后是strip3；拔出時(shí)則相反。

4.2 預充電

熱插拔規范《CompactPCI Hot Swap Specification 2.1》規定，熱插拔單板在拔插單板過(guò)程中，為了減小對總線(xiàn)的沖擊（電容效應），必須對單板的總線(xiàn)信號進(jìn)行預充電，使CompactPCI接插件的插針點(diǎn)的預充電電壓達到1.0V（0.2V）。插入單板時(shí)，在CompactPCI總線(xiàn)信號線(xiàn)連接上之前，使單板上的CompactPCI總線(xiàn)信號預充電至1.0V左右，這樣在總線(xiàn)信號線(xiàn)連接上的瞬間，沖擊很??；拔出單板時(shí)，在CompactPCI總線(xiàn)信號線(xiàn)斷開(kāi)之前，使單板上的CompactPCI總線(xiàn)信號預充電至1.0V左右，這樣，在總線(xiàn)信號線(xiàn)斷開(kāi)的瞬間，沖擊很小。

單板上需要進(jìn)行預充電的CompactPCI總線(xiàn)信號，即接插件J1、J2與CompactPCI接口器件連接的信號，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，需要預充電至1.0V左右。

單板的預充電是從長(cháng)針5V電源取電，再經(jīng)過(guò)電壓轉換得到預充電電壓Vps。

需要預充電的信號，經(jīng)過(guò)較大的電阻Rp上拉至Vps 預充電電壓（見(jiàn)圖5）。選擇Rp阻值的原則是，Rp的最大值應該保證Vps在5ms內，使需要預充電的信號在接插件插件處達到理想充電電壓1.0V的80%；Rp的最小值應該保證PCI設備的管腳在高低電平時(shí)的漏時(shí)流不致過(guò)大，上拉電阻Rp一般不能小于10kΩ。

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

4.3 串聯(lián)匹配

為了減小單板上的CompactPCI總線(xiàn)的信號線(xiàn)分支（stub）對總線(xiàn)的影響，必須對總線(xiàn)信號進(jìn)行串聯(lián)電阻匹配。PCB的布線(xiàn)特征阻抗應設計為65Ω10%，匹配電阻阻值為10Ω。需要加串聯(lián)匹配電阻的信號包括：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 信號線(xiàn)長(cháng)度限定

根據CompactPCI規范的要求，單板的預充電、串聯(lián)電阻的Stub的長(cháng)度必須按圖5所示進(jìn)行限制（PCB的布線(xiàn)特征阻抗應設計為65Ω10%）。Stub的長(cháng)度越短，對CompactPCI總線(xiàn)的沖擊越小。在單板上，對預充電的信號，從接插件J1或J2到CompactPCI接口器件管腳，總的信號線(xiàn)長(cháng)度應小于38.1mm，其中，從接插件插針到串聯(lián)電阻的PCB連線(xiàn)長(cháng)度應小于15.2mm。

預充電電阻的Stub長(cháng)度最好是零，最長(cháng)不能超過(guò)2.5mm。

4.5 濾波電容大小的確定

熱插拔單板的預先電源（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(guò)程中，會(huì )產(chǎn)生較在的浪涌電流，若電流過(guò)大，會(huì )導致接插件的燒損。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(guò)程的浪涌電流，必須限制濾波電容總量。根據熱插拔規范的規定，對預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(guò)8.8μF。

+12V、-12V的電源層，電容總線(xiàn)不能超過(guò)1.5μF。

CompactPCI熱插拔單板的電氣設計必須滿(mǎn)足熱插拔規范《CompactPCI Host Swap Specification》的要求。要保證在拔插單板時(shí)，不能對CompactPCI總線(xiàn)產(chǎn)生較大的沖擊，不能影響CompactPCI總線(xiàn)上數據傳輸的正確，在進(jìn)行熱插拔單板的電氣設計時(shí)，必須考慮到靜電放電、預充電、信號串聯(lián)匹配、信號線(xiàn)長(cháng)度限定以及濾波電容大小的限制等幾個(gè)方面。筆者曾主持設計過(guò)16槽位CompactPCI高可靠平臺，在熱插拔單板的電氣設計時(shí)，遵循本文討論的幾個(gè)設計原則，所設計的單板和系統均滿(mǎn)足熱插拔的各項技術(shù)要求。